节能技术研发(石化管理干部学院供用电管理培训班讲

大家好我是杨帆，陕西省岐山县人，宝鸡电机厂退休。很抱歉，讲不了普通话，请谅解！不过，听听岐山话，可以体味一下古老历史的语言风味,因为岐山是中华民族周王朝的肇基地，凤鸣岐山的传说、封神演义的故事，就发生在这块神奇的土地上，在这凤鸾和鸣的地方诞生的周文化，是中华民族的奠基文化，一部充满智慧的《易经》，就是周文王姬昌在这里演绎的，后来中国的儒家、道家、墨家等一切文化，都是渊源于《易经》这本著作。岐山话，肯定也是远古周人语言的传承。抽油机节能技术研发--石化管理干部学院油田企业供用电技术管理培训班讲稿杨帆（高级工程师）2013年10月22日前言各位都是来自油田用电管理岗位，抽油机是你们日常用电管理的重点对象。抽油机的技术现状怎样？采油工程节能降耗的出路究竟在哪里？这是各位工作中最大的关注点。人类面对资源环境压力，抽油机已不是当初的能抽油就行的使用理念，节能、耐用，应当是抽油机技术发展的必然趋势。创建节约型采油模式的重大责任，将历史性落在你们肩上。我曾经是一个对采油工作一无所知的人，2002年一个偶然的机会，得知采油所用的抽油机耗电高、效率低，节能降耗是一项重大课题。于是，便产生了琢磨抽油机的念头，这一琢磨就是十年。十年时间都琢磨了些什么呢？这就是我今天要同各位交流的内容：一、抽油机现状的产业观察与分析。二、采油工程节能降耗的技术思路。三、新一代高效节能抽油机研发。三部分内容，实际上是抽油机节能技术研发的一个逻辑过程，观察是为了搞懂改进的对象，继而才能形成正确的技术进步思路和结果。十年时间琢磨的结果是什么呢？就是让已经使用了上百年的《曲柄平衡游梁式抽油机》变个样。究竟变成什么样？让我们先睹为快吧！第一台样机是2003年7月28日安装在子长采油厂7407井（后驱动式）的。这是一台三型机配套2,2kw、4p电机泵挂深度600米日耗电11度日出油2.6吨与原装机对比，节电率68%子长采油厂时任厂长冯对生付厂长吕延生、大队长李志江称赞是：抽油机的革命性创新。这是改进后安装在子长采油厂130丛井的4台四型抽油机试验样机。这是第三次改进后安装在延长油田七里村采油厂的七台三型抽油机试验样机。这是第三次改进后安装在大港采油一厂的4型抽油机试验样机（后驱动式）检测结果：节电率33%增产30%有功功率提高24%工作原理请看这段视频就一目了然减速机带动曲柄轮旋转，通过推拉杆往复运动,推拉曲肘升直或弯曲，使游梁上摆或下摆。游梁上摆运动时，吊坨落体重力施加一提升力矩也使游梁上摆而抽油。游梁下摆运动时，泵杆下落，活塞进油，同时吊坨被提升积蓄位能。以上动作周而复始而实现抽油作业。2011年6月8日，国家知识产权局授予《吊重平衡游梁式抽油机》发明专利。抽油机的实用新型专利很多，但发明专利，仅此一项。在上述试验的基础上，现已基本完成了第四代全系列的定型设计。只所以能有这么个结果的产生，完全来自对产业现状的细致观察与深入分析；完全来自对抽油机工作原理的深度理解与科学改进。下面分三部分来叙述：一、抽油机产业现状的观察与分析抽油机从表象看似一个很简单的粗笨机械，其实不然，从多学科理论视点分析，它涉及机械原理、力学、运动学、动力学、流体学的诸多经典理论；它不光是实现自身的机械运动，而且关联着地下油液的渗透特性和活塞泵的充满度特性；它风吹、日晒、雨淋，是使用条件最苛刻的一种机械。我长期蹲在子长山沟里的抽油机旁，从多视点细心观察、记录、理解、分析，对在用抽油机形成了五个方面的观察发现：第一个观察发现：《曲柄平衡游梁式抽油机》不能实现“动态跟踪平衡”,无功损耗巨大。全世界使用的抽油机，都是美国石油学会的标准设计结构，这个使用了近百年的抽油机（简称常规机），由于不能实现“动态跟踪平衡”，能耗巨大。为什么说能耗巨大？算一笔账就会一目了然！千米吨液应耗多少度电？一吨油从一千米的地下抽到地面,应该需多少功？1000Kgf×1000m=1000000Kgf.m=9.80665MJ(兆焦耳)(1Kgf.m=9.80665J)折合电能是多少？9.80665MJ÷3.6MJ=2.724KW.h,（1KW.h=3.6MJ）即:千米吨液应耗有功电能2.724度。我国千米吨液实际消耗多少度电？据资料介绍,高产井千米吨液耗电在10~20度之间，而低产井千米吨液电耗高达50~60度。就是以最低10度用电来计算，无功损耗占到72%，怵目惊心！算这笔账能说明什么问题？第一、说明电能几乎常年消耗在抽油机的自身运转上。第二、说明采油工程节能降耗的潜力巨大。第三、说明实现“节能降耗目标”，必须从提高抽油机效率入手。是什么原因，造成了采油工程这么巨大的能耗？发现了三个因素：1、抽油机方面：由于不能实现“动态跟踪平衡”，动力的绝大部分功是消耗在克服残余不平衡量上，机械效率极低。2、油井方面：我国油田大多为低渗贫油田，其工况表现为空抽现象严重，泵效低。3、作业方面:①平衡调整作业难度大,调整精度低,机构残余不平衡量大,导致无功损耗大。②抽汲参数调整不合理,没有满足井下液面动态平衡,致使空抽现象普遍,造成大量无功损耗。常规机为什么不能实现“动态跟踪平衡”？以减速机为研究对象，由于负载力矩为一交变的非正弦变化曲线，而曲柄配重的力矩却是正弦曲线，因此，无法拟合全冲程过程中相对稳定的平衡点，运转中出现减速机较高的峰值和较深的谷值（负值）扭矩。动态跟踪平衡效果不好是高耗能的核心！同时研究发现：常规机还存在着三个问题点：问题一、存在一个不能解开的矛盾,就是上冲程时平衡块越重越好,下冲程时平衡块越轻越好，这是个无法调和的矛盾。即使前人想出了用异相曲柄平衡的方式，也不能克服。问题二、曲柄配重形成几何偏心，停机时自然下垂，使机构处于最不平衡的位置，启动惯量极大，为启动势必要配大容量电机，运转时又是大马拉小车，造成很大的低功率因数空载电能损耗。问题三、平衡块是旋转运动,位移轨迹为圆弧,没有100%的回收利用光杆下落的重力功来积蓄位能和释放位能。这就找到了常规机高能耗的根子是：曲柄平衡方式只有改变这种平衡方式，才是节能的正确出路！第二个观察发现：常规机有它绝对科学、合理的重大因素常规机的驱动机构为“曲柄连杆机构”，这种机构使曲柄的回转运动可以转化为连杆的往复运动。曲柄连杆机构还有一个优势？这就是：抽油光杆的上下运动速度曲线为正弦变速运动曲线。光杆正弦变速运动曲线对抽油作业有什么作用呢？其一:这种速度曲线符合液体用活塞泵抽汲理论，即基本能满足活塞充泵、提升、出油的流体学原理，泵效较高。（后面具体讲）其二:在上、下冲程的两个换向拐点，光杆的运行速度、加速度会趋于零，这正好减缓了换向时的动量冲击，能保证平稳换向。第三个观察发现：业界的节能技术路线存在着缺陷。下表是我与业界技术路线的差异：我的技术思路行业技术思路提高抽油机本身机械效率热衷配套变频器和各种拖动电动机采用新的结构来实现动态跟踪平衡效果在曲柄平衡框架范围内搞附加平衡装置在继承游梁机优势的基础上创新抛弃游梁机优势，搞各种无游梁机配套变频装置的技术缺陷变频装置不能解决抽油机本身的机械效率低下问题，它是以调低电源频率而降低电动机转速的办法来减少抽油机冲次，实质是做功少了。调低电源频率,电动机不在额定设计频率下运行，会增加电动机气隙磁通密度，降低功率因数，增加无功损耗。为减少冲次，采用低速多极电动机、或改变电动机皮带轮速比、或采用大速比的减速器，都比采用变频装置好！配套各种高效电动机的技术缺陷抽油机上下冲程运动的负载，对减速机而言是一种变化很大的负载力矩，在360度转角内，电动机除有两点峰值较接近额定功率外，在大多转角内，实际是运行在远离额定功率的工况，负载不匹配，配用任何效率较高的电动机，都不可能有多大效用。为什么说配套高效电动机作用不大？从异步电动机的工作特性曲线可知：效率和功率因数只有在接近额定负载时，才能为最大値，特别是功率因数，当负载不匹配时很低。面对通常负载率不足50%的抽油机，即使配套效率再高几个百分点的电机，起不到多大作用。各种无游梁机的技术缺陷抛弃游梁机，搞各种无游梁机，失去了游梁机曲柄连杆驱动机构的优势，各种无游梁机的匀速运动和频繁换向还造成了新的换向能耗。为什么这样说？物体由静止到运动，需要克服惯性力做功，这就叫启动，电动机的启动电流大约是额定电流的7倍。物体由运动再到静止，这叫做制动，制动更是一种巨大的能耗。让抽油机的拖动动力频繁的工作在这种工况，是一种理论性的错误！大冲程理论的技术缺陷面对低渗油田，推行大冲程理论，忽视了井筒中的动液面保持平衡的问题，忽视了泵效问题，大冲程理论有局限性。为什么说大冲程理论有局限性？计算一下活塞泵的满载容量，做个泵效分析就一目了然已知：泵径=4.4厘米油杆直径=1.9厘米油液比重0.8g/立方厘米计算：100厘米的油柱重量，即一米冲程的满载容量。即：一米油柱的重量近似为1公斤若冲程1米，以每分钟抽6次计算，24小时满载产量就为：6×60×24×1=8640kg假设有50%泵效，日产量也在4吨以上。我国大多低渗透油井的日产量在2吨左右。所以质疑：低产井何必要用大冲程呢？顺便指出，业界认为大冲程机的冲次低，对保护油杆磨损有利，我认为磨损与节能降耗相比不是主要矛盾，况且油杆与导向套始终是浸润在油液中，润滑良好，磨损甚微。本发明同样可以根据需要，轻而易举的设计大冲程参数。第四个观察发现：我国行业标准中的冲程参数比美国API标准都大，额定悬点载荷分等又比API标准少。下表是最大冲程参数比较行业SY/T5044标准美国API标准机型最大冲程相近机型最大冲程8-2.5-182.5C-228-200-741.8810-3-373.0C-228-246-862.1816-4.8-1054.8C-912-365-1443.65注：1Ibf=4.44822N1in=0.0254m冲程大会带来什么问题？1、整机设计高大，动力配置选大，浪费资源。2、空抽多，泵效低，浪费动力。用通俗话讲，小孩能干的活，让大人去干，就是劳力的浪费。冲程参数怎样设计才是合理的？冲程参数应根据油井产量设计最合理。（如一口深井低产井，悬点负荷为11吨，日产量3吨，根据负载可以选12型机，但冲程有1米就足够了）抽油机怎样选型才是合理的？应遵循如下规则：①以油井负载大小选择悬点负荷相适宜的机型；②以油井产量和油液粘稠度选择相适宜的冲程和冲次；③一般在满足油井负载的前提下，稠油井和高产井应选较大冲程，合理冲次，稀油低产井应选较小冲程，合理冲次。我国行业标准中，额定悬点载荷分等跨度太大，选型时只能上靠，这也是一个造成资源浪费的普遍因素。下表是额定悬点载荷参数比较行业SY/T5044标准分等（单位：10kN）美国API标准分等（英镑折算为kN）2，3，4，5，6，8，10，12，14，16，1823.6，24.9，29.8，33.8，39.8，42.3，48.5，52.9，59.2，63.6，77.0，88.4，95.0，109，114，136，162例如，泵挂深度为700米的井，用25kN悬点载荷就可以，因没有这个型号，一般都只有选用30kN的机型了。第五个观察发现：业界没有成熟的节能机型。下面，对行业几个代表机型做个简要节能效果的技术分析双驴头抽油机致命缺陷是：动力绳为软链接，下冲程时减速机不能做功，违背了使上下冲程电动机作功相等的平衡原则，这样，驴头、光杆、油柱合成的重力矩就必须大于配重力矩，从而致使上下冲程的理论平衡点偏移，反而增大了上冲程的残余不平衡量，影响整体平衡效果，节电率受到限制。调径变矩抽油机平衡重是圆弧运动轨迹，不能100%回收光杆下落的重力功，平衡调整作业难度较大，平衡精度不会高，节能效果有限。大港油田直线电机抽油机直线电机本身电气效率很低，在原理上不是节能机型。胜利油田引进的美国皮带抽油机其转动辊筒的驱动，是采用套筒棍子链条传动，链条传动需要优良的润滑环境，在野外使用，很难满足，链条传动也不适合频繁换向的场合，故障率极高，没有跟踪平衡效能节能甚微。胜利油田长环形齿条抽油机采用传统的齿轮齿条传动原理，传动效率虽比链条机高，但没有跟踪平衡效能，谈不上是节能产品。中国