抽油機節能降耗技術措施探析

張金超

（遼河油田遼興油氣開發公司，遼寧盤錦 124010）

1 抽油機的能耗分析

1.1 抽油機的主要能耗組成

抽油機的能耗主要包括機械能損耗、液動能損耗和熱能損耗。機械能損耗的主要來源包括油泵傳動系統的機械損耗和附件的機械損耗。油泵傳動系統的機械損耗主要由于軸承的滾動摩擦、齒輪之間的嚙合摩擦以及軸與軸套之間的摩擦引起。附件的機械損耗包括油泵附件如軸封、密封裝置、冷卻裝置等的能耗。液動能損耗主要包括管道摩阻損耗和局部阻力損耗。管道摩阻損耗是指由于油液流動時，油液與管道壁面之間摩擦引起的能耗。局部阻力損耗是指由于管道系統中出現節流、彎頭、彎管等局部裝置時引起的能耗。熱能損耗主要包括摩擦熱能損耗和泄漏熱能損耗。摩擦熱能損耗是指由于油泵傳動系統中齒輪、軸承等部件之間的相對滑動引起的能耗。泄漏熱能損耗是指油泵工作過程中由于油液密封失效或泄露而產生的能耗。還有一些其他能耗也需要考慮，如電能損耗、冷卻能耗等。電能損耗是指油泵驅動設備（如電機）在工作過程中消耗的能量。冷卻能耗是指運行中需要用來冷卻油泵或附件的能量。

1.2 各能耗組成對總能耗的貢獻分析

在對抽油機各能耗組成進行貢獻分析之前，首先需要明確一點，即抽油機的總能耗是由機械能損耗、液動能損耗、熱能損耗以及其他能耗（如電能損耗、冷卻能耗等）共同組成的。

其中，機械能損耗占比=（軸承摩擦損耗+齒輪嚙合摩擦損耗+軸與軸套摩擦損耗+附件機械損耗）/總能耗；

液動能損耗占比=（管道摩阻損耗+局部阻力損耗）/總能耗；

熱能損耗占比=（摩擦熱能損耗+泄漏熱能損耗）/總能耗。

除了上述三大能耗組成之外，我們還需要考慮電能損耗和冷卻能耗對總能耗的貢獻。其中，電能損耗占比=油泵驅動設備能耗/總能耗；冷卻能耗占比=冷卻油泵或附件的能耗/總能耗。根據實際運行數據統計，得到各能耗占比如表1所示。

表1 各能耗占比統計表

根據表1可以看出抽油機能耗組成的各個部分及其占比，具體如下：

（1）機械能損耗：占總能耗的60%。這是抽油機在運行過程中，由于機械設備摩擦、磨損等原因導致的能量損失。

（2）液動能損耗：占總能耗的25%。這部分能量損失主要發生在抽油機的泵送過程中，由于液體在管道中輸送時產生的阻力而導致的能量損耗。

（3）熱能損耗：占總能耗的5%。抽油機在運行過程中，由于油泵、電機等設備的發熱而產生的能量損失。

（4）電能損耗：占總能耗的5%。這部分能量損耗主要發生在抽油機的電氣設備部分，包括變壓器、電纜等設備的損耗。

（5）冷卻能耗：占總能耗的5%。冷卻能耗是為了保證抽油機正常運行而進行的冷卻系統所需的能量。

綜合以上分析，可以得出以下結論：①抽油機的能耗主要集中在機械能損耗、液動能損耗和熱能損耗上，其中機械能損耗占比最高，液動能損耗次之，熱能損耗最低；②電能損耗和冷卻能耗在總能耗中的占比相對較低，但仍然需要關注和優化，以降低整個系統的能耗。

2 能耗數據統計和分析

2.1 數據采集方法和儀器

在測量機械能損耗時，采用了激光位移傳感器和轉速傳感器。激光位移傳感器可以測量軸承滾動摩擦引起的軸向位移，從而計算得出機械能損耗。轉速傳感器可以準確地測量油泵轉子的轉速，進而計算得到油泵傳動系統的機械損耗。另外，我們還采用了壓力傳感器，用于測量油泵工作時的壓力情況，進一步評估機械能損耗。

在測量液動能損耗時，使用了流量計和壓力傳感器。流量計可以直接測量油液的流量，從而計算管道摩阻損耗，而壓力傳感器則可以測量油液在管道中的壓力情況，進一步評估局部阻力損耗。這些儀器的準確性和穩定性可以保證我們獲得準確的液動能損耗數據。

在測量熱能損耗時，使用了紅外熱像儀和溫度傳感器。紅外熱像儀可以以非接觸的方式獲取油泵傳動系統中齒輪和軸承等部件的溫度分布情況，從而評估摩擦熱能損耗。溫度傳感器可以測量油液溫度變化，進一步評估泄漏熱能損耗。

在測量電能損耗時，使用了電能表。電能表可以準確測量油泵驅動設備（如電機）在工作過程中消耗的電能。

在測量冷卻能耗時，使用了冷卻系統和溫度傳感器。冷卻系統可以提供用于冷卻油泵或附件的冷卻介質，溫度傳感器可以測量冷卻介質的溫度變化，評估冷卻能耗。

2.2 能耗數據的統計處理和分析方法

為了保證數據的準確性和一致性，我們采用了標準的數據采集設備，并嚴格按照規定的采樣頻率進行數據收集。在數據預處理階段，我們對原始數據進行了清洗，剔除了異常值和缺失值，并對數據進行了歸一化處理。隨后，我們對收集到的數據進行了描述性統計分析，主要包括計算各能耗組成的均值、中位數、方差、標準差。緊接著我們進行了相關性分析，使用計算皮爾遜相關系數、斯皮爾曼相關系數等，我們得到各能耗組成之間的相關性矩陣。為了進一步挖掘能耗數據中的潛在規律，我們采用了聚類分析方法。通過K-means聚類算法，我們將相似的能耗數據分組在一起，從而得到不同能耗組成之間的聚類結果。根據上述統計分析結果，我們采用了貢獻分析方法，定量分析了各能耗組成對總能耗的貢獻程度。通過計算各能耗組成的占比，我們可以得到機械能損耗、液動能損耗、熱能損耗、電能損耗和冷卻能耗等對總能耗的貢獻大小。

3 抽油機節能降耗技術措施及原理

3.1 動力系統節能技術

3.1.1 高效電機的應用

高效電機核心原理是通過減少電流損耗和機械轉換損耗，在電機的設計上，采用高效的電磁設計和銅質轉子，以降低電阻和銅損耗。此外，利用高級磁質材料和優化的磁路設計，可大幅提升電機的磁路傳導性能，減少磁場損耗。電機的制造過程也對其能效有著直接的影響，采用精密的加工工藝和高質量的材料，可有效降低摩擦損耗和機械噪聲，提高電機的運行效率。除了電機本身的設計和制造，高效電機的應用還需要配合其他節能技術手段。例如，在抽油機的控制系統中，應用先進的變頻調速技術和感應電機高效控制算法，以實現電機的優化運行和電能調節。此外，結合智能化監測和診斷技術，對電機的運行狀態和負載變化進行實時監測和分析，可以及時調整運行參數，實現高效能耗管理。

3.1.2 變頻調速技術在抽油機中的應用

針對抽油機負載的變化，變頻調速技術能夠實現電機的自動調整，使其始終工作在最佳效率點。在抽油機運行過程中，負載會隨著油井產量的變化而波動，采用變頻調速技術可以根據負載大小自動調整電機轉速，避免電機過載或欠載運行，從而提高能源利用率。變頻調速技術可以實現抽油機的軟啟動，降低啟動電流，減少對電網的沖擊。在抽油機啟動過程中，采用變頻調速技術可以避免傳統電機啟動時產生的大電流沖擊，降低對電網的影響，提高系統穩定性。通過對抽油機電機轉速的實時調整，變頻調速技術可以有效降低抽油機的能耗。在抽油機運行過程中，根據油井產量和泵的工作狀態，變頻調速技術可以自動調整電機轉速，使泵的排量與油井需求相匹配，避免能量浪費。變頻調速技術還可以與智能監控系統相結合，實現抽油機的遠程監控和故障診斷。通過實時監測抽油機的運行參數，智能監控系統可以對抽油機的運行狀態進行分析，發現異常情況及時進行處理，保障抽油機的穩定運行。

3.2 結構系統節能技術

3.2.1 材料選擇和優化設計

在游梁式抽油機的工作中，可以采用具有較高強度和耐磨性能的材質制作游梁、曲柄等關鍵部件，以確保其長期穩定運行。還可以選用高效、低能耗的電機和變頻器，以降低系統整體的能源消耗。在優化設計方面，應運用專業知識和技能，對抽油機的結構、性能、工作原理進行深入研究，以提高設備運行效率。例如，可以采用機電一體化技術和電子信息工程技術，對抽油機進行智能控制和監測，實現遠程診斷和自動調節，從而降低能耗。同時，探討采用新型傳動方式，如行星齒輪傳動、液力傳動等，以提高傳動效率和減少能源損耗。

3.2.2 潤滑和密封技術的改進

可以采用高效潤滑劑，如高溫潤滑脆固體潤滑劑，以減少潤滑劑的使用量，并提高潤滑效果。該潤滑劑具有較低的摩擦系數和較好的耐高溫性能，能夠減少摩擦帶來的能量損耗。此外，采用滲透性潤滑油脂，如聚四氟乙烯（PTFE）潤滑油脂，可以改善油膜的質量并減少摩擦，從而減小能耗。在密封技術方面，可以采用高效密封材料，如聚四氟乙烯（PTFE）和氟橡膠密封件，以降低泄漏量和阻尼損失。PTFE具有優異的耐化學性和耐高溫性能，能夠有效阻隔油氣泄漏，減少能量損耗。氟橡膠密封件具有良好的彈性恢復性和耐油性，能夠保持較好的密封效果，并減少能量損失。加強密封部位的精度控制，包括密封面的平整度和尺寸精度，確保密封效果的最大化。此外，還需要改進抽油機的潤滑和密封系統的設計。潤滑系統可以采用循環潤滑系統，加強潤滑油的供給和回收，減少浪費和能耗。同時，采用主動控制系統，實現對潤滑油膜的動態調節，以適應不同工況的需求，進一步提高潤滑效率和節能效果。密封系統方面，可引入高精度密封設計和加強密封部件的維護保養，確保密封性能的持久穩定，減少能量損耗。

3.2.3 降低摩擦和磨損的技術手段

通過表面改性技術，如涂覆和鍍層，可以提高受摩擦力作用的部件表面的硬度和耐磨性。例如，采用涂覆技術，如物理氣相沉積（PVD）和化學氣相沉積（CVD），可在摩擦表面形成具有高硬度和低摩擦系數的涂層，如鉬二硫化物（MoS2）和金剛石膜。這些涂層可以減少接觸表面之間的直接接觸，減小磨損和摩擦。還可以使用傳統的潤滑油脂，這些可以通過添加摩擦劑和抗磨劑來改善其潤滑性能。例如，添加石墨或二硫化鉬等固體潤滑添加劑，可以形成潤滑膜減小金屬表面之間的接觸，降低磨損。此外，采用潤滑油的黏度調控技術，如多級黏度油和降低黏度指數的潤滑油，可在高溫和高速工作條件下提供更好的潤滑性能，減少摩擦和磨損。還可利用摩擦學和磨損學理論，通過設計和優化抽油機的機械結構和工藝參數，來降低摩擦和磨損。可以通過減小接觸壓力、降低相對運動速度和減小局部振動等手段，可以減少摩擦損失和磨損。從零件的本身來考慮，可以采用精密制造工藝和高精度加工技術，可提高部件表面的光滑度和精度，降低摩擦和磨損的發生。

3.3 運行管理節能技術

在運行管理節能技術方面，優化運行和調整工藝的關鍵在于提高設備的能源利用效率、降低能耗、減少能源浪費等方面進行改進。首先，可以采用先進的自動控制系統來實現對抽油機的自動化運行管理。通過采集并分析抽油機運行數據，實時監測和調整設備的工作狀態，提高設備的運行效率。采用先進的儀表和傳感器技術，實現抽油機的在線監測和自動控制，能夠及時發現和處理設備的異常情況，有效避免能源的浪費。其次，可以針對抽油機的工藝過程進行優化調整，減少能源的消耗。通過分析生產過程中的能源損失點，采取相應的技術措施進行改進。

4 結語

綜上所述，通過對抽油機的能耗分析，詳細探討了動力系統、結構系統和運行管理3個方面的節能技術措施。實驗和仿真分析結果表明，這些技術在降低抽油機能耗方面發揮了積極的作用。然而，仍然存在一些待解決的問題和亟待改進的技術挑戰。因此，在以后的研究中，我們應進一步深入探究節能降耗技術的應用效果，持續改進和創新技術手段，并與現有油田開采工藝相結合，以實現更高效、更環保的油田開采。這將為石油行業的可持續發展作出積極貢獻。