关键词： 抽油机
常规游梁式抽油机自动平衡改造方案及节能原理分析（精选3篇）
篇1：常规游梁式抽油机自动平衡改造方案及节能原理分析
常规游梁式抽油机自动平衡改造方案及节能原理分析
摘 要：常规游梁式抽油机结构简单可靠、耐久性好，一直以来占据采油设备的主导地位，但其耗能高、制造成本高、平衡调节困难等不足日益突出。通过分析游梁式抽油机的节能原理以及开展抽油机平衡调整技术的研究，提出了以节能为目的的游梁辅助平衡方案，在此基础上提出了一种新型自动调节游梁平衡装置。该新型游梁式抽油机平衡调节装置对原机的改动小，通过配重块在配重横梁上的相对移动可以抵消部分驴头负载，实现不停机调节平衡从而起到节能作用。
关键词：游梁式抽油机；自动平衡；节能
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.12.056
0 引言
据统计，我国在用抽油机井近9万口，年新机装备量5千余台，年耗电量105亿kwh，电费开支40余亿元。在采油成本不断上升而油价由于供求失衡等原因持续低迷的情况下，节能降耗、不断降低生产成本已成为采油行业的主题。当前抽油机的节能措施主要集中在以下三个方面：
一是将常规型游梁式抽油机分批进行节能改造，改造成前置式抽油机下偏杠铃抽油机等；
二是给常规型游梁式抽油机加装节能辅助平衡装置，实施节能改造；
三是在抽油机电控柜加装电容器，对电动机无功功率进行补偿。本文的节能方案属于第二种节能方法。这种方法相比第一种方法的优势在于，基本无需改变抽油机的自身结构，改造费用低，节能效果好。依据力矩平衡的原理，在游梁式抽油机的游梁上增加一个配重梁及合适的配重，由执行机构带动配重在游梁上移动，通过改变配重块在游梁上的位置来改善抽油机的平衡性。主要结构原理
固定安装在游梁式抽油机游梁尾端的配重横梁及安装在配重横梁上可移动的辅助平衡装置主要结构如图1所示。
电动机的旋转经皮带、减速器后，转化为曲柄旋转运动，再经曲柄连杆机构转化为游梁的上下摆动。可移动配重块在链条的拉动下，沿配重横梁上的滑轨可做往复移动，当由于井下载荷变化导致平衡度偏离允许范围时，可通过平衡块沿配重横梁的移动调节平衡度。最后经驴头的上下运动带动悬绳器上挂着的光杆、泵等井下载荷上下运动完成往复抽油过程。平衡节能原理
在用工频直接启动的场合，游梁式抽油机所需启动力矩大约是正常工作的两倍以上，加之由于采油工况的复杂性，如油稠、出蜡导致驴头负载较正常工况增大等因素，因而在设计的时候采用的电动机的额定功率都比较大。而在正常抽油时，负载变轻，所需的力矩又比较小，出现了抽油杆的负荷特性与电动机的机械特性不匹配的问题，因此电机效率低的现象很严重。尤其在驴头下放时，负载变轻，传统结构游梁式抽油机的电机接近空转，降低了电网的功率因数和电机的效率，增加了无功损耗，导致能源浪费严重。三相异步电动机效率曲线图如图2所示，当电机输出机械功率低于额定功率30%后，三相异步电机的效率近乎直线下降。因此，尽量使得曲柄轴净扭矩曲线接近对应电动机输出扭矩的理想扭矩线，使电动机输出扭矩尽量多地处于电动机额定输出扭矩70%-100%范围，无疑由于电机实际使用效率的增加从而有效降低电机输入电功率，达到省电效果。
图3为根据Cyj12-4.2型常规游梁式抽油机结构尺寸，由ADAMS动力学仿真软件进行动力学仿真，得到的曲柄轴输出扭矩图。由图中可以看出，添加平衡游梁及平衡块后虽然所需曲柄轴输出扭矩有所增加，但由于抽油杆上、下行程所需的扭矩峰值更加接近，从而使得上、下行程在更多时间处于电机额定输出扭矩70%-100%的范围，减少了电机低效率运行时间，能有效提高电机效率，从而达到减少电机输入电功率即省电的效果。机械系统设计
游梁式抽油机配重块相对横梁移动辅助平衡装置示意图如图4所示。所设计的机械系统主要由配重横梁、链轮支撑座、2个链轮、1条链条、1块配重块、1组蜗轮蜗杆、1个联轴器、1个电机等组成。整个配重横梁左端即图4所示的左端与抽油机游梁尾部焊接在一起，左链轮支座固定在配重横梁上，支座上有链轮Ⅰ和右端的安置在蜗轮上的链轮Ⅱ配合使用，可使链条随链轮运动，拉动配重块在横梁上进行相对直线移动。配重块内会安装有铰接的零件，用于固定配重块及链条。
配重横梁上的电机通过蜗轮蜗杆减速，蜗轮轴带动链轮Ⅱ旋转，链轮Ⅰ和链轮Ⅱ通过链传动实现与之相连的配重块的往复移动，通过改变平衡力矩的大小达到调节平衡从而节能的目的。关键技术创新
游梁尾端的配重横梁辅助平衡装置的关键创新技术是：在常规游梁式抽油机游梁的尾部安装配重横梁，在其上面安装一套可调整且可通过链条相对横梁移动的配重块，在配重块里面安装一个使链条与配重块相铰接的铰联接。运用可调移动变矩的平衡原理，较好地平衡井口的动载变化率，从而实现常规游梁式抽油机的平衡和节能之目的。方案优点
（1）整个平衡装置通过在游梁尾部焊接，结构简单可靠，不需要改变原抽油机的结构。
（2）通过建立动力学模型精确设计配重横梁重量，可以有效改善抽油机在抽油杆上下行程的不平衡度，提高电机效率。通过改变配重横梁上配重块的位置实现精确调节抽油机的平衡，与一般平衡装置方案相比，大大拓宽了调平衡范围，平衡效果更好，并且成本较低。
（3）游梁自动平衡装置可有效地解决常规游梁式抽油机能耗大、调平衡难度大、时间长及工作效率低等技术难题，增强平衡调节的安全性。
参考文献：
[1]方仁杰，朱维兵.抽油机历史现状与发展趋势分析[J].钻采工艺，2011，34（02）：61-63.[2]王平，崔臣君，刘丽娟等.抽油机平衡度实时测量技术[J].油气田地面工程，2010，29（10）：6-7.[3]郭登明，周思柱，熊大军等.异相游梁平衡抽油机支架的有限元分析 [J].石油地质与工程，2005，20（05）：72-74.[4]苏德胜，刘先刚，吕卫祥等.游梁式抽油机节能机理综述[J].石油机械，2001，29（05）：49-53.[5]刘长胜.抽油机节能现状与降耗措施[J].宁波节能，2012（05）：44-46.[6]倪国军，高长乐，王志坚.常规游梁式抽油机节能改造[J].新疆石油天然气，2005，1（01）：83-86.作者简介：呼思杰（1991-），男，山东聊城人，学生，研究方向：机械设计制造及其自动化专业。
篇2：常规游梁式抽油机自动平衡改造方案及节能原理分析
据统计, 我国在用抽油机井近9万口, 年新机装备量5千余台, 年耗电量105亿kwh, 电费开支40余亿元。在采油成本不断上升而油价由于供求失衡等原因持续低迷的情况下, 节能降耗、不断降低生产成本已成为采油行业的主题。当前抽油机的节能措施主要集中在以下三个方面:
一是将常规型游梁式抽油机分批进行节能改造, 改造成前置式抽油机下偏杠铃抽油机等;
二是给常规型游梁式抽油机加装节能辅助平衡装置, 实施节能改造;
三是在抽油机电控柜加装电容器, 对电动机无功功率进行补偿。
本文的节能方案属于第二种节能方法。这种方法相比第一种方法的优势在于, 基本无需改变抽油机的自身结构, 改造费用低, 节能效果好。依据力矩平衡的原理, 在游梁式抽油机的游梁上增加一个配重梁及合适的配重, 由执行机构带动配重在游梁上移动, 通过改变配重块在游梁上的位置来改善抽油机的平衡性。
1 主要结构原理
固定安装在游梁式抽油机游梁尾端的配重横梁及安装在配重横梁上可移动的辅助平衡装置主要结构如图1所示。
电动机的旋转经皮带、减速器后, 转化为曲柄旋转运动, 再经曲柄连杆机构转化为游梁的上下摆动。可移动配重块在链条的拉动下, 沿配重横梁上的滑轨可做往复移动, 当由于井下载荷变化导致平衡度偏离允许范围时, 可通过平衡块沿配重横梁的移动调节平衡度。最后经驴头的上下运动带动悬绳器上挂着的光杆、泵等井下载荷上下运动完成往复抽油过程。
2 平衡节能原理
在用工频直接启动的场合, 游梁式抽油机所需启动力矩大约是正常工作的两倍以上, 加之由于采油工况的复杂性, 如油稠、出蜡导致驴头负载较正常工况增大等因素, 因而在设计的时候采用的电动机的额定功率都比较大。而在正常抽油时, 负载变轻, 所需的力矩又比较小, 出现了抽油杆的负荷特性与电动机的机械特性不匹配的问题, 因此电机效率低的现象很严重。尤其在驴头下放时, 负载变轻, 传统结构游梁式抽油机的电机接近空转, 降低了电网的功率因数和电机的效率, 增加了无功损耗, 导致能源浪费严重。三相异步电动机效率曲线图如图2所示, 当电机输出机械功率低于额定功率30%后, 三相异步电机的效率近乎直线下降。因此, 尽量使得曲柄轴净扭矩曲线接近对应电动机输出扭矩的理想扭矩线, 使电动机输出扭矩尽量多地处于电动机额定输出扭矩70%-100%范围, 无疑由于电机实际使用效率的增加从而有效降低电机输入电功率, 达到省电效果。
(纵坐标为曲柄轴输出扭矩, 周期5s, 2.5s前为避免突然施加载荷导致仿真失败而逐渐施加载荷的过程, 2.5s-7.5s为根据示功图施加悬点载荷的仿真数据。2.5s-5.0s为抽油杆上行程数据, 5.0s-7.5s为下行程数据。实线为未加平衡游梁的数据, 虚线为只添加平衡游梁的数据, 点画线为添加平衡游梁及平衡块的数据)
图3为根据Cyj12-4.2型常规游梁式抽油机结构尺寸, 由ADAMS动力学仿真软件进行动力学仿真, 得到的曲柄轴输出扭矩图。由图中可以看出, 添加平衡游梁及平衡块后虽然所需曲柄轴输出扭矩有所增加, 但由于抽油杆上、下行程所需的扭矩峰值更加接近, 从而使得上、下行程在更多时间处于电机额定输出扭矩70%-100%的范围, 减少了电机低效率运行时间, 能有效提高电机效率, 从而达到减少电机输入电功率即省电的效果。
3 机械系统设计
游梁式抽油机配重块相对横梁移动辅助平衡装置示意图如图4所示。所设计的机械系统主要由配重横梁、链轮支撑座、2个链轮、1条链条、1块配重块、1组蜗轮蜗杆、1个联轴器、1个电机等组成。整个配重横梁左端即图4所示的左端与抽油机游梁尾部焊接在一起, 左链轮支座固定在配重横梁上, 支座上有链轮Ⅰ和右端的安置在蜗轮上的链轮Ⅱ配合使用, 可使链条随链轮运动, 拉动配重块在横梁上进行相对直线移动。配重块内会安装有铰接的零件, 用于固定配重块及链条。
配重横梁上的电机通过蜗轮蜗杆减速, 蜗轮轴带动链轮Ⅱ旋转, 链轮Ⅰ和链轮Ⅱ通过链传动实现与之相连的配重块的往复移动, 通过改变平衡力矩的大小达到调节平衡从而节能的目的。
4 关键技术创新
游梁尾端的配重横梁辅助平衡装置的关键创新技术是:在常规游梁式抽油机游梁的尾部安装配重横梁, 在其上面安装一套可调整且可通过链条相对横梁移动的配重块, 在配重块里面安装一个使链条与配重块相铰接的铰联接。运用可调移动变矩的平衡原理, 较好地平衡井口的动载变化率, 从而实现常规游梁式抽油机的平衡和节能之目的。
5 方案优点
(1) 整个平衡装置通过在游梁尾部焊接, 结构简单可靠, 不需要改变原抽油机的结构。
(2) 通过建立动力学模型精确设计配重横梁重量, 可以有效改善抽油机在抽油杆上下行程的不平衡度, 提高电机效率。通过改变配重横梁上配重块的位置实现精确调节抽油机的平衡, 与一般平衡装置方案相比, 大大拓宽了调平衡范围, 平衡效果更好, 并且成本较低。
(3) 游梁自动平衡装置可有效地解决常规游梁式抽油机能耗大、调平衡难度大、时间长及工作效率低等技术难题, 增强平衡调节的安全性。
参考文献
[1]方仁杰, 朱维兵.抽油机历史现状与发展趋势分析[J].钻采工艺, 2011, 34 (02) :61-63.
[2]王平, 崔臣君, 刘丽娟等.抽油机平衡度实时测量技术[J].油气田地面工程, 2010, 29 (10) :6-7.
[3]郭登明, 周思柱, 熊大军等.异相游梁平衡抽油机支架的有限元分析[J].石油地质与工程, 2005, 20 (05) :72-74.
[4]苏德胜, 刘先刚, 吕卫祥等.游梁式抽油机节能机理综述[J].石油机械, 2001, 29 (05) :49-53.
[5]刘长胜.抽油机节能现状与降耗措施[J].宁波节能, 2012 (05) :44-46.
篇3：常规型游梁式抽油机的节能改造
游梁式抽油机是机械采油设备中问世最早的抽油机机种, 1919年美国就开始批量生产这种抽油机[1]。由于常规型游梁式抽油机具有结构简单、可靠耐用等优点, 一直占据着有杆泵采油设备的主导地位, 但因其结构特点, 使得在运转过程中出现“大马拉小车现象”, 造成能源浪费[2]。以大庆油田有限责任公司第七采油厂为例, 现有常规型游梁式抽油机975台, 占抽油机装机总量的49.6%。因此, 通过对油田常规型游梁式抽油机的节能改造, 不仅可以节约大量能源, 还可以缓解油田用电紧张状况, 既有经济效益又有社会效益。
为了降低采油厂对电能的投入, 我们积极探讨了老机型抽油机的改造工作, 在老机型基础上进行节能升级改造。在众多节能型抽油机中选择了下偏杠铃抽油机对老机型进行改造, 因为实现这种改造, 老机型变动较小, 容易实施, 且节能效果较好。
2 改造原理
2.1 下偏杠铃抽油机
下偏杠铃抽油机原理图如图1所示, 它与常规型游梁式抽油机的不同为在游梁式抽油机的游梁尾部增加一个下偏重锤。该重锤充分利用连杆、横梁、支架和减速箱间的空间, 其中心应在游梁支撑中心以下。从常规游梁抽油机扭矩平衡曲线图中可见[3], 曲柄平衡扭矩曲线 (如图2) 是一条正弦线, 对称分布, 若没有偏置角, 上、下冲程峰值分别发生在曲柄转角90°和270°;而载荷扭矩曲线 (如图2) 是一条变形的正弦线, 上冲程扭矩变化大, 曲线斜度大, 峰值扭矩发生在曲柄转角60°邻域内, 下冲程扭矩变化比上冲程变化平缓, 扭矩峰值发生在曲柄转角285°邻域内。载荷扭矩曲线的峰值与曲柄平衡扭矩曲线的峰值不对应, 造成净扭矩曲线 (如图2) 的的波动, 上冲程峰值偏向一边, 有负扭矩存在。因此增加一条相应的曲线进行对上述曲线进行复合平衡, 将使得载荷扭矩曲线变得更加合理, 而游梁下偏重锤所产生的平衡曲线能较好的满足这一要求, 该曲线可由下式求出:
式中:TF-减速器扭矩因数, WPC-下偏重锤质量, L-偏锤力矩, 它随游梁摆动变化, L-游梁前臂长。
由于偏锤质量在调整平衡后是常量, 但下偏重锤的平衡曲线是随着减速器扭矩因数和偏锤力矩变化而变化的, 负荷扭矩最大点发生在扭矩因数最大点附近, 因此偏锤平衡扭矩曲线的峰值能与负荷扭矩曲线的峰值相对应, 达到比较好的平衡效果。
2.2 改造实施方案
在相对于常规机节能20%以上的前提下, 为了减少改造工作量, 降低改造成本, 应尽量采用原有部件和结构。因此对常规型游梁式抽油机的节能升级改造是在老机型的基础上, 通过对部分结构进行改进, 改变其传动机构或平衡效果达到节能的目的。
1.悬绳器2.吊绳3.驴头4.游梁5.支架6.横梁7.偏锤8.连杆9.曲柄装置10.曲柄销11.减速器12.底座13.电动机14.刹车
常规机改造成下偏杠铃抽油机结构如图3所示。偏锤抽油机的偏锤采用铸件铸成园饼形状, 采用多块方式, 使偏锤质量可以调节, 通过穿轴固定在钢板上后与游梁连接。
3 改造效果
比较图中两种净扭矩曲线 (如图4所示) , 可以看出下偏杠铃抽油机的净扭矩曲线峰值比改造前的峰值得到了明显的降低, 因此对抽油机的载荷平衡具有良好的平衡效果, 从而达到了抽油机得节能目的。而且净扭矩峰值的降低, 可以大大延长减速器得实用寿命。
参考文献
[1]崔振华, 余国安, 等.有杆抽油系统[M].北京:石油工业出版社, 1994.
