新型游梁式抽油機節能裝置的研究

蘇會林 戴明宏

摘 要：針對游梁式抽油機電能能耗大和反向發電干擾電網品質問題，研制新型節能裝置，對常規游梁式抽油機進行改造。本節能裝置采用機、電、液一體化技術，分別從電機節能、平衡塊機械能回收與釋放兩個方面來解決游梁式抽油機的節能問題，不但從理論上論證了新型游梁式抽油機節能裝置的可行性，而且有較為完整的節能裝置設計方案，具有很好的推廣和應用價值。

關鍵詞：抽油機；節能；自發電；液壓儲能；矢量變頻

Abstract：To solve the problem of huge energy comsuption of beam pumping unit and grid quality disturb of reverse power，we transformed the ordinary beam pumping unit and developed new energy-saving equipment，which uses mechanical-electrical-hydraulic integration technology，and solves the energy-saving problem of the beam pumping unit from two aspects of motor energy-saving and counterbalance mechanical energy recycling and releasing.This paper theoretically demonstrates the feasibility of a new beam pumping unit energy-saving devices，and also propose a complete energy-saving device design，which enjoys high promotion and application value.

Key words：pumping unit；energy-saving；spontaneous electric； hydraulic energy； vector frequency conversion

1 研究背景[1，2，3，4，5，6]

在油田開發過程中，采油的方式基本上分為兩大類：一類是依靠藏油本身的能量使原油噴到地面，叫做自噴采油；另一類是借助外界能量將原油采到地面，叫做機械采油。目前我國大多數油田采用后者進行采油，并且主要利用游梁式抽油機進行采油，這種采油的油井占油田油井總數的90%以上，而目前所用的抽油機不僅總體效率偏低，能耗大，并且有反向發電問題，干擾電網品質。據統計，游梁式抽油機的總體效率僅為30%～50%，因此，如果提高抽油機總體系統效率，就可以節約大量能源，實現低碳生產的目的，節能成為抽油機系統需要重點解決的問題之一。

2 新型節能技術方案的研究

目前，抽油機采用的主要節能方案有間抽控制器（POC）、軟起動及調壓節能型、無功就地補償節能型等，無論采取那種節能方法都不能解決抽油機驢頭（平衡塊）不平衡下行引起的能量損耗及自發電引起的電網品質下降問題。[6，7，8，9，10，11]通過對現有節能方法的比較和對游梁式抽油機的結構特點及抽油機運行能耗分析，提出了游梁式抽油機新型節能方案，該方案利用機械技術、變頻技術和液壓儲能技術三個方面綜合解決游梁式抽油機的能量損失，大大提高抽油機的能量利用率。

新型游梁式抽油機節能裝置設計示意圖如圖1所示，該系統的核心模塊有三個部分組成，即機械減速裝置、儲能釋能裝置和電氣控制裝置。各模塊的主要功能和特點如下：

2.1 電氣控制裝置的功能和特點[9，10，11]

①采用矢量變頻裝置，提高供電電機的的有功功率，可以使得電機的效率提高到98%，并且矢量變頻還可以提高電機的啟動轉矩，從而可使用較小功率的電機（18-24KW），解決無功功率損耗及大拉小車的問題；

②可以實現無級變速，從而可以根據油田油量的多少方便地改變采油沖次，獲得最為合理的采油沖次，解決抽油機在采油過程中出現的空抽問題；并且因為不用在改變帶傳動的傳動比，也不用在經常更換帶輪，解決了帶輪的加工與更換問題；

③進行位置、溫度等控制，控制機械能的合理回收與釋放；

④對各種參數進行顯示，部分參數在線修改，解決操作的方便性問題；

⑤該模塊可節能25-35%。

2.2 機械能儲能與釋放裝置的功能和特點

①能夠對多余的機械能進行回收，消除抽油機的反向發電；

②在抽油機采油時釋放回收的能量；

③使得抽油機工作平穩，交變應力減小，提高采油機內部工作零件的使用壽命；

④該模塊可節能20-25%。

2.3 機械減速裝置的功能和特點

①減速增扭；

②是機械能轉變為壓力能和液壓能轉變為機械能的中間轉換環節。

③該模塊耗能5%左右；

綜合各模塊功能以上，該裝置綜合節能應在40-50%。

3 新型游梁式抽油機節能裝置核心模塊設計

以普遍使用的CYJY14-4.8-73HF型抽油機進行節能設計。

3.1 電動機選擇

按每分鐘5沖次進行功率計算。

抽油機減速器最大輸入功率要求為：P=（73000*5）/（9550*0.994）=39.79Kw

一級減速器最大輸出功率為：P1=P/0.96=41.44Kw

一級減速器最大輸入軸功率：P0=P1/（0.99）=42.29kw

CYJY14-4.8-73HF型抽油機使用的原電機為45Kw，根據現場實測，其實際負載功率不到50%，且其瞬時最大功率為42.29Kw，故決定重新選擇電機。因為采用電機矢量變頻控制技術，電機的啟動扭矩增大，故選用18～24Kw的電機既可。

這里選擇YVP180M-2變頻電動機，其效率高、調速范圍廣。選用功率較小的電機，會造成電機啟動時過載，而變頻電機抗過載能力較強，允許在1min內過載2-3倍，這樣抽油機的啟動不會對電機造成損壞，1min后，電機運行不再過載。

3.2 機械能儲能與釋放裝置設計[12]

機械能儲能與釋放裝置主要解決的是四連桿機構上面的平衡塊儲存的過多的勢能，其設計內容主要包括儲能器的選型、泵——馬達的選型以及液壓控制系統的設計。

3.2.1儲能裝置選擇

液壓蓄能器有多種類型，這里采用氣囊式液壓蓄能器。

3.2.1.1儲能器所需液體量

綜合（3）（4），低壓蓄能器取25L蓄能器即可，所選型號NXQ-25F；高壓蓄能器取40L蓄能器，所選型號NXQ-40F數量；公稱壓力10MPa。該蓄能器的特點：

NXQ—蓄能器內腔由皮囊分為兩個部分：囊內裝氮氣，囊外充液壓油。當液壓泵將液壓油壓入蓄能器時，皮囊就受壓變形，氣體體積隨壓力增加而減少，液壓油被逐漸儲存。若液壓系統工作需要液壓油，則蓄能器將液壓油排出，使系統的能量得到補償。

3.2.2泵——馬達的選擇

泵——馬達要求既能在平衡塊下沖時作為泵使用，又要求能夠在平衡塊上沖時作為馬達使用。

根據 v=qn=1.51740/60=0.12243L/r

故選用型號為A2F125的泵/馬達。

A2F125的泵/馬達的特點：

1）彎軸結構的軸向柱塞元件，具有固定排量，在開式或閉式回路中用作靜液傳動的泵或馬達。

2）當作為泵工作時，流量與驅動轉速和排量成正比。

3）當作為馬達工作時，輸出轉速與流量成正比而排量成反比。輸出扭矩隨高壓與低壓側之間的壓差而加大。

3.2.3液壓控制系統設計

當平衡塊下沖時，A2F125的泵/馬達作為泵進行工作，這個階段，泵從低壓儲能器抽油，并將其泵到高壓儲能器儲存液壓能，實現多余能量的收集；當高壓儲能器壓力高于10MPa時，溢流閥打開，將高壓油直接引入低壓儲能器。當平衡塊上沖時，A2F125的泵/馬達作為馬達進行工作，這個階段，高壓儲能器儲存的高壓油通過馬達進入低壓儲能器，從而實現能量的釋放。其液壓控制系統原理圖如圖2所示。

3.2.4電氣控制系統設計[13，14]

電氣控制系統是整個節能裝置的核心之一，該系統設計的是否可靠直接決定了整個節能裝置的性能及節能的成敗。其控制要求如下：

①要求電機的能夠進行無級調速，以實現間抽，這樣既能夠滿足抽油效率的最大化，達到類似于利用間抽控制器進行節能控制的要求，又能夠減少帶輪的設計、制造與安裝調試，間接地提高了抽油的時間。

②要求對儲能裝置進行控制，控制其儲能、釋能。

③控制系統盡量簡單、便于操作。

根據控制要求，決定采用PLC作為控制裝置的主控計算機；采用成熟矢量變頻器來控制電機，即可以提高電動機的啟動轉矩，解決異步電機啟動困難的問題，又可以實現電機的無級調速，其PLC變頻控制系統構成如圖3所示。

PLC的接線圖見圖4。圖中，PLC沒有直接采用數字量輸出端子去控制變頻器，而是采用由PLC控制中間繼電器，再由中間繼電器KA1、KA2去控制變頻器，從而減少兩種電氣設備之間的干擾。

4 結語

只需將現有游梁式抽油機作簡單的改造，就可方便地將新型抽油機節能裝置安裝上去，制作、維護方便，可應用到各類現有游梁式抽油機上。在新型抽油機節能裝置的設計中，盡量選用了標準件，因此制造方便，便于批量生產。

新型游梁式抽油機節能裝置是一個先進的機電一體化產品，采用該設備，可有效地提高采油率、避免自發電現象，改善電網品質、降低功耗，其理論節能效果可達40%以上；同時，使用該裝置可根據油田的儲油情況，方便地改變抽油機的沖次，減少帶輪等零件的設計、制造與安裝時間，減輕操作人員的勞動強度。

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[14]廖常初.S7-200 PLC編程及應用.北京：機械工業出版社，2007.

作者簡介：蘇會林（1972-），男，鄭州鐵路職業技術學院機電工程系，碩士，助教。