淺析寬帶鏈條換向抽油機半直驅改造及其節能降噪效果測試

叢巖，路輝，叢峰，常國旭，高中正

（1.中國石化勝利油田設備管理部；2.中國石化勝利油田分公司勝利采油廠，山東 東營 257000；3.中石化新疆新春石油開發有限責任公司，新疆 塔城 834700；4.山東創新石油技術有限公司，山東 東營 257000）

1 引言

對于油田采油廠來講，抽油機的工作效率及運行狀況直接關乎油田的生產效益，因此，如何提升抽油機的工作能力并保證其長壽命周期穩定運行是至關重要的。

傳統的抽油機的驅動方式為三相異步電機通過三角帶與減速箱連接，然后通過減速箱的輸出軸將動力傳遞至驅動鏈條，這種方式動力傳遞環節太多，必然會影響其傳動效率，研究發現其傳動效率僅為14.7%。除此之外，傳統抽油機所使用的三角帶壽命低，更換頻率高，而且其張緊力需要及時調整，其張緊力過小容易出現打滑現象導致傳動效率降低，張緊力過大則會加劇其摩擦損耗；另外，減速箱的存在大大增加了維修保養成本和停機檢修成本，而且其運行產生的噪音污染也是不可避免的。

針對勝利油田抽油機上述缺憾與不足，本文提出了“半直驅式”驅動改造方案，取消原來的三角帶、機械換向及減速器機構，采用永磁同步電機與同步帶傳動的方式，將同步帶輪的輸出軸直接與驅動鏈條連接，減少了傳動環節，提高了傳動效率。與此同時，共直流母線技術與超級電容的設計與應用進一步降低了能耗，該技術在東辛采油廠應用后，單機每日平均耗電量從原來的140kW·h降低為80kW·h，具有良好的節能效果。

2 改造方案的確定

為了實現節能、降噪、提高傳動效率、降低維修保養頻率及成本的目的，本次整體的改造升級方案共包括兩部分，首先是動力及傳動部分的改造，其次是超級電容和直流母線技術的應用。

2.1 皮帶式抽油機工作原理

油田現有的皮帶式抽油機主要是通過三相異步電機與減速器連接，減速器輸出端與機架內傳動鏈連接以實現抽油桿的上下往復運動，圖1所示為現有的皮帶式抽油機的整體結構及傳動部分結構示意圖。

圖1 皮帶式抽油機整體及動力部分結構示意圖

三相異步電機經減速器后，將動力輸出至下鏈輪從而驅動鏈輪及傳動鏈的轉動，由于皮帶式抽油機傳動鏈條始終保持同一方向轉動，為了實現井下抽油桿及其配套工具的往復運動，采用了曲拐與滑車架相結合的機械式換向結構，圖2所示為機械換向結構示意圖。曲拐頭部與傳動鏈相連接，相當于傳動鏈條的一個特殊鏈節，始終與傳動鏈條保持運動且保持相對靜止，曲拐圓軸部插入滑車架，并可以在滑車架內轉動以實現曲拐頭的換向功能。

在上行過程中，當往復架上端運行至上鏈輪頂端，滑車架在驅動鏈條的作用下運動至鏈條的另一側從而完成換向動作，此時，往復架與抽油機配重塊開始向下運動，與此同時，抽油桿進入上沖程工作狀態；當往復架下端運動至下鏈輪位置后，在驅動鏈條的作用下，滑車架運動至鏈條另一側，進而再次完成換向動作，隨后往復架與抽油機配重塊再次進入上行階段，與此同時，抽油桿進入下沖程工作狀態。如此周而復始，完成抽油機的上行及下行的抽汲工作。剎車時，需雙人操作，一人斷電停機，另一人靠近抽油機同時拉手剎，完成停機剎車，操作步驟較為復雜。

抽油機在往復運動過程中，其交變載荷不斷發生變化，正常工況下，除其位于滿負荷狀態外，三相異步電機均處于輕載工作狀態，然而，三相異步電機的額定功率遠大于實際功率，在電壓不變的情況下，這將導致定子線圈損耗變大，最終導致電機的工作效率和功率因數增加，無疑會導致用電量的升高；三角帶及減速器的存在導致抽油機傳動效率降低，三角帶與減速器的頻繁更換及維護增加了修井作業的頻率及成本；除此之外，機械換向結構產生的噪音較大，會對人口密集的村莊產生不良影響。因此，為了進一步降低能耗，提高產量，本文針對上述皮帶式抽油機的缺點，對其動力及傳動結構進行了升級改造。

2.2 動力及傳動模塊的升級改造

在動力方面，將原來的三相異步電機替換為永磁同步電機，永磁同步電機與變頻伺服控制器的配合可以根據現場實際工況對永磁電機的實時調控。在傳動方面將三角帶替換為同步帶，通過同步帶輪直接將永磁同步電機的動力輸出至驅動鏈條，取消了原來的減速器結構，圖3所示為在皮帶式抽油機的基礎上對其動力及傳動機構進行升級改造后的結構示意圖。

圖3 半直驅式抽油機整體結構示意圖

永磁同步電機與變頻伺服控制器的使用不僅擺脫了原來機械換向結構，實現了抽油機正反轉減速柔性換向，而且該系統還可以根據現場實際工況隨時調節沖程、沖次，避免了井下工況變化或更換井口轉移機時抽油機不匹配的問題，使抽油機始終保持合理的工作狀態，達到進一步節約電能、降低消耗、管理方便的目的。如果發生移機，皮帶式抽油機由于沖程不可調，無法適應新井沖程變化的要求，需要重新匹配一臺新抽油機，勢必會增加由于停產帶來的額外成本，對其進行升級改造后可以根據新移井的生產要求選擇新的沖程以實現遠程調參，這對提升油井產量，延長抽油桿、抽油泵壽命具有重要意義，因此，改造升級后抽油機使用范圍更廣。

除此之外，在本次升級改造方案中，將共直流母線技術與超級電容也納入其中，使用共直流母線效率相比得到了有效的提高，降低了企業成本，減少了維修成本。超級電容充電速度快，充電10秒～10分鐘可達到其額定容量的95%以上，循環使用壽命長，深度充放電循環使用次數可達1～50萬次，沒有“記憶效應”。使用超級電容可存儲部分電能，反饋給抽油機使用，節能效果更好。

3 現場的應用

該升級改造后的半直驅式抽油機成功應用在東辛采油廠辛一管理區，圖4所示為半直驅式抽油機應用現場，并對其用電量、噪音等性能進行了測試。

圖4 應用現場

3.1 能耗測試

對東辛采油廠辛一管理區的2臺改造后的半直驅式抽油機（DXX37X69和DXX37X64）每天的耗電量進行了測量，并將其與改造之前的皮帶式抽油機進行比較，每臺抽油機連續測量5天，圖5、6所示分別為改造后的2臺抽油機與皮帶式抽油機在測量周期內耗電量的比較。

圖5 改造前后耗電量比較（DXX37X69）

圖6 改造前后耗電量比較（DXX37X64）

改造前的2臺皮帶式抽油機5天內的平均耗電量分別為141、139、140、145、135kW·h，其總平均耗電量為140kW·h；升級改造后的半直驅式抽油機的5天內的平均耗電量分別為80kW·h、84kW·h、81kW·h、79kW·h、76kW·h，其總平均耗電量為80kW·h，綜上所述進行半直驅式升級改造后，單機每日耗電量可降低約60kW·h，降低幅度約為42.9%。

3.2 噪音測試

對皮帶式抽油機改造前后的正常工況下的噪音進行了測量對比，其中包括上沖程、下沖程及換向時刻的噪音。圖7所示為兩者對比結果。

圖7所示，皮帶式抽油機未經升級改造之前其3個工作狀態下的噪音數值平均為95dB，經過改造后的半直驅抽油機3個工作狀態下的噪音平均值分別為43dB、42.7dB。分析發現，皮帶式抽油機在換向工況下的噪音到達峰值為105dB，半直驅改造后的抽油機噪聲分貝數值顯著降低，一方面，是由于減速器和機械式換向結構的取消，降低了由于齒輪嚙合及驅動鏈條與曲拐碰撞的噪音；另一方面，是因為將三相異步電機更換為永磁同步電機后其轉速由原來的970r/min降低至199r/min，轉速的降低對電動機噪音的抑制有重要影響。

圖7 改造前后設備噪音比較

4 結語

針對勝利油田現有的皮帶式抽油機能耗高、效率低、噪音大等缺點，對其動力及傳動部分進行了半直驅式升級改造并將其成功應用至東辛采油廠。經實際測試，半直驅改造后單機每年可節省用電費用約2.19萬元；減速器的取消提高了抽油機工作效率的同時，降低了三角帶等易損件的替換及潤滑油等保養成本，預計單機每年可節省0.4萬元；在線監控、智能調參等技術的應用，在實現不停機遠程調參的同時，可降低人工成本約6萬元。綜上所述，經半直驅升級改造后單臺抽油機可降低能耗及維保成本約8.59萬元。

5 展望

在對勝利油田現有的皮帶式抽油機進行半直驅式升級改造的同時，我們會持續對半直驅式抽油機進行深入研究，盡快完成抽油機的半直驅式向直驅式的轉化及智能化監測控制。