新型抽油机发展现状及其评价

新型抽油机发展现状及其评价主讲李树臻第一节概述抽油机-抽油杆-抽油泵(简称三抽设备)是机械采油的重要设备.据统计,我国的机械采油设备采油井占总井数的900/0,其中三抽设备占油井总数的800/0所采产量占总产量的750/0。美国的机械采油设备采油井占总井数的950/0，其中三抽设备占油井总数的850/0，所采产量占总产量的700/0。抽油机研究现状国内外对抽油机的研究从未间断。新的传动原理、设计方案和新的机型不断出现。国外，以美国为代表的石油设备生产国，抽油机生产制造研究逐步向几个大公司靠拢.。研究主流主要向技术统一化、生产模块化、产品系列化和标准化方向发展。新型抽油机出现较少。我国，抽油机生产厂家众多，生产能力严重过剩。促使抽油机生产企业为提高技术含量、开发新产品而增加投入。使抽油机的研究力量不断增强，抽油机的研究成果不断涌现。主要研究方向是：1．提高冲程，降低冲次；2．节能抽油机；3．自动化和智能化控制。第二节游梁式抽油机节能原理与技术改造一、梁式抽油机的工作特征二、抽油机的节能途径分析三、梁式抽油机的节能改造一、游梁式抽油机的工作特征1、结构特点由四连杆机构实现运动的转换，将电机的旋转运动转换为光杆的上下往复直线运动。如图3所示。图3游梁式抽油机结构简图2、运动特征悬点的运动为周期性的变速运动。在一个抽油循环中，加速度接近余玄规律变化。如图4所示图4悬点加速度曲线3、负荷特征游梁式抽油机悬点负荷的变化规律可用悬点的示功图表示，如图5、6所示。图5静力示功图图6动力示功图4、游梁式抽油机曲柄扭矩的变化规律（1）作用在曲柄上的负荷扭矩MpMp＝（P悬－B＋）＝TF（P悬－B＋）（20）式中TF－扭矩因数，为只与抽油机几何尺寸和曲柄转角φ有关的正弦函数。扭矩因数曲线为一条正弦曲线，但与标准正弦曲线的平衡扭矩曲线超前一个相位角。sinsinbarbbaJbbaJbLJLbJrKrJJLbLJbarTF2arccos2arccos2arccossinsin222222222P悬－悬点载荷，其变化规律如图示功图所示。B－结构不平衡重。是指当摘开曲柄连杆销后，为使游梁处于水平，需要在悬点上所施加的力。重力方向为正。Jb－为游梁、横梁、连杆组件的转动惯量。εb－游梁的转动角加速度。可见抽油机曲柄的负荷扭矩变化规律基本上为一条上冲程振幅大、下冲程振幅小的正弦波。但其上冲程的扭矩峰值较标准正弦波超前，而下冲程的负峰值则滞后。这主要是由于抽油机的悬点负荷特点造成的。（2）曲柄的平衡扭矩M平M平＝Q曲R曲sinφ-Jpε＝Mmaxsinφ-Jpε式中Q曲、R曲－分别为曲柄平衡重和曲柄平衡半径。Jp－曲柄组件的转动惯量。ε－曲柄的转动角加速度。Mmax－最大曲柄平衡力矩。Mmax＝Q曲R曲。曲柄的平衡扭矩曲线几乎为一条标准的正弦曲线。（3）曲柄净扭矩MM＝Mp－M平1．净扭矩2、负荷扭矩3、平衡扭矩图7扭矩曲线曲柄净扭矩M的特点：a、在整个工作循环中，始终是变化的。且脉动值很大。b、在整个工作循环中出现两次负扭矩。两个最大扭矩峰值分别出现在上、下冲程静变形结束后的一瞬间实例例：某井抽油机机型为CYJ-10-3-48B，P悬max=4375kg，P悬min=l483kg，P悬均=2744kg，冲次n=8，冲程S=3m。最大正扭矩26980.44N·m，最大负扭矩4697.62N·m，平均扭矩7951.44N·m，平均功率8.59kW，最大加速度1.55m／s2。计算结果表明a、抽油机扭矩的脉动幅值很大，本例为平均值的3．39倍。脉动大的结果是载荷峰值大而平均载荷低，现场测试抽油机适配电动机的负荷率在20％左右。但为了满足最大负荷的要求，不得不配用大功率电机，即所谓“大马”拉“小车”。在这样的负荷率下，效率再高的电动机的实际效率也只有80％左右。图8电机负载率与电机效率的关系曲线b、扭矩脉动大同时使电流脉动大，电流均方根值大，额外增加了电流流经导体的有功损失。也使电机效率降低。c、脉动大的另一后果是使抽油机机体尺寸加大，振动加大，寿命降低。d、值得注意的是抽油机存在负扭矩，一个周期中一般出现两次，如图7所示。负扭矩的出现使电动机进入发电状态运行，向电网充电。研究结果表明，这种向电网反充电的工况不但使电能利用率降低，而且由于充电相位不可能与电网相位完全同步，而使充电电能不可能完全转变成为有用电能。二、抽油机的节能途径分析1、节能目标节能的目标是提高效率，降低能耗。提高抽油机井系统效率的首要问题之一是提高地面部分的的效率ηs，也就是提高整个抽油机系统的效率。2、节能途径（1）提高从悬点到电机各部件的传动效率。这方面主要由抽油机的设计、制造、安装、调试、维护、保养等各个技术环节最优化操作完成，这里不作赘述。（2）提高电机的实际工作效率η1。这是最引起人们重视的关键节能技术环节。由前面的论述可以得出结论：提高电机的实际工作效率η1的方法有：a、改造电机的结构，使之具有适应脉动负荷的输出特性；设计适应抽油机工作特点的新型节能电机。b、改善电机的扭矩负荷，使之尽可能的平稳，使电机处于高效区内工作。c、以上两种方法同时进行。3、使抽油机曲柄净扭矩的变化平稳的技术途径分析由图7和公式（20）、（21）、（22）可以得出如下几条技术途径：（1）使曲柄负荷扭矩Mp曲线尽可能的接近曲柄平衡扭矩M平曲线的变化规律，使净扭矩M=Mp-M平在每个瞬时趋向均匀。具体方法有：1)优化运动转化机构的结构和各杆件几何尺寸，使TF·P悬的变化规律尽量接近正弦变化规律。如六杆抽油机、摆杆式抽油机、双游梁式抽油机等。2)优化运动转化机构的结构和各杆件几何尺寸，使悬点上冲程前半段（悬点静载荷最大时）的加速度减小，从而减小该时刻的惯性载荷，达到平稳载荷的目的。如非对称循环的“慢提快放”的异相机、前置机等。（2）使平衡扭矩M平变化规律接近于负荷扭矩MP的变化规律具体方法有：1）改变平衡扭矩的相位角。如异相机、前置机等。让曲柄平衡重偏置，使平衡相位提前一个相位角，以便使平衡扭矩峰值与负荷扭矩峰值同时产生，达到最好的平衡效果。2）采用变力矩的游梁平衡，拟合负荷扭矩MP的变化规律，在负荷扭矩最大时产生最大平衡力矩。如油量偏置负荷平衡抽油机、气动平衡抽油机等。（3）利用高转差率电机配合较大的旋转惯性件削减负荷的脉动幅。高转差率电机的特点是载荷增大时，转差率增大，电机的实际输出转速不得不降低；而较大的旋转惯性力总是抵制这种变化，帮助电机克服这种增大的载荷。使电机的实际载荷趋向平缓。与普通电动机相比，在同样油井工况下，使用超高转差率电动机的电流和功率曲线平均值明显减小，曲线波动明显平坦。但由于超高转差率电动机的工作效率比普通电动机低，使抽油机系统效率的提高和节能效果有限，许多工况下不节能，只在配有较大的旋转惯性件或轻负荷工况下才有一定的节能效果。另外超高转差率电动机价格较高也是其不能推广应用的一个重要因素。第三节节能改造的游梁式抽油机（一）异相曲柄平衡式抽油机图141、通过杆件设计优化实现“慢提快放”，2、通过改变抽油机杆件的配比，使运动规律发生变化，以减少载荷扭矩曲线的上下峰值差。异相机是20世纪80年代发展起来的，采用非对称循环机构，使游梁在上下死点时，连杆两个位置之间存在约120的相位夹角。曲柄上冲程的转角增加120，为1920；曲柄下冲程的转角减少120，为1680。这种机构具有“急回特性”：一是上冲程的曲柄转角大于下冲程的曲柄转角，上冲程时间长，速度慢，加速度就小，从而使上冲程中载荷扭矩曲线的上峰值减小；同时也相应地缩短了下冲程的运行时间，增大下冲程后半段的加速度变化幅度，从而使扭矩曲线的上峰值增大；二是改变了载荷扭矩曲线的形状，使其波形尽量向正弦波靠近。（二）偏轮游梁抽油机图15偏轮游梁抽油机结构示意图l－悬绳器总成；2－吊绳总成；3－驴头总成；4－游梁总成；5－支座总成；6－操纵杆总成；7－横梁总成；8－偏轮总成；9－连杆总成；l0－曲柄销总成；l1－减速箱总成；12－刹车总成；13－电动机总成；14－底座总成；15－曲柄总成；16－支架总成偏轮游梁式抽油机(以下简称偏轮机)是为了满足油田和用户的需要，由华北石油管理局第二机械厂研制出的一种新型节能专利产品，该机是在异相游梁式抽油机(以下简称异相机)的基础上发展的一种六连杆机构。偏轮机杆件均为刚性连接，保留了常规机的特点，节能15％～30％。现以CYJPl2－4.8-37HB型偏轮机为例，对其自身特点进行分析。与常规机相比，偏轮机结构有3点不同①在游梁尾部装有一个偏轮；②在偏轮与游梁中心支架之间增设推杆；③在游梁尾部、横梁、推杆与偏轮之间用轴承连接。(2)偏轮机运动特性分析。偏轮机利用了变矩节能原理当曲柄旋转时，依次带动连杆、横梁、偏轮和游梁运动。偏轮相对游梁摆动，摆动规律由推杆确定。正是由于偏轮摆动的作用，使游梁后臂的有效长度和游梁摆动的角速度均随着曲柄转角的变化而变化，游梁后臂的变化规律与悬点载荷的变化规律基本一致，接近正弦规律且与曲柄平衡扭矩相对应，从而使曲柄轴净扭矩波动较小。扭矩因数与扭矩曲线偏轮机从修正悬点运动速度人手，使扭矩因数曲线接近正弦曲线，并且该曲线与曲柄平衡产生的正弦曲线谷峰值较好地吻合，因此经叠加后的曲柄轴净扭矩消除了负扭矩，曲线变得非常平缓，上下冲程中各有一段近似直线，并且占据了整个循环周期的大部分范围，因此决定了周期负载系数低，曲柄轴净扭矩均方根值小图16扭矩因数与扭矩曲线（三）游梁偏置复合平衡图18游梁偏置复合平衡简图不改变常规机的结构，在游梁尾部增加固定偏置平衡装置，其重心相对游梁下偏一个角度ε，叫做游梁平衡重偏置角，在运行中，游梁偏置平衡重心的运行轨迹是一段圆弧，当平衡重偏置角ε合适时，悬点载荷最大时，平衡重心处于游梁回转中心的水平线上时，其重力矩最大；当悬点在上死点时，重心靠近游梁回转中心的垂直线，其平衡重力矩最小。利用这一变矩原理与曲柄平衡复合作用，可有效削减悬点载荷峰值扭矩，改善曲柄平衡游梁抽油机的曲柄轴净扭矩曲线的形状和大小，使其波动平缓，且能消除负扭矩，从而减小抽油机的周期载荷系数，提高电动机的工作效率。图19曲游梁抽油机随着ε大小的变化，游梁偏置复合平衡扭矩M平随曲柄转角θ变化的趋势不同。为了与各种不同杆件长度组合的四连杆游梁机的结构相适应，只需改变ε的大小，ε可以根据不同规格型号的游梁机通过复合平衡优化计算来确定。把游梁机改造成游梁偏置复合平衡游梁抽油机实现节能，具有结构简单，制造容易，仅增加一个无运动件的刚性平衡装置，本身无需维护保养，调平衡方便，完全继承了游梁机的全部优点。与曲柄平衡游梁机相比，节电率在15％以上。优点：曲柄、连杆等构件受力减小，可靠性相对提高，程冲相对加大。上冲程终了时,游梁平衡块处于比较低的位置，并且单块重量轻,便于平衡调整。曲柄平衡块的重量减轻,便于现场调整。保留了常规机的优点,是一种比较理想的节能型抽油机。（四）悬重偏置游梁复合平衡图20悬重偏置游梁复合平衡1一曲柄；2一连杆；3一驴头；4一游梁；5一后驴头；6一偏置平衡重；7一悬挂平衡重其结构特点是：(1)易调悬挂平衡重采用重块下调和轻块上调的悬挂平衡方式，由1个基本块、3个重量不等的配重块和25个调整块组成整体，用钢丝绳悬挂于后驴头，配重块用3个螺栓依次固定在基本块下端，同时配有托架以便于现场调节。(2)偏置平衡重为杠铃式结构，主要由心轴、平衡块、锁紧螺栓等组成，平衡块做成薄片状，易于调节。随着游梁的上下摆动，偏置平衡重的力臂可在2m左右的范围内变动。（五）游梁机加装摆杆是吉林大安石油机械厂在1998年研制成功的新型游梁式抽油机.目前,在东北各油田已有200多台的用量,受到油田的欢迎和制造厂的重视.1．结构特点在常规机的曲柄与连杆之间增加一对槽形摆杆称为摆杆式游梁抽油机(以下简称摆杆机)，是一种新型节能抽油机，其特点是将曲柄摇杆机构，与常规机的四