抽油機(jī)平衡度的自動(dòng)調(diào)節(jié)在當(dāng)今節(jié)能戰(zhàn)略中的重要性

(遼寧新科石油設(shè)備制造有限公司　遼寧　盤錦　124000)

【名詞解釋】

抽油機(jī)平衡度：抽油機(jī)在一個(gè)沖次中，懸點(diǎn)下行時(shí)電路中的電流值I1與懸點(diǎn)上行時(shí)電路中的電流值I2之比的百分?jǐn)?shù)，即：

平衡度與能耗之間的關(guān)系：

抽油機(jī)一個(gè)沖次(工作周期)內(nèi)的能量需求可以用示功圖來表示，見圖1。

圖1　抽油機(jī)示功圖

示功圖是一條表示懸點(diǎn)載荷與懸點(diǎn)位移之間的關(guān)系的曲線圖，曲線所圍成的面積表示抽油機(jī)在一個(gè)沖次中所做的功。

抽油機(jī)的平衡度是判斷抽油機(jī)平衡狀況的一個(gè)非常重要的依據(jù)。若平衡度大于1，則說明平衡裝置對(duì)游梁中軸的平衡力矩過大，抽油機(jī)處于過平衡狀態(tài)；若平衡度小于1，則說明平衡裝置對(duì)游梁中軸的平衡力矩過小，抽油機(jī)處于欠平衡狀態(tài)。過平衡與欠平衡對(duì)抽油機(jī)的性能發(fā)揮以及節(jié)能效果都是不利的。

實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于井況的復(fù)雜性，使得抽油機(jī)的平衡度恰好為100%幾乎是不可能的，故此人們對(duì)抽油機(jī)的平衡度限定了一個(gè)認(rèn)為可以接受的范圍：100%±15%，即當(dāng)抽油機(jī)的平衡度處于85%～115%的范圍內(nèi)時(shí)，通常認(rèn)為抽油機(jī)達(dá)到了一個(gè)比較理想的平衡狀態(tài)。

一、能源消耗現(xiàn)狀

(一)能耗值較前幾年比較

科學(xué)發(fā)展日益突飛猛進(jìn)的今天，機(jī)械行業(yè)的發(fā)展也取得了長足的進(jìn)步。作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展重要基石的石油行業(yè)，同樣得到了飛速的發(fā)展。然而，在取得了輝煌成績(jī)的同時(shí)，我們?nèi)孕杩吹?，石油行業(yè)一直并將長期面臨著“以能源換能源”的尷尬局面，且前者與后者的比值正逐漸趨近于“1”。據(jù)國家石油能源部門統(tǒng)計(jì)，2000年、2006年及2012年，我國每產(chǎn)1000噸原油，平均消耗電能依次是5.77×103kW·h，6.46×103kW·h，9.09×103kW·h。不難看出，2012年較之12年前，開采相同重量的原油耗電量增加近60%。

(二)常規(guī)型游梁式抽油機(jī)的平衡度調(diào)節(jié)方式

目前常規(guī)型游梁式抽油機(jī)的平衡方式為曲柄平衡，見圖2。

圖2　曲柄平衡抽油機(jī)

鑄鐵制的曲柄平衡塊通過螺栓固定在曲柄的某處相對(duì)位置，抽油機(jī)懸點(diǎn)的上行(抽油機(jī)工作段)時(shí)輔助電動(dòng)機(jī)對(duì)懸點(diǎn)做正功，抽油機(jī)懸點(diǎn)下行(非工作段)時(shí)做負(fù)功。這種平衡方式無法實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)平衡度的自動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，只能依靠人工頻繁測(cè)得懸點(diǎn)上、下行電流，再停機(jī)調(diào)整平衡塊位置方可實(shí)現(xiàn)平衡度的調(diào)節(jié)。費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且通常一次調(diào)節(jié)后，一段時(shí)間內(nèi)(通常為3個(gè)月)不會(huì)再進(jìn)行第二次調(diào)節(jié)。而油井的井況是復(fù)雜多變的，每?jī)蓚€(gè)小時(shí)甚至每?jī)煞昼娭g，油井對(duì)于抽油機(jī)的平衡點(diǎn)都是不同的。例如，從《高升采油廠2012年抽油機(jī)測(cè)試情況》的記錄來看，以10型機(jī)為例，平衡度普遍低于90%，甚至有的才達(dá)到50.82%。很明顯，常規(guī)游梁式抽油機(jī)的平衡方式已無法滿足井況復(fù)雜變化下抽油機(jī)的節(jié)能要求。

二、改良的平衡度調(diào)節(jié)方法

若要使抽油機(jī)的平衡度調(diào)節(jié)滿足井況復(fù)雜多變的要求且平衡度盡可能地接近100%，則必須使得平衡度的調(diào)節(jié)處于可實(shí)時(shí)操作的狀態(tài)且平衡度計(jì)算的輸入數(shù)值應(yīng)為抽油機(jī)主電路中電流計(jì)算的實(shí)時(shí)輸出數(shù)值。這是滿足上述要求的基本條件。本著這一目的，我們可采用如下途徑來實(shí)現(xiàn)。

第一步：改曲柄平衡為游梁平衡

考慮到抽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)平衡對(duì)支架振幅的影響，對(duì)于機(jī)型小于10型的抽油機(jī)，可將平衡方式改為游梁平衡。見圖3。

圖3　游梁平衡抽油機(jī)

游梁末端安裝有游梁平衡裝置，其中裝有伸縮節(jié)可在游梁平衡裝置中伸縮，改變平衡重對(duì)中軸的平衡力矩進(jìn)而改善抽油機(jī)的平衡狀況。

第二步：在抽油機(jī)懸繩器與光桿卡瓦間安裝載荷傳感器

如圖4，載荷傳感器可實(shí)時(shí)測(cè)得懸點(diǎn)處載荷的大小，根據(jù)載荷的周期性變化自動(dòng)生成抽油機(jī)的沖次參數(shù)，系統(tǒng)可自動(dòng)辨別出抽油機(jī)某一時(shí)刻處于懸點(diǎn)上升期抑或下降期，為下一步電路中電流的采集提供頻次參數(shù)。

圖4　安裝載荷傳感器

第三步：主電路中安裝自動(dòng)電流采集器，在載荷傳感器發(fā)出指令的時(shí)間點(diǎn)上采集電路中的電流。

第四步：安裝數(shù)字化智能控制柜，集成運(yùn)算芯片等一系列電子設(shè)施。

這四步完成后，即可對(duì)抽油機(jī)的平衡度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。原理如下：

1.載荷傳感器很據(jù)載荷的周期性變化判斷出抽油機(jī)的懸點(diǎn)上行、下行動(dòng)作，向自動(dòng)電流采集器發(fā)出指令；

2.自動(dòng)電流采集器根據(jù)載荷傳感器的指令實(shí)時(shí)采集電路中的上、下行電流值，將數(shù)據(jù)傳給控制柜中的運(yùn)算芯片；

3.運(yùn)算芯片依據(jù)公式(1)進(jìn)行平衡度的運(yùn)算，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果P向伸縮電機(jī)發(fā)出指令。若：P>1則發(fā)送代碼“0”，P<1則發(fā)送代碼“1”。

4.游梁平衡裝置上的伸縮電機(jī)根據(jù)指令“0”/“1”帶動(dòng)其上絲杠實(shí)現(xiàn)正/反轉(zhuǎn)，進(jìn)而將集成有絲母的伸縮節(jié)拉近、退出，從而改變平衡重對(duì)中軸軸心的力矩實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)平衡度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

5.可人為設(shè)定一個(gè)范圍集A，當(dāng)運(yùn)算芯片得出的結(jié)果P∈A時(shí)，其不向伸縮電機(jī)發(fā)出任何指令。則這個(gè)范圍集A即為平衡度自動(dòng)調(diào)整的精度。當(dāng)抽油機(jī)調(diào)整至P值進(jìn)入A的范圍時(shí)，伸縮電機(jī)斷電，抽油機(jī)繼續(xù)以較理想的平衡度工作。

以上整個(gè)過程無需人工參與，無需停機(jī)，完全是在抽油機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下自主進(jìn)行。如果在控制柜中集成無線發(fā)射遠(yuǎn)傳終端及控制模塊，還可以隨時(shí)在異地讀取抽油機(jī)的平衡數(shù)據(jù)并控制其運(yùn)轉(zhuǎn)，這種改進(jìn)是革命性的。

基于以上平衡度的自動(dòng)調(diào)節(jié)方式，使得抽油機(jī)將長期處于一個(gè)較好的平衡度狀態(tài)下工作，此時(shí)單位產(chǎn)液量下抽油機(jī)的電力消耗將達(dá)到最小，預(yù)計(jì)節(jié)能20%以上。

三、該項(xiàng)技術(shù)在未來應(yīng)用的展望

截至筆者成稿時(shí)，該項(xiàng)技術(shù)已在遼河油田、長慶油田共應(yīng)用百余處，節(jié)能效果普遍良好。以遼河油田54K38井所使用CYJ10-3-48HF抽油機(jī)為例，使用該自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)前測(cè)得抽油機(jī)平衡度為68.78%，日耗電量290.6千瓦時(shí)。將平衡方式改為游梁平衡自動(dòng)調(diào)節(jié)后測(cè)得平衡度為95.52%，日耗電量215.8千瓦時(shí)，極大地改善了抽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)周期內(nèi)的受力分布，節(jié)能達(dá)25.74%。目前全國各大油田游梁式抽油機(jī)的平衡方式絕大部分為常規(guī)型的曲柄平衡，該項(xiàng)技術(shù)在未來具有廣闊的發(fā)展前景。

結(jié)束語

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，資源、能源及環(huán)境保護(hù)的問題日益突出。因此，工程機(jī)械的節(jié)能問題，特別是對(duì)于大型能源采集設(shè)備的節(jié)能問題尤為重要。只有徹底解決能耗問題，我們才不至于做“無用功”。對(duì)于游梁式抽油機(jī)而言，節(jié)能方式有很多種，不會(huì)只拘泥于該文所闡述的通過自動(dòng)調(diào)節(jié)平衡度的方法來解決，還可以結(jié)合抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)形式、工作環(huán)境、潤滑情況、油井工況等諸多因素綜合考慮。筆者愿同業(yè)內(nèi)有關(guān)人士一道，共同為抽油機(jī)的節(jié)能事業(yè)做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]《采油技術(shù)手冊(cè)》，中國石油天然氣總公司-石油工業(yè)出版社，1991年。

[2]《遼河油田安全技術(shù)操作規(guī)程》，遼河石油勘探局，1984年。

[3]《高升采油廠2012年抽油機(jī)測(cè)試情況》，遼河油田，2012年。