低碳節能抽油機研究

魏航信 周瑩

摘 ?要：為了解決常規游梁式抽油機能耗大的問題，該文設計了一種新型的綠色低碳節能抽油機。采用太陽能及風能為抽油機電動機提供電能，徹底取消了市電供電。主要論述了抽油機的總體結構，包括控制系統和游梁平衡系統。控制系統主要由太陽能電池板、風力發電機、適配器、穩壓部分、逆變器等組成。最后論述了新型抽油機的主要設計步驟。通過該文的研究，希望可以為油田采油的節能降耗及綠色生產提供有力的技術支持。

關鍵詞：抽油機;節能;太陽能;風能

中圖分類號：TE938 ? ? ? 文獻標志碼：A

0 前言

國內外抽油機的種類有200多種，包括游梁式抽油機、凸輪抽油機、鏈條抽油機、皮帶抽油機、塔架式抽油機、用于叢式井的曲柄滑塊一機多抽抽油機等。但由于大多數抽油機在現場的可靠性、使用壽命等方面存在問題，目前油田90%仍是游梁式抽油機。但游梁式抽油機能耗大，其耗電量占總采油設備耗電量的70%以上。因此如何減小游梁式抽油機的能耗，是目前研究的熱點問題。

隨著新能源技術的發展，為抽油機節能降耗提供了一個新思路。采用太陽能、風能發電為抽油機電動機提供電力，可以徹底解決抽油機消耗電能的問題。抽油機地處野外，大多數情況下有充足的光照或者強度足夠的風力，可以采用這些清潔能源為抽油機供電。因此設計新型的綠色低碳節能抽油機，具有重要的理論意義與實用價值。

1 抽油機結構

新型綠色低碳節能抽油機總體結構如圖1所示。其機體主要的機械結構和常規游梁式抽油機類似。首先主電動機轉動，經過帶傳動、減速器傳動，將電動機的單向轉動傳遞到減速器輸出軸單向轉動。減速器輸出軸帶動曲柄單向轉動，由曲柄、連桿、游梁和機架組成四桿機構，在曲柄的帶動下，實現游梁的往復上下擺動，并帶動驢頭往復上下擺動，驢頭通過鋼絲繩與懸點相連，因此懸點亦上下往復運動。在圖1中可以看到有2個平衡塊，曲柄平衡塊和游梁平衡塊，因此其屬于復合平衡型抽油機，其優點是平衡效果好，抽油機節能效果好。

這種綠色低碳節能抽油機與常規抽油機的主要區別在于抽油機主電機的供電系統不是采用常規的380 V市電供電，而是采用太陽能電池板和風力發電機供電，因此可以實現不消耗市電電能，實現抽油機的節能降耗。另外，這種新型抽油機的游梁平衡塊采用智能移動方式，通過游梁平衡電動機帶動，可以根據油井工況，實時調節自身位置，從而可實現抽油機的最佳平衡狀態。

由于抽油機主電動機所需要的供電電壓為380 V交流電壓，而太陽能電池板或者風力發電機的電壓為不穩定的直流電壓，因此需要采用合理的控制系統，將不穩定的電壓轉變為穩定的交流電壓，為抽油機主電動機供電，如1.1節所述。

1.1 抽油機控制系統

抽油機控制系統的作用主要有3個：一是穩定電壓，由于太陽光照強弱不同或者風力強度不同，太陽能電池板及風力發電機發出的電壓不穩定，因此需要穩壓。二是升壓作用，將穩定的直流電壓轉變成抽油機電動機所需要的380 V交流電壓，以保證電動機正常運轉。三是儲能作用，當太陽光比較強或者風力較大時，將多余的電能存儲起來，在夜間沒有陽光或者無風時，可將存儲的電能利用起來，為抽油機電動機供電，實現抽油機的不間斷作業，提高抽油機運行的可靠性。因此抽油機控制系統主要包括穩壓系統、儲能系統及升壓系統。

穩壓系統主要包括太陽能電池板適配器（或者叫控制器）和風力發電機適配器，其基本原理與穩壓電源類似，當光照強度較弱時，適配器輸入電壓減小，其減壓比減小;當光照強度增大時，適配器輸入電壓升高，其減壓比增大，因此可以維持輸出電壓穩定。風力發電機適配器的基本原理與上述過程類似，其輸出電壓可以穩定在一定范圍內。

儲能系統主要由蓄電池組件及充電器組成。由穩壓系統輸出穩定的電壓，為充電器供電，充電器將其電流、電壓轉換為蓄電池所需要的電平信號，為蓄電池充電。

升壓系統主要由逆變器組成，其基本原理是將穩壓系統輸入的穩定的直流電壓轉變為交流電壓，然后進行電壓轉換，輸出380V交流電壓信號，為抽油機主電動機供電。

1.2 抽油機自動平衡控制系統

為了充分利用新型綠色低碳抽油機的優勢，設計了抽油機自動平衡控制系統。主要由游梁平衡塊、滾珠絲杠、步進電機組成。如圖1所示。當抽油機運轉時，抽油機控制系統穩定的直流電壓為步進電機供電，步進電機轉動，通過滾珠絲杠系統帶動游梁平衡塊左右移動，當抽油機懸點載荷過大時，通過控制器發出指令，使步進電機轉動，游梁平衡塊沿著游梁向外運動，平衡力臂增加，抵消部分懸點載荷，因此獲得良好的平衡效果，抽油機主電機所需的驅動電流減小，實現抽油機的節能降耗。

由于抽油機控制器采用神經網絡等智能控制算法，因此可以良好地控制抽油機主電動機、游梁平衡電動機的運轉，使二者協調工作，提高抽油機的平衡效果，實現抽油機的徹底節能，實現綠色環保節能生產。

2 抽油機的設計步驟

綠色低碳節能抽油機是在常規游梁式抽油機的基礎上發展起來的新型抽油機，其機械結構原理與游梁式抽油機類似，因此抽油機機架、帶傳動系統、減速器、曲柄、曲柄銷、曲柄平衡重、連桿、游梁、驢頭等主要部件的設計方法與游梁式抽油機設計方法相同。

抽油機控制系統需要對太陽能電池板功率、風力發電機功率、控制系統各個元器件的型號等方面進行選擇。首先，根據抽油機懸點載荷的大小，計算抽油機主電動機所需的功率及額定扭矩，然后根據主電動機的功率，選擇太陽能電池板以及風力發電機的功率。考慮到能量損失以及抽油機游梁平衡電機的供電需求，需適當增大太陽能電池板及風力發電機的額定功率。對于控制系統其他元器件的選型，太陽能電池板適配器及風力發電機適配器，需要根據太陽能電池板及風力發電機的工作特性進行選擇。蓄電池的容量大小需要根據主電動機的功率進行選擇。蓄電池充電器的選型需要根據蓄電池容量及電壓進行選擇。控制器一般為單片機或者PLC控制器，其現場使用效果較好，可靠性高，結實耐用。

設計游梁平衡系統時，主要內容包括確定步進電機型號、滾珠絲杠幾何尺寸及其型號、游梁平衡塊重量等參數。對于游梁平衡塊重量的大小，可根據相應規格的復合平衡游梁式抽油機進行選擇，國家頒布的抽油機標準中，列出了不同型號游梁式抽油機所需的平衡塊參數。平衡塊的重量確定后，再確定滾珠絲杠的公稱直徑及長度，并計算滾珠絲杠剛度、所需的驅動扭矩等參數。滾珠絲杠剛度的校核主要依據平衡塊的重量。滾珠絲杠的長度主要由平衡塊需要移動的行程確定。最后，根據游梁平衡塊的重量、滾珠絲杠的參數可計算出游梁平衡步進電機所需要的輸出力矩及轉速大小，然后以此數據為基礎，選擇相應的步進電機大小及型號。

3 結語

由于目前原油價格下跌，需要進一步降低采油成本，有必要對耗電量很高的抽油機采取節能降耗措施。因此該文設計了新型的綠色低碳節能抽油機，主要通過采用太陽能和風能為抽油機供電，可以實現真正意義的節能。文中首先論述了抽油機的總體結構、控制系統結構及游梁平衡系統結構，然后論述了抽油機的設計步驟。希望通過該文的研究，可以為油田生產提供有力支持。

參考文獻

[1]高嵩.油田常用節能抽油機應用分析[J].設備管理與維修，2018（5）：190-192.

[2]李茂奎. 全平衡節能抽油機在油田上的應用[J].石油石化節能，2016，6（10）：51-52.

[3]劉長松，董順永，魏世舉，等. WCYJW 型節能抽油機應用與評價[J]. 石油礦場機械，2014，43（11）：99-101.

[4]金璇.新型節能抽油機的發展趨勢[J].石化技術，2018（5）：224.

[5]李麗君.節能抽油機與節能電機優化選配的思考[J].化學工程與裝備，2018（1）：123-124.