游梁式抽油機尾部隨動平衡裝置的應用與評價

谷瑀（大慶油田有限責任公司第四采油廠）

目前游梁式抽油機在應用數量與規模上都占有絕對優勢，但游梁抽油機因傳動鏈長，傳遞能量損失大，導致其采油系統效率低。該類機型因上、下死點加速度大，影響了結構安全和使用壽命。該機型工頻直接啟動所需啟動力矩大約是正常工作力矩的3～5 倍，通常采用較大功率電動機，但正常采油過程中負載變輕，同時由于懸點上行和下行過程負載因數不同，這種功率不匹配或電動機交替不對等做功現象，不僅降低了電網功率因數，還嚴重影響到抽油機結構安全，降低了工作效率，增加了大量能耗[1]。

基于以上原因，研發了游梁隨動平衡裝置。該裝置能夠適應電動機舉升平衡重儲存的能量與平衡重下降釋放的能量不相等，使電動機舉升平衡重消耗的功率小于平衡重下降時釋放能量產生的功率，電動機輕載運行，從而使該類型抽油機節能效果和運行可靠性進一步提高。改造后的抽油機既具有普通游梁式抽油機的耐用、維護費用低、調參簡便的特點，又具有高效、可靠、安全的性能。同時，對于開拓游梁式抽油機在深井、稠油井、含氣井以及特殊井等領域的應用，具有重要的應用價值和工程意義。

1 裝置結構與原理

游梁式抽油機尾部隨動平衡裝置由定位板、復配重、復配重平衡、配重塊、2 個拉桿組成，由安裝拉桿和吊車配合安裝。隨動平衡裝置設計見圖1。

圖1 隨動平衡裝置設計Fig.1 Design of servo-balancing device

在不改游梁的主體結構基礎上，增加游梁隨動輔助平衡裝置，提高平衡比[2]，隨動平衡裝置運行狀態見圖2。

圖2 隨動平衡裝置運行狀態Fig.2 Operational state of servo-balancing device

抽油機驢頭在上死點附近時曲柄帶動連桿向后移動，輔助平衡向前移動。下沖程時輔助平衡的重心至支點的距離縮短，電動機舉升平衡重的功率減少。抽油機的驢頭在下死點附近時曲柄帶動連桿向前移動，輔助平衡向后移動。上沖程時輔助平衡的重心至支點的距離延長，平衡效果增加，平衡重與井口負荷的差值減少，電動機提升井內液體的功率減少[3]。

2 裝置技術特點

2.1 先進性

懸點載荷作用在曲柄軸上的扭矩曲線為近似的正弦曲線（正、負扭矩波動）。為此，需要對抽油機進行平衡設計，使上述扭矩波動盡量減小。平衡設計目標為：電動機輸出的功率大于曲柄軸凈扭矩的最大功率，由此平衡后能夠有效地降低曲柄軸上的凈扭矩峰值，減少其波動幅度[4]。

1）以常規游梁抽油機機型為對象，通過游梁隨動輔助平衡設計，以能耗最小為目標進行節能優化設計和平衡參數確定，確保了技術層面的科學性。

2）隨動平衡裝置打破了常見游梁平衡只改變平衡重質量不改變平衡重重心位置的傳統做法，在設計理念上具有先進性。

3）在游梁尾部安裝隨動平衡裝置具有較好的經濟性，隨動平衡裝置結構簡單，安裝方便，運維經濟，針對不同的機型可方便調換平衡重質量。

2.2 可靠性

以常規游梁抽油機（單驢頭四桿機構）為研究對象，通過科學設計并合理安裝游梁隨動平衡裝置，以局部設計達到整機優化的方式實現了節能目標，隨動平衡裝置不但繼承了四桿機構定比傳動的優勢，而且大大增加了整機的可靠性[5-6]。

2.3 安全性

常規游梁抽油機歷經幾十年，在世界范圍內都有廣泛應用，其結構安全性經歷了市場和現場應用的考驗。通過在游梁尾部增加隨動平衡裝置，其結構尺度小、質量輕，并不影響四桿傳動要求和精度，也不會增加游梁負載，安裝與維護便利，隨動平衡重會使整機結構動力特性更加優化和完善[7-8]。

3 裝置應用

游梁式抽油機尾部隨動裝置滿足了游梁式抽油機安裝要求，并且達到了游梁式抽油機啟抽條件，2021 年1 月份在井1 安裝游梁隨動平衡裝置并跟蹤運行效果。

3.1 仿真模擬分析

針對游梁隨動輔助平衡抽油機，建立系統仿真模型，對其進行各種工況下的力學行為分析與有限元數值模擬，獲取動力學特性和力矩特性曲線，對隨動輔助平衡進行評價[9]：

1）仿真模擬分析機型選擇：CYJY10-4.2-53HB。

2）仿真模擬分析參數選擇：上沖程10 t，下沖程4 t，沖次6 min-1。

3）仿真模擬分析目的：經分析對比，確定抽油機尾部移動輔助平衡裝置與水平方向夾角。輔助平衡裝置質量500 kg，對比角度75°、80°、85°100°。

4）仿真模擬分析假設條件：不考慮抽油機自身平衡問題（不添加曲柄平衡塊），通過在輸出軸處添加載荷，對比分析輔助平衡裝置不同角度下的輸出扭矩及能量消耗[10]。

3.2 效果對比

模擬分析結果對比統計見表1。綜合考慮輔助平衡裝置自身結構強度，抽油機游梁、橫梁等與其連接部件的強度以及靜力學和動力學分析過程，輔助平衡裝置與水平方向夾角80°為最優夾角，以達到周期運動的平穩性。

表1 模擬分析結果對比統計Tab.1 Comparative statistics of simulation analysis results

游梁隨動平衡裝置安裝選井條件以常規游梁式CYJY10-4.2-53HB 型抽油機為主，應用游梁隨動平衡裝置后，現場實際扭矩均低于電動機額定扭矩，負載額定扭矩仍然保持為53 kN·m，保證了抽油機原有的安全運行要求。

選擇井1 為試驗井，該井在應用游梁隨動平衡裝置前平衡塊無調整余地，安裝后平衡比上升顯著。井1 安裝游粱隨動平衡裝置平衡效果統計見表2。

表2 井1 安裝游梁隨動平衡裝置平衡效果統計Tab.2 Balancing effect statistics of installing beam servobalancing device in Well 1

4 節能效果及經濟效益

跟蹤統計該井應用游梁隨動平衡裝置的前后效果，在沖程、沖次、泵徑保持不變的情況下，噸液耗電和噸液百米耗電明顯下降，系統效率提升，節電率為12%。井1 安裝游梁隨動平衡裝置節能效果統計見表3。

表3 井1 安裝游梁隨動平衡裝置節能效果統計Tab.3 Energy conservation effect statistics of installing beam servo-balancing device in Well 1

游梁隨動輔助平衡裝置使用后平衡率保持較好水平，平均有功節電率達到了12%，單井年節電效果時率按96%、電價按0.7061 元/kWh 計算，節電量0.58×104kWh，節約電費0.41 萬元。

5 結論

1）綜合考慮輔助平衡裝置自身結構強度，抽油機游梁、橫梁等與其連接部件的強度以及靜力學和動力學分析過程，輔助平衡裝置與水平方向夾角80°為最優夾角，安裝輔助平衡裝置后既具有普通游梁式抽油機的耐用、維護費用低、調參簡便的特點，又具有高效、可靠、安全的性能。

2）游梁隨動平衡裝置能夠使電動機舉升平衡重儲存的能量與平衡重下降釋放的能量不相等，電動機舉升平衡重消耗的功率小于平衡重下降時釋放能量產生的功率，使電動機輕載運行，提高了平衡比和系統效率，平衡比由最初的74.1%上升至94.7%，系統效率由最初的15.8%上升至20.89%，年節約電量0.58×104kWh。