抽油机及其拖动系统节能综述

杨 静， 石成江

（ 辽宁石油化工大学， 辽宁 抚顺 113001）

抽油机及其拖动系统节能综述

杨 静， 石成江

（ 辽宁石油化工大学， 辽宁 抚顺 113001）

目前，油田在用的游梁式抽油机效率低、耗能高，在一定程度上加重了企业生产成本，节能降耗问题越来越受到关注。通过分析抽油机系统效率的影响因素、抽油机负荷以及电机的工作原理，得出抽油机低效率、高耗能的原因（也是抽油机拖动系统的高耗能原因）,并总结了节能型抽油机、节能驱动设备和节能减速器三类节能方法，介绍了现有抽油机拖动系统的节能措施。

抽油机；拖动系统；效率；节能

中国大多数油田采用机械采油的方法，据统计，中国石油所辖油田中机械采油井占油井总数的98%，而在机械采油井中，游梁抽油机井又占机械采油井的96%左右［1］。美国常规型抽油机系统效率虽然比较高，但也仅有46%。游梁式抽油机效率低，耗电量大，占油田生产总能耗的50%以上，其系统耗能、低效问题十分严峻。

1 关于抽油机低效率、高耗能的分析

1.1 从抽油机系统效率角度分析

影响抽油机系统效率的主要因素在于四杆机构、减速箱、皮带轮和电机等组成的地上部分（常规抽油机结构简图如图1）。

常规抽油机系统总效率可视为四杆机构、减速机构与电机三者的效率的乘积。

四杆机构的效率：轴承摩擦损失和驴头钢丝绳损失是影响四杆机构效率的主要因素。轴承的效率（3副），钢丝绳的效率 ，所以四杆机构效率为

减速机构的效率：齿轮啮合损耗，轴承损耗，润滑搅拌损耗（一般很小，可略）等是影响减速机构效率的主要因素。齿轮的效率 （2副），轴承的效率 （3副），皮带轮（V带）的效率 ，皮带轮—减速器的效率为

电机的效率：最大效率可达95%，但由于电机功率因数低，抽油机的载荷不均匀波动等，某油田的一次在用电机测试结果表明电机平均运行效率不及80%［1］，电动机效率最大可达到 。

抽油机系统的总效率：

由上可知，常规抽油机的系统效率最大只能达到67%。

自贸区的快速发展离不开税收优惠政策。海关特殊监管区域内的企业生产所需的进口机器、设备可享受免税，“二线”内销产品可选择性纳税。

1.2 从抽油机负荷和电机原理角度分析

由于抽油机上下冲程的动力力矩不同，导致了抽油机负荷不均匀，一般通过安装平衡机构来均匀负荷。抽油机电机的平均负荷率低，周期性负荷率大小与抽油机的平衡状况有关，负功率流动在抽油机电机和电网之间，有功电能的吞吐增加了电机和电网的损耗。另外，为了保证启动转矩足够大，常采用增大电机容量的办法，电机的利用率变小。目前，抽油机用电机负载率很低，根据某次两组抽油机用电机负载率的测试，其测试结果分别为17%，…，25%；25%，…，45%［3］。这充分表明抽油机用电机的负载率和效率低。

图1 常规抽油机结构简图Fig.1 The structure diagrammatic map of conventional pumping unit

异步电机的功率损耗 ,其中，机械损耗 和铁损是不变损耗，附加损耗 基本上也不变，定转子铜损，为可变损耗。电机负载时，转子铜损 降低较多，但定子铜损 降低较少，所以功率因数和效率很低。电动机机械特性分为硬特性和软特性两种。机械软特性启动较好。抽油机系统还存在着电机吸收机械功率，同时吸收电网功率的现象，即“倒发电”现象。

综上所述，抽油机拖动系统的效率高低是整个系统效率高低的关键，拖动系统的能耗也为抽油机系统能耗的最主要部分。从抽油机负荷和电机原理可知，电机“大马拉小车”现象十分严重，功率因数和系统的效率也都很低，而且相当的耗电耗能。拖动系统功率因数低，无功功率相对较大，而在配电网络中，用户消耗的无功功率大约只有一半，其余消耗在电网中，这样就降低了电网电压的质量，给电网造成了损失。

2 抽油机的节能

抽油机的节能问题是一个相当热点的问题。由上分析可知，抽油机拖动系统的节能是非常重要的。这里主要分节能型抽油机、节能驱动设备和节能减速器三类来介绍。

2.1 节能型抽油机

节能型抽油机主要是指通过改进抽油机结构，减小扭矩的波动，改善拖动系统的性能，达到提高系统工作效率，节电、节能的效果。这里主要介绍了以下几种节能型抽油机。

超长冲程抽油机 它通过新型平衡气缸实现平衡，既实现了长冲程，低冲次，又实现了抽油机拖动系统的平稳性运行和节能。

钢丝绳传动的杠杆式游梁抽油机［4］这种抽油机采用滑轮和钢丝绳，省去了耗能大的曲柄连杆，减速器等在拖动系统中相当耗能的机械部件（不需润滑，节省了润滑成本），实现了抽油机拖动系统的柔性连接，结构紧凑，重量小，运动冲击小，同时抽油机的安装维护也更方便。

塔架式组合传动抽油机 这种抽油机采用了一种新的传动原理：传动系统采用了齿轮和皮带的组合传动形式，平衡配重箱采用主、副配重多级可调配重，导向轮利用一个转动轴固定在操作平台上［5］。工作时，动力由链条、皮带或是组合传动系统先后经过第一级和第二级减速分别带动到第一级和第二级传动轴，从而带动配重牵引绳和驱动绳，完成平衡重箱和抽油杆的上下运动来采油。它发扬了传统抽油机的优点能够达到拖动系统运作与先进的技术相结合的效果。它具有先进的技术基础，可靠耐用，还能够节约成本。

2.2 节能驱动设备

从抽油机的负荷特点和电机的工作原理可知，电机的容量没被充分利用，电机的功率损耗和机械硬特性造成的电机的功率因数和效率低下，采用降压启动方式，采用超越离合器，合理的选用电机或是采用变频调速电机等都可以提高电机容量的利用率，电机的功率因数和效率。

采用降压启动方式 对于空载或轻载启动场合，可以选取Y−Δ启动方式。启动时，电机定子绕组呈Y形，UP降到启动电流为直接启动的1/3，启动转矩为直接启动的1/3，这种启动方式也称为降压启动，正常运行时，电机主回路处于角形连接。当电机实际运行负荷低于额定负荷时，电机主回路发生YΔ−转变。这样就降低了电机的额定负荷值，使得电机在运行阶段的实际负荷与额定负荷基本相匹配，在很大程度上提高了电机的功率因数，减少电能的损失。

采用超越离合器 它是安装在抽油机减速箱输入轴上代替大皮带轮的一种超速离合装置［6］。它的工作原理： 当电机驱动速度小于减速箱轴的转速时，电机和抽油机能够脱离传动，电机负载运行但和空载运行一样不会发生拖动电机发电的现象。它能提高冲次，增加产液量，而且节电效果相当显著，完全符合节电的要求。

合理的选用电机 选用合理的电机可以更好的使抽油机实际负荷与电机的负荷相匹配，还可以适当的补偿电网功率因数，改善电网电压质量。比如，选用超高转差电机可以适当选用小容量的电机，能够提高电机的启动转矩，使扭矩波动变小，有效利用机械软特性的特点：降低换向加速度，使抽油机的机、杆、泵达到一种柔性的配合，基本消除发电现象。

变频调速电机 工作原理：将变频控制柜(装有微电脑程序控制系统)加在电机上，抽油机上下行时，智能变频调速装置回馈制动单元能够自动调节存储电能以及将存储的电能供给电机，还可以自动调节上下行程的速度，自动调整电机的频率以增减冲次［7］。这种电机具有零启动软启动的特点，与负荷实现了柔性配合，减少了电机空载运行的情况，对电网的冲击小，能够补偿动态功率因数，还可以节约电能，提高原油的产量。

2.3 节能减速器

采用节能减速器可以优化拖动系统性能。这种新型节能减速器可以实现“长冲程、低冲次”，降低拖动系统的能耗。

工作原理：安装在抽油机电机与变速箱之间，由用螺栓固定在抽油机底座上的轴承支座以及用轴和轴承固定在轴承支座上的两个皮带轮组成的。小皮带轮与抽油机，大皮带轮与电机都是由皮带相连的。电机皮带轮①采用大小组合轮，②可采用内张式连接，这样可实现有级变速，而且拆卸方便。使用时，加大传动比，可以提高电机的功率因数，降低抽油机的冲次，实现抽油机、电机功率相匹配以节能（图2）。

这种节能型减速器［8］适用于泵效很低，地层胶结疏松，地层油很稠，杆管偏磨严重等情况的油井的采油工况。它的优点主要有：①降低电机无功损耗，降低配置电机的额定功率，启动、运转平稳，优化了油井运行参数；②节约电能，降低设备投入费用和维护费用。

图2 抽油机节能减速器Fig.2 Energy-saving reducer casing of pumping unit

3 结 论

抽油机的节能尤其是拖动系统的节能越来越受到关注。目前国内外研发了很多节能型抽油机和抽油机节能设备等等。从结构上或是从装置上抽油机的节能还有很大的发展空间。改造现有抽油机的结构，从电机原理这一角度来考虑提高驱动电机的功率因数，设计新型的减速装置等等都将会使抽油机节能进入一个新阶段。

［1］白连平，王玉生 . 游梁抽油机节能电机选择方法的讨论[J].钻采工艺，2007，30(2)：94-95.

［2］常瑞清，刘建春，李春红 . 常规抽油机节能潜力分析[J].油气田地面工程，2008，27(2)：43-4.

［3］Cornel Ianache, Boris Siro. Torques Study of Oil Field Pumping Units Using a Mat-GUI-Sim Hybrid Environment [J]. Petroleum-Gas University of Ploiesti Bulletin, 2009, 61 (2): 23-28.

［4］宗贻平，李丙文，陆蒙湘，等 . 钢丝绳传动的杠杆式游梁抽油机：中国，201020187676.3[P]. 2010-12-15.

［5］毛宏伟，刘博. 塔架式组合传动抽油机：中国，200810238864.1[P]. 2009-4-22.

［6］张继震，马广杰，孙景丽，等 . 游梁抽油机的用电发电与节电[J].石油矿场机械，2001，30(4)：36-38.

［7］王钊，秦英，李权 . 抽油机节能电机的应用分析[J].石油矿场机械，2007，36(8)：58-61.

［8］单建良.抽油机节能减速器的应用分析[J].中国设备工程，2011(5)：56-57.

Discussion on the Energy Saving of the Pumping Unit and Its Drag System

YANG Jing，SHI Cheng-jiang
（ Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

Nowadays, the beam pumping unit used in oil fields has low efficiency and high energy consumption. To a great extent, the cost of enterprises is sharply increasing. So the problem of energy saving and consumption reducing obtains more and more attention. In this paper, through the analysis of factors affecting the efficiency of the beam pumping unit system, the load of pumping unit and the working principle of the motor, reasons to cause low efficiency of the pumping unit were pointed out. And then energy saving measures of the drag system of pumping unit were discussed from three aspects: energy-saving pumping unit, energy-saving driving equipment and energy -saving reducer casing.

Pumping unit; Drag system; Efficiency; Energy saving

TE 933

A

1671-0460（2012）11-1239-03

2012-05-24

杨静（1987-），女，河北唐山人，辽宁石油化工大学在读研究生，研究方向：过程装备检测与控制工程。E-mail：15930033093@163.com。