游梁式抽油機取消減速裝置效率分析及效果預測

劉宏宇 趙霞

（1.大慶油田有限責任公司第一采油廠；2.大慶油田有限責任公司第五采油廠）

抽油機主要有兩大類，即游梁式抽油機和長沖程游梁式抽油機。其中，游梁式抽油機占抽油機應用總數的95%以上，在油田生產中占有舉足輕重的地位。抽油機井的能耗與抽油機整體的工作效率直接相關，而在油田中應用數量最多的游梁式抽油機，其主要問題就是地面設備整體工作效率不高。如果能夠對抽油機結構進行簡化，將會提高抽油機整體工作效率。

游梁式抽油機包括下述四大部分[1]，各部分的主要功能如下：

動力部分。為抽油機提供運轉動力，通常由電動機和控制箱組成。

動力傳遞部分。將電動機的高速旋轉運動轉換為低速旋轉運動，由皮帶、減速箱等組成。

運動轉換部分。將旋轉運動轉換為上、下往復運動[2]，是由減速箱輸出軸至游梁中軸連線、曲柄、連桿、游梁組成的四連桿機構。

輔助部分。保證抽油機正常平穩地啟動和運轉，保護操作人員和維修人員安全[3]，由基礎、底座、驢頭、三角架、剎車、平衡塊等組成。

1 工作效率分析

1.1 電動機、皮帶、減速箱的工作效率[4]

電動機是抽油機工作的動力源，95%以上的抽油機使用Y系列電動機，普通Y系列電動機額定狀態下的工作效率在87%～91%之間，最高不超過91%；超高轉差率電動機額定工作效率在82%～87%之間，不超過87%。2013 年完成了上述兩種電動機共計1 200 口井的功率曲線測試，并計算了電動機的平均工作效率，電動機工作效率在60%～80%之間，平均工作效率為67%。

皮帶是抽油機工作的第一個減速裝置，它的工作效率與皮帶的包角有關。室內實驗結果表明，當皮帶包角155°左右時傳動效率最高，帶傳動工作效率在88%～92%之間。

減速箱是抽油機的第二個減速裝置，通常采用三軸兩級傳動。在稀油潤滑條件下，圓錐滾子軸承和圓柱滾子軸承的效率一般為0.98，圓弧齒輪的嚙合效率在0.99～0.995 之間。二級傳動減速器的效率為三組軸承的工作效率和兩級齒輪的嚙合效率為0.922～0.932。

1.2 電動機至減速箱輸出軸工作效率

在額定載荷條件下，抽油機整體工作效率將會達到峰值，將各節點的工作效率取峰值，即電動機額定工作效率取91%；皮帶傳動工作效率取92%；減速箱工作效率取93.2%。額定工作效率為78.02%。

在工作狀態下，由于電動機的工作效率較低，導致電動機至減速箱輸出軸的效率大幅度降低。根據2013 年測試計算結果，電動機的效率只有67%左右，其他部分的效率不變，電動機至減速箱輸出軸工作效率為57.45%。

由上述效率分析和計算可知，在額定載荷條件下，抽油機整體工作效率的峰值為78.02%；而在平均載荷條件下，抽油機整體平均工作效率為57.45%。通常情況下，抽油機的工作效率是不會達到峰值的，應該保持在平均工作效率附近[5]。

2 游梁式抽油機簡化

2.1 簡化思路

對于游梁式抽油機，動力部分是其能量提供單元，不可省略。而四連桿機構是將旋轉運動轉換為往復運動的裝置，也不可省略，因而只能從減速傳動部分考慮簡化。思路是將皮帶傳動部分和減速箱傳動部分全部省略，由電動機直接驅動抽油機曲柄帶動四連桿機構。

2.2 實施條件

由于游梁式抽油機的沖速一般不高于9 min-1，因而需要電動機轉速足夠得低，應該在12 min-1，同時配合應用伺服控制系統，方可滿足工作需要。應用普通Y系列電動機，電動機極數達到500 極，條件不具備。但由于目前開關磁阻電動機已趨成熟，該技術我國20 世紀90 年代開始研究，到21 世紀10 年代，已形成了自主知識產權，并在紡織、交通等領域廣泛應用。開關磁阻電動機結構簡單堅固，調速范圍寬，調速性能優異；且在整個調速范圍內都具有較高效率，可達到92%，系統可靠性強。該電動機使得抽油機簡化成為可能。

另外，要求電動機進行特殊加工，即將電動機輸出軸加工成為長軸，而且兩端輸出，與曲柄軸相配合。同時應考慮低速狀態下的電動機散熱，方案有二：電動機軸增加機械增速裝置，形成兩端強排風散熱；采用油浸致冷。前者增加成本不會太多，而后者增加成本較大，但散熱效果更好。

2.3 效果預測

簡化后的抽油機由電動機直接驅動抽油機曲柄，傳動部分只有電動機，電動機至曲柄軸的工作效率等于電動機的工作效率，效率可達92%。

與簡化前抽油機額定工作效率對比，工作效率將提高13.98 個百分點，即簡化前后不改變電動機額定功率條件下，可實現節能15.20%。

與簡化前的平均效率對比，預計提高效率34.55%左右，可實現節能37.56%[6-7]。

根據2.2 章節中的分析，節能效果應按平均效率計算。根據某廠平均泵徑為φ70 mm 標準配備的CYJ10-3-53HB 抽油機，按其平均能耗水平（平均有功功率按14.88 kW 計算），可實現年節電（每年抽油機工作350 天計算）4.68×104kWh。

3 結論

1）游梁式抽油機取消減速部分是游梁式抽油機簡化的極限。

2）取消減速部分，同時使用目前最為先進的開關磁阻電動機，電動機的工作效率即可代表原抽油機減速部分的工作效率，預計可達到92%。

3）減速部分取消后，電動機及減速部分的額定工作效率可提高13.98 個百分點，與簡化前的平均效率對比，可提高效率34.55%左右。

4）按目前CYJ10-3-53HB 抽油機平均能耗水平，抽油機每年工作350 天計算，可實現年節電4.68×104kWh。