變轉矩運行節能裝置在游梁式抽油機上的應用

朱益飛（勝利油田孤東采油廠）

變轉矩運行節能裝置在游梁式抽油機上的應用

朱益飛（勝利油田孤東采油廠）

針對稠油井游梁式抽油機負荷與電動機匹配程度差，油井抽油機系統效率低、能耗高，電動機和變壓器負載率低等問題，采用了變轉矩運行節能裝置，實現了抽油機負荷與電動機的合理匹配，進而達到抽油機井系統節能降耗的目的。介紹了變轉矩運行節能裝置的組成、工作原理、特點及其現場應用情況，并對現場應用效果作了綜合評價分析。實踐證明，該節能裝置是一種具有良好性價比的新型油井節能裝置，既可以改善和優化游梁式抽油機負荷與電動機合理匹配程度，又可以降低油井變壓器容量，具有良好的推廣應用價值。

游梁式抽油機；節能裝置；變轉矩

引言

游梁式抽油機是石油開采的主要采油設備[1]。勝利油田孤東采油廠共有游梁式抽油機井2800余口，其中常規井開井1500余口，稠油井開井數800余口。孤東稠油黏度在6000～30 000 mPa·s，采用蒸汽吞吐開發。注蒸汽熱采井開采時分初期排水、中期見油、后期油稠三階段，早期需要較高的沖速，到了中期尤其后期，因原油黏度上升，出現光桿緩下狀況，經常發生驢頭和光桿“打架”現象，這就要求抽油機低沖速采油，并迫使其采油系統必須適應這種稠油熱采井生產的特殊性。據統計，勝利油田孤東采油廠稠油熱采井抽油機電動機采用全載啟動、輕載運行方式，電動機的平均負載率不足電動機額定功率的30%，與其配套的變壓器負載率不足10%，電動機的實際效率小于0.8（電動機額定負荷時的效率為0.87～0.90），造成了抽油機電動機拖動系統的載荷過低、“倒發電”、能耗高以及抽油機井系統效率低等問題，存在很大的節能降耗空間。為提高稠油井抽油機系統效率，降低噸油開發成本，采用了變轉矩運行節能裝置，實現了抽油機負荷與電動機的合理匹配，從而達到抽油機井系統節能降耗的目的，并取得了良好的現場應用效果。

1 變轉矩運行節能裝置

1.1 裝置的組成

變轉矩運行節能裝置主要由油井變轉矩運行變速裝置和自動控速節能控制柜兩部分組成。油井變轉矩運行變速裝置是一種以直齒為主的雙級變速齒輪結構，實現在同軸上輸出2種同一方向上的不同轉速，同時在輸入、輸出軸上采用單向軸承，避免電動機被抽油機帶動而超速運轉產生倒發電現象的節能運行裝置。該裝置是一種立式變轉矩運行裝置，采用以直齒為主的雙級變速齒輪結構。

由于抽油機承受交變負載，啟動時負載大，正常運行負載很小，且脈動幅度很大，在一個周期內有一個峰值，功率可達平均功率的2倍，要比正常運行時的最大轉矩要高。因此，油井自動控速節能控制柜在設計抽油機載變控速裝置控制方式時選擇參數應能滿足抽油機的運行要求。

1.2 工作原理

雙級變速齒輪結構的變轉矩運行裝置設計有1條輸入軸和1條輸出軸。當輸入軸上的電動機順時針旋轉時，輸出軸輸出速度n1，傳動比是u1；當輸入軸上的電動機逆時針旋轉時，輸出軸輸出速度n2，傳動比是u2（傳動比u1、u2根據不同的油井參數確定）。兩個速度旋轉方向可同向，也可逆向。通過2個軸的不同傳動比來改變抽油機載變控速裝置的變速器輸出軸的轉矩及轉速。高低沖速采油改善了抽油機負荷特性與三相異步電動機機械特性的合理匹配。如，當變速器傳動比是1和2，電動機轉速為980 r/min時，變速后“抽油機載變控速裝置”的變速器輸出軸轉速為980 r/min和490 r/min，輸出轉矩是電動機轉矩的1.0倍和2.0倍。當傳動比是1時，是正常速度采油；當傳動比是2時，此時是低沖速采油。

該抽油機變轉矩運行節能裝置采用機電一體化（無變頻）結構設計，可根據游梁式抽油機運轉過程中懸點載荷變化情況（特別是稠油井），自動調節抽油機的運行速度、消除負轉矩（倒發電）、降低電動機裝機功率（解決載荷過低），是一種新型抽油機節能拖動系統。適用于現有的游梁式抽油機在不改變其工作制度的條件下安裝使用，配套電動機功率為現有抽油機功率的40%～60%。

表1 項目實施前后13口油井生產數據前后對比

1.3 裝置特點

1）實現多種轉速組合。該節能裝置在不改變抽油機整體組成結構與布局的情況下，通過設計快速更換皮帶裝置和快速更換皮帶輪裝置，配合生產需要，實現多種轉速組合。

2）節能效果好。該節能裝置應用后，其綜合節電率可達到30%以上。

3）降低無功損耗。應用該節能裝置，可實現自動調整抽油機負荷與電動機的合理匹配，提高電動機運行功率因數，降低無功損耗，使其達到最佳經濟運行狀態。

4）降低變壓器容量。應用該節能裝置，可有效降低配套電動機功率，從而降低油井變壓器容量。

5）變轉矩自動控制效果好。該節能裝置采用配套的自動控速節能控制柜，具有良好的自動控制變速運行功能。

6）裝置具有良好的安全可靠性。該節能裝置采用直齒為主的雙級變速齒輪結構立式變轉矩運行，它與臥式變速機、直（斜）齒輪變速傳動方式相比，具有傳動效率高、噪音小、運行故障率小和安全可靠等優點。

2 現場應用

2014年，勝利油田孤東采油廠根據變轉矩運行節能裝置的特點，對部分油井系統運行效率較低、耗電量大、且油井電動機負載率低的低效稠油井實施節能技術改造，以達到最大限度節能降耗的目的。先后選擇13口低效稠油井，實施變轉矩運行節能裝置節能技術改造，并取得良好的技術改造效果（表1）。

由表1可知，項目實施后，在油井保持相對穩定的前提下（產液量略有提升），實現了油井抽油機負荷與電動機的合理匹配，使油井處于高效、安全的生產狀態，達到了節能降耗、增產高效和提高油井開采效益的目的，取得了良好的項目實施效果。

3 綜合效益評價

1）節能效果顯著。項目實施后，百米噸液耗電量下降了1.93 kWh，綜合節電率達到49.1%，平均單井日節電量達190 kWh。13口油井年節電量可達901 550 kWh，按每千瓦時價格0.6元計算，則該項目年創節能效益可達540 930元，節電效果顯著。

2）提升油井系統運行效率。油井系統效率由項目實施前12.68%提升到項目實施后的26.89%，油井平均系統效率提升14.21%，低效稠油井系統效率提升效果明顯。

3）節能減排效益。按照節約1 kWh電能減排0.997 kg CO2，即減少0.272 kg碳排放計算，則應用該節能裝置后每年可減少碳排放245 221.6 kg。

4）變壓器減容效益。按照每千伏安變壓器月度容量費用28元計算，則每年可減少變壓器容量費50 400元。

5）提高電動機功率因數，降低無功損耗。平均功率因素由項目實施前的0.281提高到目前的0.878，提高了0.597。

6）提升油井生產時率。項目實施后，減少了檢泵作業時間和費用，提高了管理和技術水平，合理優化抽油機工作參數，確保抽油機安全可靠高效運行，從而給油田生產管理和節能工作帶來可觀的經濟效益。

7）安全可靠性好。自投入現場應用以來，該裝置運行正常，極少發生故障，現場維護簡單。

8）減輕員工的勞動強度。該節能裝置運行安全可靠，自動調速控制效果好，運行故障率低，有效地減輕了員工的日常維護工作量。

9）安裝操作簡單。該節能裝置完全能滿足現有的游梁式抽油機在不改變其工作制度的條件下安裝使用要求。

10）良好的適用性。在稠油熱采井上應用抽油機變轉矩運行系統后，可有效提高電動機功率因數，使其達到最佳經濟運行狀態，顯著降低油井產液單耗。

4 結束語

實踐證明，變轉矩運行節能裝置是一種具有良好性價比的新型油井節能裝置。該新型高效節能裝置具有結構簡單，安裝使用方便，維護工作量小，控制與節能效果好，運行安全可靠等優點。應用此裝置可以有效改善和優化游梁式抽油機特別是稠油油井抽油機負荷與電動機合理匹配程度，實現游梁式抽油機負荷與電動機的合理匹配，降低油井變壓器容量，克服其他電動機及拖動裝置的缺陷；同時還具有優良的節能性能和變轉矩自動調控性能，在油田稠油開發生產過程中對于提高油井系統運行效率和節能降耗工作將會起到重要的促進作用，具有良好的推廣應用價值。

[1]朱益飛，石曉明，馬冬梅.提高孤東油田機采系統效率的途徑[J].電力需求側管理，2009，11（4）：44-46.

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.11.008

2016-06-20

（編輯 張馨怡）

朱益飛，高級工程師，1989年畢業于華東石油學院（生產過程自動化專業），從事油田技術質量監督工作，E-mail：zhuyifei112.slyt@sinopec.com，地址：山東省東營市河口區仙河鎮勝利油田孤東采油廠技術質量監督中心，257237。