新型游梁式抽油机节能装置的研究

苏会林 戴明宏

摘 要：针对游梁式抽油机电能能耗大和反向发电干扰电网品质问题，研制新型节能装置，对常规游梁式抽油机进行改造。本节能装置采用机、电、液一体化技术，分别从电机节能、平衡块机械能回收与释放两个方面来解决游梁式抽油機的节能问题，不但从理论上论证了新型游梁式抽油机节能装置的可行性，而且有较为完整的节能装置设计方案，具有很好的推广和应用价值。

关键词：抽油机；节能；自发电；液压储能；矢量变频

Abstract：To solve the problem of huge energy comsuption of beam pumping unit and grid quality disturb of reverse power，we transformed the ordinary beam pumping unit and developed new energy-saving equipment，which uses mechanical-electrical-hydraulic integration technology，and solves the energy-saving problem of the beam pumping unit from two aspects of motor energy-saving and counterbalance mechanical energy recycling and releasing.This paper theoretically demonstrates the feasibility of a new beam pumping unit energy-saving devices，and also propose a complete energy-saving device design，which enjoys high promotion and application value.

Key words：pumping unit；energy-saving；spontaneous electric； hydraulic energy； vector frequency conversion

1 研究背景[1，2，3，4，5，6]

在油田开发过程中，采油的方式基本上分为两大类：一类是依靠藏油本身的能量使原油喷到地面，叫做自喷采油；另一类是借助外界能量将原油采到地面，叫做机械采油。目前我国大多数油田采用后者进行采油，并且主要利用游梁式抽油机进行采油，这种采油的油井占油田油井总数的90%以上，而目前所用的抽油机不仅总体效率偏低，能耗大，并且有反向发电问题，干扰电网品质。据统计，游梁式抽油机的总体效率仅为30%～50%，因此，如果提高抽油机总体系统效率，就可以节约大量能源，实现低碳生产的目的，节能成为抽油机系统需要重点解决的问题之一。

2 新型节能技术方案的研究

目前，抽油机采用的主要节能方案有间抽控制器（POC）、软起动及调压节能型、无功就地补偿节能型等，无论采取那种节能方法都不能解决抽油机驴头（平衡块）不平衡下行引起的能量损耗及自发电引起的电网品质下降问题。[6，7，8，9，10，11]通过对现有节能方法的比较和对游梁式抽油机的结构特点及抽油机运行能耗分析，提出了游梁式抽油机新型节能方案，该方案利用机械技术、变频技术和液压储能技术三个方面综合解决游梁式抽油机的能量损失，大大提高抽油机的能量利用率。

新型游梁式抽油机节能装置设计示意图如图1所示，该系统的核心模块有三个部分组成，即机械减速装置、储能释能装置和电气控制装置。各模块的主要功能和特点如下：

2.1 电气控制装置的功能和特点[9，10，11]

①采用矢量变频装置，提高供电电机的的有功功率，可以使得电机的效率提高到98%，并且矢量变频还可以提高电机的启动转矩，从而可使用较小功率的电机（18-24KW），解决无功功率损耗及大拉小车的问题；

②可以实现无级变速，从而可以根据油田油量的多少方便地改变采油冲次，获得最为合理的采油冲次，解决抽油机在采油过程中出现的空抽问题；并且因为不用在改变带传动的传动比，也不用在经常更换带轮，解决了带轮的加工与更换问题；

③进行位置、温度等控制，控制机械能的合理回收与释放；

④对各种参数进行显示，部分参数在线修改，解决操作的方便性问题；

⑤该模块可节能25-35%。

2.2 机械能储能与释放装置的功能和特点

①能够对多余的机械能进行回收，消除抽油机的反向发电；

②在抽油机采油时释放回收的能量；

③使得抽油机工作平稳，交变应力减小，提高采油机内部工作零件的使用寿命；

④该模块可节能20-25%。

2.3 机械减速装置的功能和特点

①减速增扭；

②是机械能转变为压力能和液压能转变为机械能的中间转换环节。

③该模块耗能5%左右；

综合各模块功能以上，该装置综合节能应在40-50%。

3 新型游梁式抽油机节能装置核心模块设计

以普遍使用的CYJY14-4.8-73HF型抽油机进行节能设计。

3.1 电动机选择

按每分钟5冲次进行功率计算。

抽油机减速器最大输入功率要求为：P=（73000*5）/（9550*0.994）=39.79Kw

一级减速器最大输出功率为：P1=P/0.96=41.44Kw

一级减速器最大输入轴功率：P0=P1/（0.99）=42.29kw

CYJY14-4.8-73HF型抽油机使用的原电机为45Kw，根据现场实测，其实际负载功率不到50%，且其瞬时最大功率为42.29Kw，故决定重新选择电机。因为采用电机矢量变频控制技术，电机的启动扭矩增大，故选用18～24Kw的电机既可。

这里选择YVP180M-2变频电动机，其效率高、调速范围广。选用功率较小的电机，会造成电机启动时过载，而变频电机抗过载能力较强，允许在1min内过载2-3倍，这样抽油机的启动不会对电机造成损坏，1min后，电机运行不再过载。

3.2 机械能储能与释放装置设计[12]

机械能储能与释放装置主要解决的是四连杆机构上面的平衡块储存的过多的势能，其设计内容主要包括储能器的选型、泵——马达的选型以及液压控制系统的设计。

3.2.1储能装置选择

液压蓄能器有多种类型，这里采用气囊式液压蓄能器。

3.2.1.1储能器所需液体量

综合（3）（4），低压蓄能器取25L蓄能器即可，所选型号NXQ-25F；高压蓄能器取40L蓄能器，所选型号NXQ-40F数量；公称压力10MPa。该蓄能器的特点：

NXQ—蓄能器内腔由皮囊分为两个部分：囊内装氮气，囊外充液压油。当液压泵将液压油压入蓄能器时，皮囊就受压变形，气体体积随压力增加而减少，液压油被逐渐储存。若液压系统工作需要液压油，则蓄能器将液压油排出，使系统的能量得到补偿。

3.2.2泵——马达的选择

泵——马达要求既能在平衡块下冲时作为泵使用，又要求能够在平衡块上冲时作为马达使用。

根据 v=qn=1.51740/60=0.12243L/r

故选用型号为A2F125的泵/马达。

A2F125的泵/马达的特点：

1）弯轴结构的轴向柱塞元件，具有固定排量，在开式或闭式回路中用作静液传动的泵或马达。

2）当作为泵工作时，流量与驱动转速和排量成正比。

3）当作为马达工作时，输出转速与流量成正比而排量成反比。输出扭矩随高压与低压侧之间的压差而加大。

3.2.3液压控制系统设计

当平衡块下冲时，A2F125的泵/马达作为泵进行工作，这个阶段，泵从低压储能器抽油，并将其泵到高压储能器储存液压能，实现多余能量的收集；当高压储能器压力高于10MPa时，溢流阀打开，将高压油直接引入低压储能器。当平衡块上冲时，A2F125的泵/马达作为马达进行工作，这个阶段，高压储能器储存的高压油通过马达进入低压储能器，从而实现能量的释放。其液压控制系统原理图如图2所示。

3.2.4电气控制系统设计[13，14]

电气控制系统是整个节能装置的核心之一，该系统设计的是否可靠直接决定了整个节能装置的性能及节能的成败。其控制要求如下：

①要求电机的能够进行无级调速，以实现间抽，这样既能够满足抽油效率的最大化，达到类似于利用间抽控制器进行节能控制的要求，又能够减少带轮的设计、制造与安装调试，间接地提高了抽油的时间。

②要求对储能装置进行控制，控制其储能、释能。

③控制系统尽量简单、便于操作。

根据控制要求，决定采用PLC作为控制装置的主控计算机；采用成熟矢量变频器来控制电机，即可以提高电动机的启动转矩，解决异步电机启动困难的问题，又可以实现电机的无级调速，其PLC变频控制系统构成如图3所示。

PLC的接线图见图4。图中，PLC没有直接采用数字量输出端子去控制变频器，而是采用由PLC控制中间继电器，再由中间继电器KA1、KA2去控制变频器，从而减少两种电气设备之间的干扰。

4 结语

只需将现有游梁式抽油机作简单的改造，就可方便地将新型抽油机节能装置安装上去，制作、维护方便，可应用到各类现有游梁式抽油机上。在新型抽油机节能装置的设计中，尽量选用了标准件，因此制造方便，便于批量生产。

新型游梁式抽油机节能装置是一个先进的机电一体化产品，采用该设备，可有效地提高采油率、避免自发电现象，改善电网品质、降低功耗，其理论节能效果可达40%以上；同时，使用该装置可根据油田的储油情况，方便地改变抽油机的冲次，减少带轮等零件的设计、制造与安装时間，减轻操作人员的劳动强度。

参考文献：

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[8]张凌，等.常规游梁式抽油机节能途径分析[J].石油石化节能，2011，（1）.

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[10]张红梅，等.浅析常规游梁式抽油机节能途径[J].应用能源技术，2011，（3）.

[11]张凌，等.常规游梁式抽油机节能途径分析[J].应用能源技术，2011，（3）.

[12]苏欣平.工程机械液压与液力传动.北京：中国电力出版社，2009.

[13]戴明宏，等.电气控制与PLC应用.北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[14]廖常初.S7-200 PLC编程及应用.北京：机械工业出版社，2007.

作者简介：苏会林（1972-），男，郑州铁路职业技术学院机电工程系，硕士，助教。