常規(guī)游梁式抽油機(jī)自動平衡改造方案及節(jié)能原理分析

呼思杰,李 晗,何冬青（中國石油大學(xué)勝利學(xué)院 機(jī)械與控制工程學(xué)院,山東 東營 257061）

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常規(guī)游梁式抽油機(jī)自動平衡改造方案及節(jié)能原理分析

呼思杰,李 晗,何冬青
（中國石油大學(xué)勝利學(xué)院 機(jī)械與控制工程學(xué)院,山東 東營 257061）

摘 要：常規(guī)游梁式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)簡單可靠、耐久性好，一直以來占據(jù)采油設(shè)備的主導(dǎo)地位，但其耗能高、制造成本高、平衡調(diào)節(jié)困難等不足日益突出。通過分析游梁式抽油機(jī)的節(jié)能原理以及開展抽油機(jī)平衡調(diào)整技術(shù)的研究，提出了以節(jié)能為目的的游梁輔助平衡方案,在此基礎(chǔ)上提出了一種新型自動調(diào)節(jié)游梁平衡裝置。該新型游梁式抽油機(jī)平衡調(diào)節(jié)裝置對原機(jī)的改動小，通過配重塊在配重橫梁上的相對移動可以抵消部分驢頭負(fù)載，實(shí)現(xiàn)不停機(jī)調(diào)節(jié)平衡從而起到節(jié)能作用。

關(guān)鍵詞：游梁式抽油機(jī)；自動平衡；節(jié)能

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國在用抽油機(jī)井近9萬口，年新機(jī)裝備量5千余臺，年耗電量105億kwh，電費(fèi)開支40余億元。在采油成本不斷上升而油價(jià)由于供求失衡等原因持續(xù)低迷的情況下，節(jié)能降耗、不斷降低生產(chǎn)成本已成為采油行業(yè)的主題。當(dāng)前抽油機(jī)的節(jié)能措施主要集中在以下三個方面：

一是將常規(guī)型游梁式抽油機(jī)分批進(jìn)行節(jié)能改造，改造成前置式抽油機(jī)下偏杠鈴抽油機(jī)等；

二是給常規(guī)型游梁式抽油機(jī)加裝節(jié)能輔助平衡裝置，實(shí)施節(jié)能改造；

三是在抽油機(jī)電控柜加裝電容器，對電動機(jī)無功功率進(jìn)行補(bǔ)償。

本文的節(jié)能方案屬于第二種節(jié)能方法。這種方法相比第一種方法的優(yōu)勢在于，基本無需改變抽油機(jī)的自身結(jié)構(gòu)，改造費(fèi)用低，節(jié)能效果好。依據(jù)力矩平衡的原理，在游梁式抽油機(jī)的游梁上增加一個配重梁及合適的配重，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動配重在游梁上移動，通過改變配重塊在游梁上的位置來改善抽油機(jī)的平衡性。

1 主要結(jié)構(gòu)原理

固定安裝在游梁式抽油機(jī)游梁尾端的配重橫梁及安裝在配重橫梁上可移動的輔助平衡裝置主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.電動機(jī)；2.皮帶；3.減速器；4.曲柄；5.連桿；6.配重梁電機(jī)；7.蝸輪；8.鏈輪；9.蝸桿；10.配重塊；11.鏈輪支座；12.配重橫梁；13.游梁；14.橫梁；15.支架；16.驢頭；17.鋼絲繩；18.懸繩器圖1 配重塊相對橫梁移動輔助平衡裝置游梁式抽油機(jī)

電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)經(jīng)皮帶、減速器后，轉(zhuǎn)化為曲柄旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，再經(jīng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為游梁的上下擺動。可移動配重塊在鏈條的拉動下，沿配重橫梁上的滑軌可做往復(fù)移動，當(dāng)由于井下載荷變化導(dǎo)致平衡度偏離允許范圍時(shí)，可通過平衡塊沿配重橫梁的移動調(diào)節(jié)平衡度。最后經(jīng)驢頭的上下運(yùn)動帶動懸繩器上掛著的光桿、泵等井下載荷上下運(yùn)動完成往復(fù)抽油過程。

2 平衡節(jié)能原理

在用工頻直接啟動的場合，游梁式抽油機(jī)所需啟動力矩大約是正常工作的兩倍以上，加之由于采油工況的復(fù)雜性，如油稠、出蠟導(dǎo)致驢頭負(fù)載較正常工況增大等因素，因而在設(shè)計(jì)的時(shí)候采用的電動機(jī)的額定功率都比較大。而在正常抽油時(shí)，負(fù)載變輕，所需的力矩又比較小，出現(xiàn)了抽油桿的負(fù)荷特性與電動機(jī)的機(jī)械特性不匹配的問題，因此電機(jī)效率低的現(xiàn)象很嚴(yán)重。尤其在驢頭下放時(shí)，負(fù)載變輕，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)游梁式抽油機(jī)的電機(jī)接近空轉(zhuǎn)，降低了電網(wǎng)的功率因數(shù)和電機(jī)的效率，增加了無功損耗，導(dǎo)致能源浪費(fèi)嚴(yán)重。三相異步電動機(jī)效率曲線圖如圖2所示，當(dāng)電機(jī)輸出機(jī)械功率低于額定功率30%后，三相異步電機(jī)的效率近乎直線下降。因此，盡量使得曲柄軸凈扭矩曲線接近對應(yīng)電動機(jī)輸出扭矩的理想扭矩線，使電動機(jī)輸出扭矩盡量多地處于電動機(jī)額定輸出扭矩70%-100%范圍，無疑由于電機(jī)實(shí)際使用效率的增加從而有效降低電機(jī)輸入電功率，達(dá)到省電效果。

圖2 三相異步電動機(jī)效率曲線

圖3 Cyj12-4.2常規(guī)型抽油機(jī)動力學(xué)仿真數(shù)據(jù)（縱坐標(biāo)為曲柄軸輸出扭矩，周期5s，2.5s前為避免突然施加載荷導(dǎo)致仿真失敗而逐漸施加載荷的過程，2.5s-7.5s為根據(jù)示功圖施加懸點(diǎn)載荷的仿真數(shù)據(jù)。2.5s-5.0s為抽油桿上行程數(shù)據(jù)，5.0s-7.5s為下行程數(shù)據(jù)。實(shí)線為未加平衡游梁的數(shù)據(jù)，虛線為只添加平衡游梁的數(shù)據(jù)，點(diǎn)畫線為添加平衡游梁及平衡塊的數(shù)據(jù)）

3 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

游梁式抽油機(jī)配重塊相對橫梁移動輔助平衡裝置示意圖如圖4所示。所設(shè)計(jì)的機(jī)械系統(tǒng)主要由配重橫梁、鏈輪支撐座、2個鏈輪、1條鏈條、1塊配重塊、1組蝸輪蝸桿、1個聯(lián)軸器、1個電機(jī)等組成。整個配重橫梁左端即圖4所示的左端與抽油機(jī)游梁尾部焊接在一起，左鏈輪支座固定在配重橫梁上，支座上有鏈輪Ⅰ和右端的安置在蝸輪上的鏈輪Ⅱ配合使用，可使鏈條隨鏈輪運(yùn)動，拉動配重塊在橫梁上進(jìn)行相對直線移動。配重塊內(nèi)會安裝有鉸接的零件，用于固定配重塊及鏈條。

配重橫梁上的電機(jī)通過蝸輪蝸桿減速，蝸輪軸帶動鏈輪Ⅱ旋轉(zhuǎn)，鏈輪Ⅰ和鏈輪Ⅱ通過鏈傳動實(shí)現(xiàn)與之相連的配重塊的往復(fù)移動，通過改變平衡力矩的大小達(dá)到調(diào)節(jié)平衡從而節(jié)能的目的。

1.配重橫梁；2.鏈輪支撐座；3.鏈輪Ⅰ；4.鏈條；5.蝸桿；6.蝸輪；7.鏈輪Ⅱ；8.聯(lián)軸器；9.電機(jī)；10.電機(jī)支座板；11.配重塊圖4 渦輪蝸桿傳動裝配示意圖

4 關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新

游梁尾端的配重橫梁輔助平衡裝置的關(guān)鍵創(chuàng)新技術(shù)是：在常規(guī)游梁式抽油機(jī)游梁的尾部安裝配重橫梁，在其上面安裝一套可調(diào)整且可通過鏈條相對橫梁移動的配重塊，在配重塊里面安裝一個使鏈條與配重塊相鉸接的鉸聯(lián)接。運(yùn)用可調(diào)移動變矩的平衡原理，較好地平衡井口的動載變化率，從而實(shí)現(xiàn)常規(guī)游梁式抽油機(jī)的平衡和節(jié)能之目的。

5 方案優(yōu)點(diǎn)

（1）整個平衡裝置通過在游梁尾部焊接，結(jié)構(gòu)簡單可靠，不需要改變原抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)。

（2）通過建立動力學(xué)模型精確設(shè)計(jì)配重橫梁重量，可以有效改善抽油機(jī)在抽油桿上下行程的不平衡度，提高電機(jī)效率。通過改變配重橫梁上配重塊的位置實(shí)現(xiàn)精確調(diào)節(jié)抽油機(jī)的平衡，與一般平衡裝置方案相比，大大拓寬了調(diào)平衡范圍，平衡效果更好，并且成本較低。

（3）游梁自動平衡裝置可有效地解決常規(guī)游梁式抽油機(jī)能耗大、調(diào)平衡難度大、時(shí)間長及工作效率低等技術(shù)難題，增強(qiáng)平衡調(diào)節(jié)的安全性。

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指導(dǎo)教師：何冬青

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.12.056

基金項(xiàng)目：國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目資助（201513386001）

作者簡介：呼思杰（1991-），男，山東聊城人，學(xué)生，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)。