抽油机节能技术研究综述

第 11卷 第 4期 重庆科技学院学报(自然科学版) 2009年 8月 抽油机节能技术研究综述 武卫丽 焦培林 彭利果 刘小红 宋 讳 (西南石油大学，成都 610500) 摘 要：概述目前油田抽油机的节能方法 。分析各种方法的优缺点。主要从节能电机、节能箱等方面阐述抽油机的节 能技术。 关键词 ：抽油机 ；节能技术 ；发展 趋势 中图分类号：TE933 文献标识码 ：A 文章编号 ：1673—1980(2009)04一Ol11一o3 油田开采原油的方法分为两类 ：一类是利用地 层本身的能量来举升原油。称为自喷采油法，常见于 新开发且储量大的一些油田：另一类是到了油田开 发的中后期，地层本身能量不足以使原油产生自喷， 必须人为地利用机械设备将原油举升到地面。称为 人工举升采油法或机械采油法 】]。 目前我国大多数油田已相继进入 了开发的中后 期。油井逐渐丧失自喷能力，基本上已从自喷转入机 采。2000年我国油气田共有抽油机采油井约 8万 口，占油田总井数的90％。在这些机采油井中，采用 抽油机有杆式抽油的占90％。近几年，随着稳油控 水和节能的要求不断提高。各种节能型抽油机和长 冲程抽油机的数量在不断增加。游梁式抽油机是国 内外各大油田的主要机械采油设备。据报道我国抽 油机总数已达 20万 台 ，每天耗 电量超过 0．5× 10SkWh，而抽油机总体效率很低，一般低于30％。如 何节能群 低损耗和提高抽油机械的自动化程度是 油田长期以来需要研究的重要课题。 1 抽油机节能技术及发展概况 1．1l各种节能技术 抽油机节能技术研究 目前主要从以下几个方面 进行[ ]： 。 (1)改进抽油机的结构。通过对抽油机四杆机 构的优化设计和改变抽油机平衡方式来改变抽油机 曲柄轴净扭矩曲线的形状和大小，减小负扭矩，使扭 矩波动平缓，从而减小抽油机的周期载荷系数，提高 电动机的工作效率，达到节能的目的。美国 CMI公 司研究开发了 TORQMASTER异相型抽油机：美国 lin公司开发 了 MARK一Ⅱ型前置式抽油机 ：20 世纪 80年代中后期我国油田使用最多的节能型抽 油机是偏置式节能抽油机 ：1991年华北油 田采油一 厂开发了双驴头节能抽油机。此外，还有偏轮式抽油 机、摆杆式抽油机、下偏杠铃式抽油机、摩擦转向式 抽油机等。 (2)采用节能驱动设备。从研究电机的特性人手， 研究开发新型的电动机，使之与采油井井况相匹配， 进而达到提高电动机的效率和功率因数的目的。即 采用高转差率电动机和超高转差率电动机代替常规 转差率电动机。其他节能驱动设备有节能配电箱、双 功率电动机、蓄能器、调压节能装置、天然气发动机 等。 (3)采用节能控制装置。如 DSC系列抽油机多 功能程控装置、间抽定时控制装置等。 (4)采用节能元部件。如窄 V型带传动和同步 带传动等。 (5)改进平衡方式。如采用气动平衡、平衡相位 角、游梁偏置复合平衡、变矩平衡等。 (6)改进“三抽”系统部件。有采用抽油杆导向 器、空心抽油杆、减振式悬绳器等部件 ，都可提高三 抽系统的工作效率，达到节能的目的。 (7)采用高效节能泵，提高泵效 ，即降低百米吨 耗，实现节能。 总之，近年来抽油机节能技术的研究已成为科 收稿 日期 ：2008—12—20 作者简介：武卫丽(1980一)，女，山西平遥人，西南石油大学在读硕士研究生，研究方向为测控技术及仪器。 ·111· 武卫丽，焦培林 ，彭利果，刘小红 ，宋神 ：抽油机节能技术研究综述 技攻关的方向。以上方法都取得了显著的节能效果， 有的在原有抽油机的基础上加以改造，简单易行．改 造费用低，但是不能从根本上解决抽油机的工作工况， 使之与电动机的工作特性相匹配；有的改变了电动机 的工作特性，使之与抽油机的工作工况相匹配，提高了 电动机的工作效率和功率因数．达到了节能的目的．但 是改造费用太高，不利于大范围的推广。 2 抽油机的电动机节能技术 目前抽油机井上应用的节能技术主要在于地面 部分．并且主要是针对抽油机的结构及其拖动装置 (电机和配电箱)的性能来开展的。游梁式抽油机是 惯性矩较大的机械设备，工作时都是带载起动．因而 起动比较困难。为了满足起动的要求，不得不选配 额定功率较大的电动机来拖动。另外，抽油机的载 荷是带有冲击性的交变载荷．为使拖动抽油机的电 动机稳定运行并具有一定的过载能力，需按抽油机 的最大扭矩来选配电动机 。而抽油机所需 的平均功 率并不大。同时为了防止蜡卡、砂卡等异常工况出 现而导致烧毁电动机，且有意识地选择更大容量的 电动机来驱动抽油机，这些致使拖动抽油机的电动 机长期在低效率、低功率的工况下运转，降低了整个 抽油机系统的效率，不仅浪费大量电能，也使发电、 供电设备的容量增大，从而增加了油田地面建设的 投资和采油成本[3]。 抽油机的电动机主要从三方面实现节能：其一， 人为改变电动机的机械特性，主要是改变电源频率， 以实现与负荷特性的柔性配合；其二．从设计上改变 电动机的机械特性(如高转差率电动机和超高转差 率电动机)，从而改善电动机与抽油机的配合；其三， 提高电动机负荷率和功率因数。 目前主要的节能电机有E4]： (1)超高转差电机。这种电机的转子是一种高 阻转子。利用高阻转子实现软特性．当遇到换向冲 击载荷 时，转速下 降。减速机和电机 的扭矩变化趋 于平缓，峰值扭矩大大降低，从而改善了机、杆、泵的 配合，提高了泵的充满系数，增加产液量，达到系统 节能的目的。这种电机的不足是滑差高，损耗较大， 效率低。 (2)稀土永磁同步电机。稀土永磁同步电机的 转子由稀土永磁 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 和起动鼠笼组成。转子损耗比 普通异步电机小，因此电机本身的效率比普通电机 高约5％。功率因数能达到 0．9以上．其额定运行时 ·112· 机械特性比普通电机还硬。起动电流大，起动过程 中，电机转矩有振荡。稀土永磁电机的价格比普通电 机高约 1倍．并且目前稀土永磁电机经常出现退磁 现象。 (3)双功率电机。双功率电机与普通电机的区别 在于定子绕组不同．定子绕组是一个串联绕组。且绕 组有抽头。控制柜中有一个电流检测电路，并且能够 实现绕组的自动切换。起动时可投人大功率绕组。运 行时可投入小功率绕组。小功率绕组的效率和功率 因数都很高，这样就解决了“大马拉小车”的问题。双 功率电机适合于旧电机节能改造，其缺点是电机的 制造难度和成本增加了。 (4)电磁滑差电机。这种电机实质上是在普通电 机轴与负载轴之间增加一个电磁离合器．其传递扭 矩随电磁离合器励磁电流的大小而变化．励磁电流 是根据电机电流进行反馈控制的。在冲击载荷时．离 合器滑差增大。这使电机与系统达到较好的配合。还 可以实现平滑调速。系统节能除去励磁损耗和滑差 损耗所剩无几，滑差大时耗能多。另外电磁离合器和 励磁控制系统的成本比电机还高。目前这种电机主 要是解决低冲次的问题。 (5)变频调速电机。这种 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 是在普通电机的电 源上加一个变频器 ，可以降低电机的容量 。负荷率 得到较大提高，电源功率因数接近 1，可以调整上、 下冲程的速比，能改善抽油机系统的配合，还可以 实现平滑调速。缺点是抽油机发电时不能回馈，要通 过电阻把发电能量放掉．低冲次时电机和变频器发 热严重．起动转矩和过载能力不大。另外，一次性投 人大，现场管理难度大，而且变频器本身也有功率损 耗，变频器的谐波对电网有影响。并会使电机附加损 耗增大。 黪 (6)绕线式异步电动机 5]。在普通绕线式异步电 动机(YZR系列)转子滑环的输出引线端接一个三 相整流桥，整流桥后接一大功率电阻。电阻两端并联 一 个 电力电子开关(IGBT)。这种电动机的优点是 启动电流小，约为额定电流的 210倍 ，而且启动转 矩大，但电阻损耗和器件损耗比超高转差电动机低， 而且损耗是在电动机外部，电动机不会过热。但其成 本比同功率的普通 Y系列电动机高约 8O％。 主要的节能配电箱有以下几种[ ]： (1)定子绕组 Y一△转换调压。电机正常运行时。 定子绕组为△接法，起动时为 Y接法。起动时绕组 电压为电网额定线电压的七 ，起动后电压降低， 、／3 武卫丽，焦培林，彭利果，刘小红，宋袢：抽油机节能技术研究综述 待接近额定转速时，定子绕组转换为△接法，控制简 单，但每次起动需要人工干预，减压范围一定，用途受 到限制。 (2)电容器动态无功补偿及静态无功补偿。无 功补偿的基本原理是把容性负荷与感性负荷并联在 同一个系统中，能量在两者之间互相转换。这样，感 性负荷所需的无功功率可由容性负荷提供 。功率因 数提高，无功损耗减小 ，设备的有功功率提高，功率 损耗和电能损失降低。电容补偿起动的优点在于， 起动时电动机的端电压不降低同样可以减小起动电 流。而起动转矩不变，缩短了起动时间。 (3)可控硅调压(软起动)0一般称之为电机的 软起动。通过采用晶闸管调压电路来控制电压的大 小。虽然采用双向晶闸管实现了定子电压随负载变化 的连续调节，节电效果较好，但是电源电流波形发生畸 变。电网谐波污染严重，另外在油田的恶劣环境下，其 可靠性等都受到制约，且结构复杂。成本较高。 (4)液态电阻软起动。在起动过程中，将可变电 阻串人定子，实现限流，在起动完成后将它短接。电阻 的可变性是靠改变电解液电阻箱的极板距离实现的。电 解液电阻箱串人定子的方法在本质上属于降压起动。它 是以牺牲起动力矩为代价的。优点是成本低，易于维护， 工作环境要求不高；缺点是体积大，占地面积大。 (5)变频电源。随着大功率半导体器件的发展， 研制具有高性能价格比的抽油机专用变频电源是有 发展前途的油田节能产品。如采用基于双 P W M变 频电路的电源系统，实现电能的双向流动，同时具有 输入功率因素校正作用。其缺陷是设备成本较高，控制 系统复杂。在油田的恶劣环境下工作，其可靠性、防盗 等都成问题。 3 智能化抽油系统和抽油机变频控制技术 美国、加拿大、挪威等国的电驱钻动机变频调速 技术一直处于领先地位，我国在这方面和国外有很 大差距。但我国抽油机变频调速技术目前处于国际 前列。如数控抽油机的研发与诊断、智能抽油机的研 发与应用。智能化抽油系统中应用的技术一般包括 变频调速技术、过程控制技术、现代电力电子技术 、 可编程控制器和单片机等。采用变频技术的智能控 制系统可充分发挥变频调速的优势。直接应用在现 有游梁式抽油机的升级改造上，并根据井下供液情 况。自动调整抽油井工作制度，使游梁式抽油机的固 定动态特性变为可根据油井开采情况自动调节的可 变动态特性．提高泵充满系数及排量系数，达到节 能、增产、无级调速的效果。变频控制技术应用在抽 油机上 。能使抽油机一抽油杆一抽油泵达到动态协 调。使有杆抽油系统和油井供液系统达到动态协调。 当前抽油机变频控制技术主要有数控抽油机和智能 抽油机。数控抽油机彻底抛弃了游梁抽油机，从变频 控制系统、传动系统到机械结构等方面进行重新设 计制造：智能抽油机是在继承了游梁抽油机诸多优 点的基础上，应用变频控制技术控制游梁抽油机。由 于受到诸多因素的影响。变频控制技术在抽油生产 设备上尚未大规模推广。但长远来看变频技术在油 田仍有着广阔的应用前景。再生电能的回馈抽油机、 井 自行检测和调控、提高智能控制装置的可靠性和 适应性、闭环控制中央监控、研制专用变频器等将是 抽油机变频控制技术的研究方向。 4 结 语 国内外抽油机技术发展的总趋势可以归纳如下c7]： (1)朝着自动化、智能化方向发展。国外研制的 自动化抽油机和智能抽油机，具有保护、报警功能， 可实时测得油井运行参数，及时显示与 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 ，并通过 计算机进行综合分析，得出最优工况参数，使抽油机 以最优工况进行抽油。 (2)朝着高适应性方向发展。由于各油田的地质 储油构造、石油成分、比例以及其伴生物不同，再加 上各国的技术水平与工业基础不同，为了适应各油 田抽油的需要．需研制不同性能的抽油机。 (3)朝着节约能耗方向发展。为了节约能耗、提 高采油经济效益 。国外研制与应用了许多节能型抽 油机 ，实践效果 良好 。 (4)朝着精确平衡方向发展。国外很重视改善与 提高抽油机的平衡效果 ，并取得了可喜 的进展 ，先后 研制与应用了各种精确平衡抽油机。 (5)朝着无游梁长冲程方向发展。由于采油工艺 发展的需要，国外研制与应用了各种各样的长冲程 抽油机。归纳起来，长冲程抽油机有 3类，即增大冲 程游梁抽油机、增大冲程无游梁长冲程抽油机、长冲 程无游梁抽油机。 (6)朝着大型化方向发展。国外出现了各种大载 荷抽油机、长冲程抽油机、低冲程抽油机，在采油实 践中，取得了较好的使用效果和较好的经济效益。 总而言之，抽油机将朝着节能降耗并具有自动 (下转第 139页) ·113· 杨丰瑞，盛魏巍，李校林：认知无线通信中的排队过程 5 结 语 从图4中可看出信道和服务强度的变化对一 个用户到达需要等待概率的影响。(I)当信道数 不变 ，服务强度增加时 ，一个用户到达需要等待 概率将增大 ；(2)而服务强度不变 ，信道数增加 时，一个用户到达需要等待概率减小 ；(3)当信 道数增加 。服务强度增加 。用户等待概率变化是 不定 的；(4)当信道数减小 ，服务强度减小 ，用户 等待概率变化也是不定的；(5)信道数减小 ，服务 强度增加 ，相当于信道数保持不变 ，只增加服务 强度 ，等同于情况 (1)；(6)当信道数增加 ；服务 强度减小，相当于服务强度不变 ，信道数增加 ， 等同于情况 (2)。 在 M／M／C中，P值大表明离开率高，同样时间服 务人数增加，每人所得时间变短，所以服务质量差， 而p值小则刚好相反，所以P和 C值的变化影响着 接人用户的数量和资源提供服务的质量。 参考文献 [1】Xing Y，Chanddramouli R，Mangold S，et a1．Dynamicspec— trum Access in Open Spectnma Wireless Networks[J]．IEEE J．Se1．Areas 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【l】邬亦炯．有杆抽油设备与技术：抽油机[M】．北京：石油工业 出版社 ．1994． [2】张 自学．国内外新型抽 油机[M】．北京 ：石油工业出版社， 1994． [3]邓素玉，郭春声．节能降耗技术在抽油机井上的应用[J]．中 外能源，2008，13(2)：109-l12． [4]白连乎，王玉生．游梁抽油机节能电机选择方法的讨论[J]． 钻采工艺，2007，30(2)：94—95． [5]白连平，马文忠．关于游粱式抽油机用电动机节能的讨论[J】． 石油机械，1999，27(3)：41-44． 【6】赵鹏飞．油田抽油机节能方式综述及解决方案[J]．科技资 讯．2007(6)：96-97． [7]曲刚，孙永兴．抽油机智能化变频控制 系统的应用现状【J]． 变频器世界，2005(5)：72-75． [8】崔振华’余国安．有杆抽油系统嗍 ．北京：石油工业出版社，1994． 【9】兆文清．抽油机及其节能技术[M】．北京：北京科学技术出 一 版 社 ．1990． · Energy Saving Technology of Pumping Unit ’ e 一 ． _A 0 Pe —Z n PENG Li-guo LIU Xiao-hong SONG Yi (Southwest Petroleum University，Chengdu 6 1 0500) Abstract：An overview ofthe current oil field pum ping unit ofenergy-saving methods，to analyze the advantages and disadvantages ofvarious methods．From electrical energy and energy．saving box，the article elaborates pum ping un it energy -saving technology and introduces the latest developments ofmodern energy -saving techn ology ． Key words：pumping unit；power saving；trending of develo[’ment · 139·