整机重量减少20%,加之井下负压等使电动机处于发电状态

10月28日,濮阳市科技局组织有关专家对河南双发石油装备制造股份有限公司承担的科技型中小企业技术创新基金项目双驴头精平衡节能型游梁抽油机进行了验收。验收组专家通过听取汇报、审查财务报表、质疑答辩和现场考察,一致认为该公司项目完成了合同规定的各项指标,顺利通过验收。

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双驴头精平衡节能型游梁抽油机是2011年国家创新基金项目。该项目产品在游梁抽油机的基础上引进机电一体化技术改型设计,优化了常规抽油机庞大复杂的传动系统,提高了传动效率。该产品集成油井数据采集模块,实现了抽油机自动调节平衡,自动调节冲次。现场安装和数字化建设安装同步进行,节约了建设成本,缩短建设周期。同常规抽油机相比,整机节电率可达到30%以上,整机重量减少20%,节约了钢材,减少了能源的消耗和废气排放,符合国家节能减排政策。该项目在执行期间共取得发明专利3项,实用新型专利6项,累计实现销售收入5495万元,累计实现利税529万元。

游梁式抽油机即磕头机是油田广泛应用的传统抽油设备,通常由普通交流异步电动机直接拖动。其曲柄带以配重平衡块带动抽油杆,驱动井下抽油泵做固定周期的上下往复运动,把井下的油送到地面。在一个冲次内,随着抽油杆的上升/下降,而使电机工作在电动/发电状态。上升过程电机从电网吸收能量电动运行;下降过程电机的负载性质为位势负载,加之井下负压等使电动机处于发电状态。

提高有杆式抽油机的冲程无疑会带来许多益处。然而,通过直接增长游梁来提高抽油杆冲程,将使游梁抽油机过于庞大。另外在常规游梁抽油机中,采用联接到曲柄一端的平衡重来减小曲柄驱动力。当冲程增加后,也须增加平衡重质量,这不仅增大了抽油机系统的水平动载荷,也增大了曲柄摆杆机构尺寸和复杂性,不利于抽油机系统的平稳运行。因而如何对常规游梁抽油机进行改造来提高其冲程并减小驱动力和整机体积,一直是采油研究人员研究的目标。综合考虑上述因素、实际工况和制造成本,笔者在常规游梁抽油机曲柄摆杆机构的基础上采用平面连杆系统综合法构造出以下2种集增程、机械换向和驱动力平衡功能为一体的机构,来提高抽油机冲程和减小曲柄驱动力矩,并针对每1个方案作了受力分析和冲程计算,推导出了抽油机冲程、
平衡重质量及驱动力计算式, 最后对各个方案作了比较和分析。

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然而,井下油层的情况特别复杂,有富油井、贫油井之他,有稀油井、稠油井之别。恒速应用问题显而易见。如抛却这些不谈,就抽油机油泵本身而言,磨损后的活塞与衬套的间隙漏失等都是很难解决的问题,况且变化的地层因素如油中含砂、蜡、水、气等复杂情况也对每冲次抽出的油量有很大的影响。看来,只有调速驱动才能达到最佳控制。

1 增程与驱动力平衡机构方案1的综合

引进调速传动后,可根据井下状态调节抽油机冲程频次及分别调节上、下行程的速度,在提高泵的充满系数的同时减少泵的漏失,以获得最大出油量。尤其是彩变频调速既无启动冲击,又可解决抽油机能力过剩、负荷率偏低、功率因数偏低等问题,获得节能增效的同时又能提高整机寿命。

采用逆向综合法,由自由度为1的可行平面连杆系统中,采用10杆平面连杆系统
(2个四元杆、2个三元杆、6个二元杆和13个单铰点)如图1a所示,构造出双游梁式抽油机增程与动力平衡机构方案1如图1b、c所示。在此10杆平面连杆系统中,用三元杆1和2分别取代机架和曲柄,用四元杆4和6分别取代上游梁和下游梁,用二元杆3,5,7,8,9和10分别取代上连杆、下连杆、牵引带、导向轮、平衡带和平衡轮。为了简明表示平面连杆系统的运动功能,只考虑机构中反映运动特性的上述主要运动元件,不必考虑次要运动元件平衡重、抽油杆和辅助平衡重,并用2个曲线箭头分别表示运动的输入和输出端。

在诸多的调速传动方案中,比较常见的是间歇工作节能型,动态调压调速节能型及变频器调速节能型产品。

图1 方案1的平面连杆系统 (a) 和双游梁抽油机示意图 (b、c)

间歇工作节能型产品主要是针对贫油井、老油井等产量小甚至有空抽的具体情况而采用的。用微处理技术配合液量传感器,对小于经济液量的油井实行停机处理,采用简单的Y/△变换自动开停,以保证开机时抽油机的最大效率,同时避免低效抽取,节约电能。

方案1的增程与驱动力平衡机构的原理和特点说明如下:方案1是由常规游梁抽油机的上、下曲柄摆杆机构、左侧平衡重带轮增力机构和右侧带轮增程机构综合而成。其中上曲柄摆杆机构是由机架1、曲柄2、连杆3和上游梁4构成了四杆机构,实现上游梁的摆动。下曲柄摆杆机构是由机架1、曲柄2、下连杆5和下游梁6构成了四杆机构,实现下游梁相对上游梁的逆向摆动。左侧平衡重带轮增力机构是由平衡重、平衡轮、上下游梁、平衡带及机座构成。平衡轮与上游梁左端铰接,平衡带两端分别与下游梁左端和平衡重联接且绕过平衡轮。
当上下、 游梁摆动时,
平衡重随平衡轮作上下运动,并借助平衡轮和平衡带将平衡重的2倍和1倍质量力分别加到上游梁左端和下游梁左端,从而使上下冲程的曲柄驱动力矩达到均载,且远小于平衡前曲柄驱动力矩。右侧带轮增程机构是由牵引带、导向轮、上下游梁和机座构成。导向轮与上游梁右端铰接,牵引带两端分别与下游梁右端和抽油杆联接且绕过导向轮。当上、下游梁逆向摆动时,抽油杆随导向轮作上下运动,由导向轮行程倍增功能和上、下游梁逆向摆动增程功能使抽油杆冲程增加了3倍。该抽油机系统的特点在于利用了曲柄摆杆机构机械换向功能、平衡重带轮增力机构的增力平衡功能和带轮增程机构的增程功能实现平稳机械换向,并用较小驱动力获得较大的冲程。在方案1中,可以用2个并列布置减速器的双出头式输出轴与2个曲柄固连,由1个电动机通过皮带传动驱动2个减速器的输入轴同步转动,
使得结构简单紧凑, 如图1c。

动态调压节能型产品是根据抽油机上下行程负荷变化,即时调节电动机电压,使抽油机工作能力始终与实际负荷相匹配,从而最大限度地达到节能目的。

2 驱动力参数与增程系数的计算

以上产品与变频调速器相比,节能效果相对较差,因此用变频调速改造采油设备势在必行。

2.1 连杆驱动力与工作载荷的关系
当抽油机的上游梁绕塔架铰点逆时针和顺时针摆动时,抽油杆分别作上冲程运动和下冲程运动,系统的受力情况如图1b所示。由力平衡条件可求得:

针对油田抽油机,本公司先后推出下述变频节能型产品

Fu1a=Wu(1+1/η)b-m1(g-a0)(1+η)c,Fu2a=Wu(b/η)-m1(g-a0)c.η,Fd1a=m1(g+a0)(1+1/η)c-Wd(1+η)b,Fd2a=m1(g+a0)(c/η)-Wdb.η。

WIN-9U能量回馈单元WIN-9E双PWM电网能量回馈型变频器WIN-PSS抽油机智能高效节能增产控制系统

式中,Fu1和Fd1分别为抽油杆上冲程和下冲程时方案1中的上游梁与上连杆垂直方向的驱动力;Fu2和Fd2分别为抽油杆上冲程和下冲程时方案1中的下游梁与下连杆垂直方向的驱动力;Wu和Wd分别为抽油杆上冲程和下冲程光杆的工作载荷;m1是方案1中的平衡重质量;a是连杆与游梁铰点至塔架铰点的距离;b是导向轮中心至塔架铰点的距离;c是平衡轮中心至塔架铰点的距离;
g是重力加速度; a0是平衡重运动加速度; η是导向轮和平衡轮的效率,η=0.97。

2.2 平衡重质量、抽油杆上升的冲程和驱动力
为了减小曲柄驱动力矩,应保证游梁摆至水平位置时,抽油杆上冲程和下冲程时曲柄驱动力矩相等和同向,即应满足平衡条件:Fu1+Fu2=Fd1+Fd2。由此可得到方案1的平衡重合理质量m1计算式: