淺析寬帶鏈條換向抽油機(jī)半直驅(qū)改造及其節(jié)能降噪效果測(cè)試

叢巖，路輝，叢峰，常國(guó)旭，高中正

（1.中國(guó)石化勝利油田設(shè)備管理部；2.中國(guó)石化勝利油田分公司勝利采油廠，山東 東營(yíng) 257000；3.中石化新疆新春石油開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，新疆 塔城 834700；4.山東創(chuàng)新石油技術(shù)有限公司，山東 東營(yíng) 257000）

1 引言

對(duì)于油田采油廠來(lái)講，抽油機(jī)的工作效率及運(yùn)行狀況直接關(guān)乎油田的生產(chǎn)效益，因此，如何提升抽油機(jī)的工作能力并保證其長(zhǎng)壽命周期穩(wěn)定運(yùn)行是至關(guān)重要的。

傳統(tǒng)的抽油機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式為三相異步電機(jī)通過(guò)三角帶與減速箱連接，然后通過(guò)減速箱的輸出軸將動(dòng)力傳遞至驅(qū)動(dòng)鏈條，這種方式動(dòng)力傳遞環(huán)節(jié)太多，必然會(huì)影響其傳動(dòng)效率，研究發(fā)現(xiàn)其傳動(dòng)效率僅為14.7%。除此之外，傳統(tǒng)抽油機(jī)所使用的三角帶壽命低，更換頻率高，而且其張緊力需要及時(shí)調(diào)整，其張緊力過(guò)小容易出現(xiàn)打滑現(xiàn)象導(dǎo)致傳動(dòng)效率降低，張緊力過(guò)大則會(huì)加劇其摩擦損耗；另外，減速箱的存在大大增加了維修保養(yǎng)成本和停機(jī)檢修成本，而且其運(yùn)行產(chǎn)生的噪音污染也是不可避免的。

針對(duì)勝利油田抽油機(jī)上述缺憾與不足，本文提出了“半直驅(qū)式”驅(qū)動(dòng)改造方案，取消原來(lái)的三角帶、機(jī)械換向及減速器機(jī)構(gòu)，采用永磁同步電機(jī)與同步帶傳動(dòng)的方式，將同步帶輪的輸出軸直接與驅(qū)動(dòng)鏈條連接，減少了傳動(dòng)環(huán)節(jié)，提高了傳動(dòng)效率。與此同時(shí)，共直流母線技術(shù)與超級(jí)電容的設(shè)計(jì)與應(yīng)用進(jìn)一步降低了能耗，該技術(shù)在東辛采油廠應(yīng)用后，單機(jī)每日平均耗電量從原來(lái)的140kW·h降低為80kW·h，具有良好的節(jié)能效果。

2 改造方案的確定

為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能、降噪、提高傳動(dòng)效率、降低維修保養(yǎng)頻率及成本的目的，本次整體的改造升級(jí)方案共包括兩部分，首先是動(dòng)力及傳動(dòng)部分的改造，其次是超級(jí)電容和直流母線技術(shù)的應(yīng)用。

2.1 皮帶式抽油機(jī)工作原理

油田現(xiàn)有的皮帶式抽油機(jī)主要是通過(guò)三相異步電機(jī)與減速器連接，減速器輸出端與機(jī)架內(nèi)傳動(dòng)鏈連接以實(shí)現(xiàn)抽油桿的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，圖1所示為現(xiàn)有的皮帶式抽油機(jī)的整體結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)部分結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 皮帶式抽油機(jī)整體及動(dòng)力部分結(jié)構(gòu)示意圖

三相異步電機(jī)經(jīng)減速器后，將動(dòng)力輸出至下鏈輪從而驅(qū)動(dòng)鏈輪及傳動(dòng)鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)，由于皮帶式抽油機(jī)傳動(dòng)鏈條始終保持同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)，為了實(shí)現(xiàn)井下抽油桿及其配套工具的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，采用了曲拐與滑車架相結(jié)合的機(jī)械式換向結(jié)構(gòu)，圖2所示為機(jī)械換向結(jié)構(gòu)示意圖。曲拐頭部與傳動(dòng)鏈相連接，相當(dāng)于傳動(dòng)鏈條的一個(gè)特殊鏈節(jié)，始終與傳動(dòng)鏈條保持運(yùn)動(dòng)且保持相對(duì)靜止，曲拐?qǐng)A軸部插入滑車架，并可以在滑車架內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)曲拐頭的換向功能。

在上行過(guò)程中，當(dāng)往復(fù)架上端運(yùn)行至上鏈輪頂端，滑車架在驅(qū)動(dòng)鏈條的作用下運(yùn)動(dòng)至鏈條的另一側(cè)從而完成換向動(dòng)作，此時(shí)，往復(fù)架與抽油機(jī)配重塊開(kāi)始向下運(yùn)動(dòng)，與此同時(shí)，抽油桿進(jìn)入上沖程工作狀態(tài)；當(dāng)往復(fù)架下端運(yùn)動(dòng)至下鏈輪位置后，在驅(qū)動(dòng)鏈條的作用下，滑車架運(yùn)動(dòng)至鏈條另一側(cè)，進(jìn)而再次完成換向動(dòng)作，隨后往復(fù)架與抽油機(jī)配重塊再次進(jìn)入上行階段，與此同時(shí)，抽油桿進(jìn)入下沖程工作狀態(tài)。如此周而復(fù)始，完成抽油機(jī)的上行及下行的抽汲工作。剎車時(shí)，需雙人操作，一人斷電停機(jī)，另一人靠近抽油機(jī)同時(shí)拉手剎，完成停機(jī)剎車，操作步驟較為復(fù)雜。

抽油機(jī)在往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，其交變載荷不斷發(fā)生變化，正常工況下，除其位于滿負(fù)荷狀態(tài)外，三相異步電機(jī)均處于輕載工作狀態(tài)，然而，三相異步電機(jī)的額定功率遠(yuǎn)大于實(shí)際功率，在電壓不變的情況下，這將導(dǎo)致定子線圈損耗變大，最終導(dǎo)致電機(jī)的工作效率和功率因數(shù)增加，無(wú)疑會(huì)導(dǎo)致用電量的升高；三角帶及減速器的存在導(dǎo)致抽油機(jī)傳動(dòng)效率降低，三角帶與減速器的頻繁更換及維護(hù)增加了修井作業(yè)的頻率及成本；除此之外，機(jī)械換向結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的噪音較大，會(huì)對(duì)人口密集的村莊產(chǎn)生不良影響。因此，為了進(jìn)一步降低能耗，提高產(chǎn)量，本文針對(duì)上述皮帶式抽油機(jī)的缺點(diǎn)，對(duì)其動(dòng)力及傳動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了升級(jí)改造。

2.2 動(dòng)力及傳動(dòng)模塊的升級(jí)改造

在動(dòng)力方面，將原來(lái)的三相異步電機(jī)替換為永磁同步電機(jī)，永磁同步電機(jī)與變頻伺服控制器的配合可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況對(duì)永磁電機(jī)的實(shí)時(shí)調(diào)控。在傳動(dòng)方面將三角帶替換為同步帶，通過(guò)同步帶輪直接將永磁同步電機(jī)的動(dòng)力輸出至驅(qū)動(dòng)鏈條，取消了原來(lái)的減速器結(jié)構(gòu)，圖3所示為在皮帶式抽油機(jī)的基礎(chǔ)上對(duì)其動(dòng)力及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行升級(jí)改造后的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 半直驅(qū)式抽油機(jī)整體結(jié)構(gòu)示意圖

永磁同步電機(jī)與變頻伺服控制器的使用不僅擺脫了原來(lái)機(jī)械換向結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了抽油機(jī)正反轉(zhuǎn)減速柔性換向，而且該系統(tǒng)還可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況隨時(shí)調(diào)節(jié)沖程、沖次，避免了井下工況變化或更換井口轉(zhuǎn)移機(jī)時(shí)抽油機(jī)不匹配的問(wèn)題，使抽油機(jī)始終保持合理的工作狀態(tài)，達(dá)到進(jìn)一步節(jié)約電能、降低消耗、管理方便的目的。如果發(fā)生移機(jī)，皮帶式抽油機(jī)由于沖程不可調(diào)，無(wú)法適應(yīng)新井沖程變化的要求，需要重新匹配一臺(tái)新抽油機(jī)，勢(shì)必會(huì)增加由于停產(chǎn)帶來(lái)的額外成本，對(duì)其進(jìn)行升級(jí)改造后可以根據(jù)新移井的生產(chǎn)要求選擇新的沖程以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)參，這對(duì)提升油井產(chǎn)量，延長(zhǎng)抽油桿、抽油泵壽命具有重要意義，因此，改造升級(jí)后抽油機(jī)使用范圍更廣。

除此之外，在本次升級(jí)改造方案中，將共直流母線技術(shù)與超級(jí)電容也納入其中，使用共直流母線效率相比得到了有效的提高，降低了企業(yè)成本，減少了維修成本。超級(jí)電容充電速度快，充電10秒～10分鐘可達(dá)到其額定容量的95%以上，循環(huán)使用壽命長(zhǎng)，深度充放電循環(huán)使用次數(shù)可達(dá)1～50萬(wàn)次，沒(méi)有“記憶效應(yīng)”。使用超級(jí)電容可存儲(chǔ)部分電能，反饋給抽油機(jī)使用，節(jié)能效果更好。

3 現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用

該升級(jí)改造后的半直驅(qū)式抽油機(jī)成功應(yīng)用在東辛采油廠辛一管理區(qū)，圖4所示為半直驅(qū)式抽油機(jī)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)，并對(duì)其用電量、噪音等性能進(jìn)行了測(cè)試。

圖4 應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)

3.1 能耗測(cè)試

對(duì)東辛采油廠辛一管理區(qū)的2臺(tái)改造后的半直驅(qū)式抽油機(jī)（DXX37X69和DXX37X64）每天的耗電量進(jìn)行了測(cè)量，并將其與改造之前的皮帶式抽油機(jī)進(jìn)行比較，每臺(tái)抽油機(jī)連續(xù)測(cè)量5天，圖5、6所示分別為改造后的2臺(tái)抽油機(jī)與皮帶式抽油機(jī)在測(cè)量周期內(nèi)耗電量的比較。

圖5 改造前后耗電量比較（DXX37X69）

圖6 改造前后耗電量比較（DXX37X64）

改造前的2臺(tái)皮帶式抽油機(jī)5天內(nèi)的平均耗電量分別為141、139、140、145、135kW·h，其總平均耗電量為140kW·h；升級(jí)改造后的半直驅(qū)式抽油機(jī)的5天內(nèi)的平均耗電量分別為80kW·h、84kW·h、81kW·h、79kW·h、76kW·h，其總平均耗電量為80kW·h，綜上所述進(jìn)行半直驅(qū)式升級(jí)改造后，單機(jī)每日耗電量可降低約60kW·h，降低幅度約為42.9%。

3.2 噪音測(cè)試

對(duì)皮帶式抽油機(jī)改造前后的正常工況下的噪音進(jìn)行了測(cè)量對(duì)比，其中包括上沖程、下沖程及換向時(shí)刻的噪音。圖7所示為兩者對(duì)比結(jié)果。

圖7所示，皮帶式抽油機(jī)未經(jīng)升級(jí)改造之前其3個(gè)工作狀態(tài)下的噪音數(shù)值平均為95dB，經(jīng)過(guò)改造后的半直驅(qū)抽油機(jī)3個(gè)工作狀態(tài)下的噪音平均值分別為43dB、42.7dB。分析發(fā)現(xiàn)，皮帶式抽油機(jī)在換向工況下的噪音到達(dá)峰值為105dB，半直驅(qū)改造后的抽油機(jī)噪聲分貝數(shù)值顯著降低，一方面，是由于減速器和機(jī)械式換向結(jié)構(gòu)的取消，降低了由于齒輪嚙合及驅(qū)動(dòng)鏈條與曲拐碰撞的噪音；另一方面，是因?yàn)閷⑷喈惒诫姍C(jī)更換為永磁同步電機(jī)后其轉(zhuǎn)速由原來(lái)的970r/min降低至199r/min，轉(zhuǎn)速的降低對(duì)電動(dòng)機(jī)噪音的抑制有重要影響。

圖7 改造前后設(shè)備噪音比較

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)勝利油田現(xiàn)有的皮帶式抽油機(jī)能耗高、效率低、噪音大等缺點(diǎn)，對(duì)其動(dòng)力及傳動(dòng)部分進(jìn)行了半直驅(qū)式升級(jí)改造并將其成功應(yīng)用至東辛采油廠。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，半直驅(qū)改造后單機(jī)每年可節(jié)省用電費(fèi)用約2.19萬(wàn)元；減速器的取消提高了抽油機(jī)工作效率的同時(shí)，降低了三角帶等易損件的替換及潤(rùn)滑油等保養(yǎng)成本，預(yù)計(jì)單機(jī)每年可節(jié)省0.4萬(wàn)元；在線監(jiān)控、智能調(diào)參等技術(shù)的應(yīng)用，在實(shí)現(xiàn)不停機(jī)遠(yuǎn)程調(diào)參的同時(shí)，可降低人工成本約6萬(wàn)元。綜上所述，經(jīng)半直驅(qū)升級(jí)改造后單臺(tái)抽油機(jī)可降低能耗及維保成本約8.59萬(wàn)元。

5 展望

在對(duì)勝利油田現(xiàn)有的皮帶式抽油機(jī)進(jìn)行半直驅(qū)式升級(jí)改造的同時(shí)，我們會(huì)持續(xù)對(duì)半直驅(qū)式抽油機(jī)進(jìn)行深入研究，盡快完成抽油機(jī)的半直驅(qū)式向直驅(qū)式的轉(zhuǎn)化及智能化監(jiān)測(cè)控制。