抽油机用超越离合器提高系统效率与节能效果分析

孙亚州（中国石油天然气集团公司节能技术监测评价中心）

抽油机用超越离合器提高系统效率与节能效果分析

孙亚州（中国石油天然气集团公司节能技术监测评价中心）

游梁式抽油机电动机由于受结构等因素影响，在运行过程中会出现反发电现象，将抽油机机械能转化为电能，该部分电能无法被利用，同时也降低了抽油机井的系统效率。抽油机加装超越离合器后，使交流电动机单向出力，油杆下落的势能除克服摩擦力外几乎全部转化为平衡块的动势能，从而发挥平衡块的储能作用，消除四连杆机构中的机械内应力，使抽油机具有平衡自适应能力，提高节能效果及系统效率。

游梁式抽油机 超越离合器 系统效率 动态平衡

随着油田开发进入高含水阶段，能耗量持续增加。目前大庆油田机采井的年耗电量约占油田油气生产年耗电量的30%左右，是油田主要耗能系统之一。因此，运用先进的节能技术及措施提高机采井的系统效率，降低能耗，对挖掘抽油机节能潜力、创造经济效益，提高抽油机能效管理水平有很大意义。

1 抽油机电动机运行

1.1 抽油机电动机反发电特性

游梁式抽油机工作原理是电动机通过皮带传动带动减速箱，由四连杆机构把减速箱输出轴的旋转运动变为游梁驴头带动抽油杆的上下往复直线运动。目前国内外抽油机是以驴头悬点上下冲程时间相等为设计基础。上冲程时，电动机做功带动抽油机提升原油及抽油杆柱上升；下冲程时，由于受四连杆机构的影响，抽油机悬点载荷作用在曲柄轴上的载荷扭矩会产生一定的偏移[1]，即会出现“负扭矩”。当出现这种情况时，抽油机将拖动电动机运行，电动机此时的转速大于其同步转速，处于发电状态。当交流电动机转速超过其同步转速时，电动机参与了抽油机的平衡机能，将抽油杆下落的能量部分转化为电能，这种损耗可达50%左右，而且这部分能量在电网上的应用很小，效率低下。实际测试抽油机功率曲线中发现，抽油机井中交流电动机负发电现象非常普遍，这也是造成抽油机地面系统效率低的一个主要因素。

1.2 电动机反发电的危害性

电动机的反发电是一种不利于抽油机运行的影响因素，主要出现在下冲程中后期抽油杆反拖驴头的过程中。异步电动机发电需从电网中汲取滞后的无功功率进行励磁，而这部分功率比较大，约为电动机额定功率的1/5～1/4，这将加大电网无功功率损耗，降低电网功率因数[2]。从能量守恒角度上讲，电动机发电过程中，把部分储存在抽油机平衡块中的机械能转化为了电能反馈到电网，而这部分能量其实是最初电网提供给电动机的，这就造成了电动机长期处于交替发电的运行状态，在电能-机械能-电能的转换过程中消耗大量的能量，加重生产成本，降低收益。同时，由于电动机反发电是在抽油机拖动下进行的，转速不稳定，其所发电的相位及频率都不能达到电网的电能质量要求，从而会污染电网，造成电网供电不稳，对电动机运行产生不良影响，甚至损坏电动机，影响油田生产。

2 抽油机超越离合器应用

2.1 超越离合器技术原理

抽油机超越离合器是一种只能单方向传输动力的机械机构，安装在游梁式抽油机的传动系统中，使电动机只能单向传递扭矩，就像自行车的飞轮一样。当抽油机运行到下冲程中后期，电动机即将产生负扭矩的瞬间，超越离合器内部的棘轮结构可实现脱开，完成瞬态超越，使得抽油机的动力传送系统变为单向动力传动，动力传不过去，油杆下降的能量只能转化为平衡块的机械能。这时电动机相当于空载运行，抽油机无法反拖电动机发电，消除了负功，杜绝了反发电现象，同时提高了电动机和皮带的传动效率，可达到提高系统效率及节能的目的。由于电动机没有参与抽油机的平衡，使得抽油机的平衡准确性得到了很大提高，抽油机系统具有一定的自适应能力，可以保证抽油机长期在平衡状态下运行。

表1 超越离合器应用节能效果对比

2.2 超越离合器现场应用

2014年，在喇嘛甸油田对5台安装超越离合器装置的抽油机进行了现场节能效果测试，通过对其改造前后进行现场比对测试，5台抽油机井安装超越离合器后平均有功节电率为10.15%，无功节电率为15.95%，综合节电率为10.46%，系统效率平均提高了5.62%，产液量平均提高了2.6 t/d，取得了较好的增产和节能效果，并有效提高了抽油机井的系统效率，见表1。

以喇1#井为例，安装超越离合器前：电动机输入功率为9.64 kW，吨液百米耗电0.79 kWh，系统效率35.66%，产液量45 t/d。安装后：电动机输入功率为9.02 kW，吨液百米耗电0.70 kWh，系统效率41.83%，产液量47 t/d。节能效果：有功节电率11.50%，综合节电率12.19%，系统效率提高了6.17%。由此可见，安装超越离合器后，抽油机井的节电效果及系统效率都取得了明显的提高。

从平衡度情况来看，安装超越离合器后，抽油机平衡度在未进行人工调整的情况下，随着产液量等参数的变化实现了相应的调整。其中喇3#井的平衡度在安装前不合格，安装后随着工况的变化平衡度已经合格，基本实现了超越离合器对抽油机平衡度调整的功能，提高了抽油机平衡调整的准确性。

3 结束语

通过对超越离合器装置的研究及现场实际应用效果测试，可以得出以下结论：

1）超越离合器改变了抽油机原来的传动原理，通过单向扭矩传送，解决了电动机反发电的问题，基本消除了负功，有效提高电动机的传动效率；在不改变皮带轮轮径的情况下，能够快速便捷的实现抽油机平衡的自适应变化，适应了抽油机生产需要。

2）安装超越离合器后，抽油机井可以实现增产效果，同时降低了抽油机有功及无功单耗，提高了系统效率，实现了节能效果。

3）有效解决了电动机参与抽油机平衡的情况，对抽油机实现精确平衡，更好的实现平衡控制具有很好的效果。

[1]邬亦炯.游梁式抽油机曲柄轴扭矩计算公式剖析[J].石油机械,1994,22(5):35-42.

[2]葛苏鞍,何静.抽油机电动机运行状态分析[J].油田节能,2000,11(1):35-36.

10.3969/j.issn.2095-1493.2015.007.021

2015-06-09）

孙亚州，2014年毕业于黑龙江科技学院，从事油田节能监测工作，E-mail：13136813666@163.com，地址：黑龙江省大庆市让胡路区西宾路48号，163453。