抽油机优化与节能（共8篇）
抽油机优化与节能 篇1
现阶段, 我国大多数老油区已经进人中后期开发阶段, 由于不断开采使原油含水率的越来越高, 油井动液面和油层压力成下降趋势, 原油产量随着含水率的升高而递减, 必须加大采液量才能保证原油稳产, 这使得采油成本也相应提高。因而, 只有选用高效节能的抽油机才能使采油设备不仅达到“深抽、大排量”提液的工艺要求, 同时具有较高的可靠性和降低能耗等特点。当前抽油机被大量使用主流产品仍然是常规抽油机和异相曲柄平衡抽油机, 80%以上的采油量都是由游梁式抽油机完成的, 如果能把这些抽油机改造成为节能更好的抽油机, 必定使油田的经济效益得到大幅度的提高。
1 工作原理
抽油机是通过配置的石油机械和设备以加压方式使油管弹性收缩, 油井内机械采油器的管柱周期性的弹性变形来产生周期性和上下往复运动, 这一系列的动作产生抽吸挤压频繁交替形成的活塞效应, 并最终使得难以移动的原油开始流动, 并不断的扩大油流达到增加原油产量的目的。游梁式抽油机适用于大型油田的抽油作业, 而油田原油的开采分为两种方法: (1) 自我注入式采油法, 是指依靠油田本身的能量原油喷到地面 (2) 机械采油法, 是通过外界的力量把原油开采到地面。
2 优化参数
在这里主要介绍了油田使用较多的CYJY10-3-53HB型异相曲柄平衡抽油机, 经过“游梁下偏平衡抽油机”节能技术改造后成为CYJ10-3-53HY (P) 型游梁下偏平衡抽油机的具体应用, 并针对性的提出了一些抽油机改造的建议和不同改造方案。包括几何尺寸、动力性能等发生的变化, 下面分别对范围、工艺、运动的参数变化加以说明。
“游梁下偏平衡抽油机”是一种新型节能抽油机, 其不但具有较高可靠性、低能耗等优点而且结构简单。是在传统抽油机的基础上研发出来的, 经过简单的改造 (增加适当的游梁下偏平衡重) 后的重型 (现场使用的10型或10型以上) 抽油机, 即可成为游梁下偏平衡抽油机。
CYJ 10-3-53HY (P) 型游梁下偏平衡抽油机是由CYJY10-3-53HB型异相曲柄平衡抽油机改造而成的。多级节流井控系统的计算机控制操作相对复杂, 电液比例闭环控制, 控制精度高, 响应速度快, 可以减少人工操作, 在紧急情况下导致的错误, 提高安全性。多级节流井控系统能够实现自动恒压控制, 这项技术能够广泛的用于传统的节流系统优化与改造。
2.1 技术参数及几何参数
经过节能改造后的CYJY 10-3-53HB型异相曲柄平衡抽油机, 它的几何参数 (如四连杆机构的长度和截面尺寸) 和技术参数 (如悬点承载能力、冲程长度、冲次数、减速器的额定扭矩、电动机功率) 完全和以前一样, 此处不再重复。
2.2 种工艺参数和动态参数
表1列出的类型CYJY10-3-53HB异相曲柄平衡抽油机游梁式抽油机的之前和之后的部分工艺参数和动态参数条件在工况为冲程长度3m、冲次数为9次/分变化。正如在其他冲程、冲次和泵径组合工艺条件参数和动态参数的变化非常相似, 此处不再重复。
优化改造前后的对比CYJ10-3-53HY (P) 型游梁式抽油机部分变换的机械制造公司和某采油厂合作, 在某两区块改造了6口具有代表性工况的油井。在二零零三年六月份完成转换测试。节能监测中心对节能效果进行试验, 在相同的抽油机分别对优化改造前后进行了测试比较。
一般来说, 优化改造后的游梁式抽油机抽油机具有性能较稳定, 承载力强, 结构合理, 可靠性高的游梁式抽油机的一些优点。在工艺参数, 运动参数和动力学参数等方面具有以下特点:首先改造后的抽油机减速器扭矩降低3%-8.5%, 小泵, 减速器扭矩明显下降, 换句话说, 优化节能改造对于”小泵深抽”来说更为有利;其次从测试数据可以看出, 改造后的抽油机平衡是大大提高, 一般85%以上, 个别抽油机达到100%。抽油机地面效率提高18.8%, 抽油机地面设备功率消耗减少40.4%;再有改造后的抽油杆应力下降53.3%, 延长曲柄销和轴承的寿命, 对于提高抽油机的优化改造条件是非常有利;改造后的抽油机支架水平下降了49.94%, 垂直力下降了17.9%, 改善基础条件, 使抽油机的稳定性能得到很大程度的提高。
3 结论
综上所述, 应用于大多数油田的抽油机 (常规和偏移) 改造为梁下偏平衡抽油机的油田, 在中后期高含水开发, 降低生产成本具有重要意义。而且在能够达到使用条件的前提下, 游梁式抽油机改造成游梁下偏平衡抽油机, 不仅可以节约能源, 而且还可以提高抽油机的工作效率和受力特点, 抽油机不但能够保持生产性能稳定还能够延长使用寿命。用户后期维护成本相对降低, 同时改造成本低, 能产生良好的经济效益和社会效益, 应用前景十分广阔。
参考文献
[1]王宝荣, 董吉新.油田用抽油机常见故障及合理应用[J].科技资讯.2010 (24)
[2]张书利.抽油机电机节能改造技术的应用[J].科技信息.2010 (35)
[3]魏兴旺.基于PLC控制技术的抽油机变频调速系统设计[J].中国科技信息.2010 (18)
[4]夏振华, 蔡昌新, 王晓爽.基于有效冲程的抽油机节能控制系统[J].电机与控制应用.2010 (08)
抽油机优化与节能 篇2
摘要：从平衡方式、结构型式、驱动电机型式和驱动控制技术等方面分析目前游梁式抽油机以及部分新型节能抽油机所采用的节能方式和原理。综合各种节能方式，采取塔架式结构易于构建直接平衡方式，可达到理想的平衡效果；驱动系统采用变频驱动永磁同步电机或采用开关磁阻电机，可显著降低电机的损耗功率实现节能目的。
关键词：节能；平衡方式；结构型式；驱动电机型式；驱动控制技术
目前油田原油开采普遍采用游梁式抽油机，其具有结构简单、操作简便、可靠性高的优点，但同时也存在能耗高、效率低、整机笨重和调参难等不足之处。抽油机是油田的耗能大户，其用电量约占油田用电量的40%，且其拖动电机普遍存在着功率利用率低、能源浪费严重的情况，目前我国有近8万台抽油机井，电动机平均负荷率30%左右，部分电动机负荷率更低。因此，抽油机的节能问题已引起了广泛重视，并出现了形式不同的节能产品。但目前各种节能产品，特别是电机控制装置因没有有效针对游梁式抽油机的实际特性进行设计，因此从油田的实际使用情况看，各种节能产品远没有达到理想的节能水平。
国内油田应用的有众多类型的节能型抽油机，有的是在常规游梁式抽油机的基础上优化改进，如调整平衡方式，或采用高转差电机、双速电机等。新型节能抽油机大多采用塔架式结构，传动方式有皮带式、链条式、钢丝绳等，驱动方式有永磁同步电机、开关磁阻电机等。
抽油机实现节能的方式主要有改进平衡方式、改进结构型式、采用节能驱动设备和采用节能控制装置等。针对常规游梁式抽油机和目前小批量出现的节能型抽油机的所采用的节能方式和原理作出探讨。
1、平衡方式
抽油机采用的平衡方式效果的优劣可通过减速器及电机输出力矩的波动大小来评价。在输出力矩平稳的情况下电机的效率较高，绕组的发热损耗和供电线路损耗均较低。
抽油机通常采用的平衡方式有曲柄平衡、游梁平衡、双驴头平衡、直接平衡、变矩平衡及相位平衡等。
1.1 常规曲柄平衡与游梁平衡
游梁式抽油机较多采用曲柄平衡、游梁平衡或二者结合的方式，如图1所示。
图1 图2 图3 图4 其特点是悬点载荷的力臂长度是固定的，而平衡重的力臂是变化的。游梁平衡重的力矩随游梁摆角的变化而变化，水平位置最大，上下死点处最小；曲柄平衡力矩随曲柄的圆周运动通过连杆产生周期性波动载荷。因此驱动电机也承受周期性波动载荷，输出力矩和电流按近似正弦曲线周期性变化，电机损耗较大。
1.2 异形游梁平衡
游梁采用弯梁结构（图2），当悬点运行到下死点时平衡重相对于游梁转轴处于同一水平高度，此时平衡重可以提供最大的平衡力矩，即最大平衡力矩发生在悬点最大载荷位置，减小了减速器扭矩峰值和电机输出力矩。采用这种平衡原理的抽油机有弯梁抽油机、调径变矩抽油机、下偏杠铃抽油机等。
1.3 异相曲柄平衡
基本结构与常规曲柄平衡方式相同，对其尺寸参数进行优化设计，使其运动特性与动力特性优于常规曲柄平衡。异相曲柄平衡结构悬点在下死点时曲柄具有较大的初始角度，即在上冲程初始位置悬点载荷开始增大时曲柄提供较大的平衡力矩，以减小减速器和电机的输出力矩。同时，上冲程对应曲柄转角大于下冲程曲柄转角，即上冲程时间较长，其悬点加速度和动载荷都较小，因此，电机的负载波动趋于平缓，减少了电机的损耗。
1.4 双驴头平衡
双驴头平衡方式也是游梁式抽油机较长采用的平衡方式（图3），其平衡重的力矩是恒定的，不产生动载荷，有利于降低电机损耗。
1.5 直接平衡
直接平衡指的是平衡重与悬点载荷直接相连，平衡重产生的力矩不随抽油机的运转
发生变化。新型节能型抽油机多采用塔架式结构，易于采用直接平衡方式，图4所示平衡重与井口负载采用皮带或钢丝绳绕过天轮连接，类似于定滑轮结构，平衡重直接与负载相连，力矩是恒定的，不产生交变载荷。
综合比较上述几种平衡方式，天平式平衡的平衡力矩是恒定的，能够达到理想的平衡效果。双驴头平衡虽然其平衡力矩不发生变化，但电机需通过曲柄连杆装置传递动力，因此，电机仍存在交变载荷。其他类型的节能平衡方式降低了减速器的最大扭矩，但平衡力矩仍然是周期交变的。
2、结构型式
2.1 游梁式抽油机
游梁式抽油机包括常规型、双驴头型、前置型和弯梁型等多种型式，它采用四连杆机构将电机的圆周运动转换为直线运动。这种传动方式造成悬点运动速度呈正弦曲线变化，电机输出力矩和电流周期性波动，电机损耗较大。
2.2 无游梁式抽油机
无游梁式抽油机机架大多为塔架式结构，采用电机驱动滚筒并带动皮带、钢丝绳或链条等传动，它直接将电机的圆周运动转换为直线运动，具有匀速运动段长、载荷变化小、运行平稳等特点，因此电机输出力矩和电流较为恒定，具有明显的节能特性。[1]
3、驱动电机的型式
3.1 三相异步电动机
游梁式抽油机普遍采用三相异步电动机，一般采用6极（同步转速1000r/min）或8极（同步转速750r/min）异步电动机，满载状态下功率因数为0.8～0.95。由于抽油机启动时的静不平衡性和巨大的惯性，异步电动机的启动电流非常大，采用的装机功率远大于实际运行功率，一般运行功率仅为装机功率的三分之一，在轻载状态下功率因数大多小于0.4。异步电动机在额定负载状态下运行时，其机电转换效率可达95%，但当在轻载状态下运行时，其机电转换效率可低至20%。因此，常规游梁式抽油机能耗大的主要原因在于异步电动机处于负载率和功率因数过低的状态运转。
3.2 高转差电机与多速电机
其原理是依靠降低电机启动转速增加扭矩以减小抽油机启动时的峰值载荷，从而降低装机功率，避免大马拉小车，改善整机动力匹配，提高电机的负载率和功率因数，减少线损和无功损耗。
3.3 开关磁阻电机
开关磁阻电机是一种新型调速电机，主要有开关磁阻电机、控制器与位置检测器等组成。应用于抽油机的驱动具有突出的优点是高起动转矩、低起动电流，低速时更为突出。与异步电动机相比，开关磁阻电机起动电流为15%额定电流时起动转矩即达到100%，起动电流为30%时，起动转矩可达额定值的150%；而三相异步电动机起动电流达额定电流的4～7倍，起动转矩仅为额定值。抽油机采用开关磁阻电机驱动可显著降低装机功率，配合控制器的使用功率因数达0.98以上。[2]
3.4 永磁同步电机
与异步电动机不同的是永磁同步电机的励磁由永磁体来实现的，不需要定子绕组提供励磁电流，因而电机的功率因数可以达到很高，理论上可以达到1，在轻载状态运行时效率和功率因数仍保持很高。同时永磁同步电机的转子不产生感应电流，不存在转子损耗问题，一般比异步电动机减少45%～60%的损耗。
4、驱动控制技术
4.1 调压节电技术
一般采用晶闸管相控调压电路来控制电机电压的大小。通过检测电路对电机的负载状况进行实时检测与跟踪，实时控制晶闸管的导通角，为电机提供合适的工作电压与电流，使电机的输出功率与实时负载相匹配，从而有效地降低电机的功率损耗，达到节电的效果。但晶闸管相控调压使供电线路电流波形发生畸变，电网谐波污染严重。
4.2 变频调速驱动
采用变频器驱动电机，可以低速轻载启动，降低电机的装机功率，实现真正的软启动；同时变频器可以实时跟踪电机负载变化情况，对电机供电进行调压节流，实现电机输出力矩跟随负载自动调节，电机的功率因数可达0.9以上，显著降低电机功耗。
5、总结
1、游梁式抽油机采用四连杆机构传动，无法避免平衡力矩的周期性交变，电机的动载荷较大、损耗高。各种平衡方式只能降低减速器的峰值扭矩，节能效果一般只有10%左右。
2、采取塔架式结构易于构建直接平衡方式，可达到理想的平衡效果。
3、采用变频驱动配合永磁同步电机，或开关磁阻电机，可显著降低电机的损耗功率。同时电机转速可调，抽油机调参容易。
我公司研制的新型长冲程节能抽油机，采用塔架式结构，直接平衡方式，驱动系统采用低速大扭矩永磁同步电机与变频控制相结合，电机的功率因数达0.99以上，井场实测节电率达40%。虽然驱动系统成本增加，但由于传动系统仅采用一级皮带减速，不
需要减速箱，因此综合成本与游梁式抽油机相比增加不多，值得推广使用。同时抽油机冲程与速度调节简便，特别适合于采油效率较低的老油田，可显著降低采油能耗成本和便于井口调参。
参考文献：
浅谈抽油机的优化与节能 篇3
关键词：抽油机,优化,节能
一、抽油机设备的优化
1. 抽油机的优化
抽油机的优化首先要对生产井的实际工作状况进行分析, 选好机型。如果设备型号及工作参数与油层生产能力和油井条件不相适应, 则不能保证抽油机高效率地工作。抽油机的选择可以利用计算选择法, 其步骤如下:
a.根据油井的可能最大产量, 初步确定泵径、冲程和冲次, 并确定需要的下泵深度和抽汲参数。
b.计算悬点最大载荷和减速箱输出扭矩。
c.查阅各型抽油机的技术规范表, 选出需要的抽油机型号。
d.初选后, 再进行参数配合及抽油机和抽油杆柱的校核, 如校核不合格, 则调整后重新进行校核。
在实际应用中也可以根据经验进行选择, 如一般产液量在120-200t/d的油井上选用14型机, 产液量在60-120t/d的油井上选用10型机或12型机。
2. 电机优化
合理配置电动机, 提高电动机的负载率是提高抽油机井系统效率的有效途径。电动机的合理负载率应在40%一53%之间, 当负载率低于40%时, 会出现“大马拉小车”的现象, 浪费大量电能。这时应更换额定功率比较小的电动机。在更换电机时必须考虑电动机的电流是否过载。
选好电机后, 还要根据实际情况合理选择接线方式。例如超高转差电机, 当载荷轻、输入功率较小时, 采用低转矩, 较高转差率接线模式, 载荷较重时, 输入功率较大, 采用较高转矩, 较低转差率接线模式。
二、生产参数的优化
抽油机井的参数优化对提高系统效率, 降低能耗有明显效果。同时参数优化具有投资少、见效快、资金回收期短的特点, 因此参数优化是以较小投资获得较大经济效益的好方法。
参数优化首先要与油井的供液能力相适应, 同时以能量消耗最低为基本原则, 并根据实际情况的不同选择不同调参方案。如油比较稠的井, 参数选择可以采用大泵, 大冲程, 低冲次, 对于正常井, 可以采取适当增加沉没度, 减少泵吸入口处的自由气量来提高泵的充满系数。对于连喷带抽的井——具有自喷能力的井, 可以选用高冲次快速抽汲。
三、设备的优化组合
1. 井口摩擦损失的优化
为了减少井口摩擦损失, 可以采用调心式防喷盒与柔性石墨密封材料和光杆配合, 来代替原来普通防喷盒与橡胶类密封材料的抽油杆配合的传统组合方式, 其能量损失可以减少90%左右, 而且石墨密封材料易于填充, 方便管理。
2. 节能抽油机 (节能电机及节能配电箱的优化组合)
抽油机、电机及配电箱的组合是否合适, 对节能效果影响很大。因此在组合之前要深入了解各自的特点, 以及节电原理, 避免重复投入。例如, 偏轮抽油机是在普通游梁抽油机后臂增设两根杆件, 其端部与游梁后端连杆铰接构成六连杆机构, 这种结构使上冲程加速度明显降低, 延长了上冲程时间, 降低了扭矩峰值, 达到节能的目的。而高转差电机的节电原理同样是延长上冲程时间, 减慢提拉速度和加速度, 降低扭矩峰值, 进而减少耗电量。因此偏轮游梁抽油机不适合与高转差率电机组合。双驴头抽油机和偏轮游梁抽油机都具有装机容量小的特点, 其本身装配电动机额定功率小, 所以电机在运行时其负载率基本超过30%, 星一角转换式抽油机节电箱, 其转换范围使电机的负载率小于30%, 因此双驴头抽油机和偏轮游梁抽油机不适合与星—角转换式节电箱组合。
永磁同步电动机节电原理是转子转速与定子旋转磁场完全同步, 无转差损耗, 转子不需要外加励磁电源, 消除了励磁损耗, 因此具有功率因数较高且曲线平坦的特点。而无功补偿 (静态补偿, 动态补偿) 主要是以提高功率因数, 降低无功损耗为目的。所以永磁同步电动机不需要进行无功补偿。
抽油机优化与节能 篇4
大庆油田已进入特高含水开采阶段,随着油田开发的不断深入,采油成本逐年递增,企业管理难度日益增大,大力开展节能降耗,有效降低采油成本已成为油田开发工作的主要任务之一。有杆泵抽油机一直是油田生产用的主要采油设备,不但使用数量多、用电量大,而且系统效率低、节电潜力巨大。因此,油田非常重视抽油机井的系统效率和节能技术研究及推广工作[1—7]。近些年,油田推广应用各种节能型抽油机、电机及电控箱,虽然这些节能产品的使用提高了抽油机井系统效率,但也随之产生一些问题,如它们能否组合使用,组合使用后的节能效果是否是单个节能产品节能效果的算术叠加等。由于抽油机、电机及电控箱等节能产品的多项技术指标都会对抽油机井系统效率产生影响,而且,不同技术指标之间也会相互影响,因此,难以精确描述各技术指标之间的关系。文中将混合离散变量多目标组合优化方法应用于抽油机井的节能改造和生产管理,可以实现对于不同工况的油井获得投入产出最佳生产目标的机电系统配置,为生产管理和决策提供科学依据,从而达到进一步提高机采系统效率、降低能耗、节约生产成本的目的。
1 抽油机井能耗单元及数据库
1.1 能耗单元
根据抽油机井系统的工作特点和测试原理,将系统分为七个单元,它们分别是:电控箱、电动机、抽油机、盘根盒、抽油杆、抽油泵和油管。以光杆悬绳器为界,将这七个单元划分为两大耗能部分:地面耗能部分和井下耗能部分。启中,井下耗能部分的优化已有多个可用软件[8],而本文研究地面机电系统的节能优化问题。按照可独立进行节能改造的原则,地面系统可划分为电控箱、电动机、抽油机。
针对采油厂不同类型的抽油机,研究其输入、输出特性和节能特性。在得到在用抽油机实用资料的基础上,根据可选择的抽油机类型:常规抽油机、异相抽油机、前置抽油机、双驴头节能抽油机、单曲柄倍程抽油机、复合平衡节能抽油机、下偏杠铃改造节能抽油机,总结出抽油机这一单元所有可行的选择模式,包括各种选择的输入输出特性、节能特性、改造成本。对于电动机单元,需要研究超高滑差电动机、Y系列电动机、高扭矩电动机、永磁电动机、双功率电动机、高转差电动机、机电一体化拖动装置、660 V防盗电一体化拖动装置等不同电动机的输入输出特性、节能特性、改造成本。对于电控箱单元,需要研究普通电控箱、动态无功补偿电控箱、星角变换电控箱、智能节电控制器、微电脑控制电机节电保护器、变频器等不同电控箱的输入输出特性、节能特性、改造成本。
1.2 数据库
总结出可采用的不同设备与配套节能措施的组合种类,研究不同组合的机电结构、工作特性、节能原理、生产成本,建立每个单元采用任一组合时的输入、输出特性和节能特性以及与整个机电系统的关系(可用函数、图、表等方式表示),包括:能耗、机械效率、成本等关系。建立抽油机井数据库,存储不同单元、不同节能措施的组成、能耗、效率数据,为优化软件提供数据支持。数据库采用dBase开发。
2 多目标组合优化模型和求解
抽油机井经济运行节能优化研究的目的就是要寻求不同的地面单元组合来满足不同的设计要求。可将优化目标归结为:(1)系统效率最高为目标;(2)生产成本最低为目标;(3)兼顾效率和成本,总体最优为目标。
2.1 系统效率最高
该目标是通过地面系统不同的节能单元的组合,寻找出一组抽油机井系统效率最高的单元配置,作为新开发抽油机井的依据。该优化目标不考虑各单元固定成本和运行成本。
设可选节能电机型号为I种,电控箱为J种,抽油机为K种。用E(x) 来表示第x种电机单独使用时的系统效率增量(相对于常规的电控箱、电动机、抽油机,下同),用E(y)表示第y种电控箱单独使用时的系统效率增量,用E(z)表示第z种抽油机单独使用时的系统效率增量,用E(x,y,z)表示第x种电机、第y种电控箱与第z种抽油机叠加使用时,节能单元之间相互作用对系统效率的影响,则优化数学模型为:
max f1(x,y,z)=E0+E(x)+E(y)+E(z)+∏E(x,y,z) (1)
式(2)中,E0为常规电控箱、电动机、抽油机配置的系统效率;δ1、δ2、δ3为根据生产实际设定的系统效率最低增量。
2.2 生产成本最低
该优化目标是使抽油机井地面机电系统固定投资和运行费用最小。用F(x) 、S(x)、Y(x)分别表示第x种电机固定投资、固定资产残值和固定资产使用年限,用F(y)、S(y)、Y(y)分别表示第y种电控箱固定投资、固定资产残值和固定资产使用年限,用F(z)、S(z)、Y(z)分别表示第z种抽油机固定投资、固定资产残值和固定资产使用年限,用R(x,y,z)表示使用第x种电机、第y种电控箱与第z种抽油机的年运行总费用,则优化数学模型为:
求解此模型,可求出系统总体费用最低的抽油机地面系统单元组合。
2.3 系统整体最优
使抽油机井地面机电系统效率最高,而且生产成本最低的多目标优化数学模型为:
约束条件为式(2)。求解式(5)即可求得整体最优的抽油机、电机和电控箱组合。
2.4 模型求解
由式(1)～式(5)可知,该优化数学模型属于带有约束条件的非线性混合离散变量优化问题[9],一般数学表达式如下:
目标函数:min f[x], x∈En (6)
约束条件:s.t.gj[x]≥0;j=1,2,…,m。
xD=[x1,x2,…,xp]T∈ED;
xC=[xp+1,xp+2,…,xn]T∈EC;
En=ED×EC={(xD·xC);
xD∈ED,xC∈EC}。
式中:p为离散变量的个数;n为设计变量的个数;m为约束条件的个数;xD为离散变量;xC为连续变量。
由式(1)～式(5)确定的目标函数和约束条件,可以选取混合离散变量优化设计程序MDOD来求解[10]。MDOD是综合非线性规划中的“爬山”策略思想和组合优化中的“查点”策略的基础上提出的一种约束非线性混合离散变量优化设计方法。这种方法能够在设计空间中直接搜索离散点,它由“爬山”搜索和“查点”两个基本部分组成,其主要构造思想如下:首先从一个可行的离散点出发,沿相对混合次梯度方向进行离散一维搜索,从而得到一个使目标函数值减小同时又满足约束条件的新离散点。然后由此点开始继续重复,直至当得不到这样的一个新点时,就开始在离散子空间ED和连续子空间EC内进行轮变搜索,若轮变搜索后能得到一个新的可行离散点,则返回第一部的搜索过程;否则,即可根据停留的离散点的目标函数和约束函数所提供的信息,按确定的规则在单位邻域内查点;如果查找到了新的离散点,则返回第一步的搜索过程,否则根据最优解的基本性质,此点即为局部离散最优解,算法结束。
3 程序设计
针对上述数据库和优化模型开发了抽油机井地面设备优化组合软件。软件在C++Builder集成开发环境下编写而成,是基于Windows操作系统而设计的,主要功能模块如下:
(1)单元计算模块:计算抽油机井系统各节点的输入、输出功率和单元效率,并可单独输出。
(2)单元效率、能耗分布计算模块:用户通过选择不同的地面单元组合,估算出相应的单元效率、能耗分布图和固定投资分布。
(3)数据录入模块:主要完成电机、电控箱、抽油机、油井生产或设计参数等数据的录入或提取。
(4)新井优化配置模块:根据新井不同的设计目的进行优化组合,选择一组符合要求的优化地面单元配置结果。
(5)生产井优化诊断模块:针对生产井进行优化诊断,给出诊断结果和预测效率。
抽油机井管理工作水平的高低直接影响抽油机井各设备的效率和使用寿命,比如,抽油机的平衡度、传动皮带的张紧长度等,特别是抽油机的平衡状况对抽油设备的效率和使用寿命影响最大。抽油机平衡度较低或过平衡都会影响抽油机井的系统效率。它将会增加抽油机悬点动载荷,不仅会影响到四连杆机构、减速箱和电动机的效率和使用寿命,而且会增大电动机的内耗,使抽油机井的能耗增加,从而导致系统的效率降低。此外,地面设备润滑保养不良、传动皮带调整不及时、盘根盒调整不到位等也会降低抽油机井的系统效率。所以,加强抽油机井的管理对于提高抽油机井的系统效率和延长抽油机设备的寿命都有很大的作用。因此,在对抽油机井机电设备的组合优化程序中,加入了抽油机井的管理措施,只有在管理措施最优的情况下,才能保证抽油机井机电设备组合优化结果在实际应用中的最佳运行状态。
4 现场应用
大庆第三采油厂在用游梁式抽油机型号有20种,配套的电机型号大约200多种,各类电控箱型号大约300多种。应用开发的软件对抽油机井地面机电设备进行诊断,并根据优化诊断结果进行设备改造。表1是根据优化结果进行机电一体化拖动装置改造的5口油井的测试数据结果。由表1可以看出,通过优化改造后,5口生产井平均效率提高11.9%,单耗降低2.98 kW·h·t-1,系统平均的节点率提高了30.6%。
5 结论
(1)在对抽油机井机电系统进行系统研究的基础上,按照可独立进行节能改造的原则,将地面系统划分为电控箱、电机、抽油机,总结出可采用的不同设备与配套节能措施的组合种类,研究了每个单元采用任一组合时的输入、输出特性和节能特性,以及与整个机电系统的关系,建立了抽油机井数据库。
(2)将多目标组合优化技术用于抽油机井机电系统节能设备的优化配置,建立了抽油机井地面机电系统效率最高,而且生产成本最低的多目标优化数学模型,开发了相应的软件,为油田机采设备的生产管理和决策提供了科学依据,为确保抽油机井高效低耗运行提供了有效的技术手段。
(3)油田现场应用结果表明,采用本文开发的软件对抽油机井进行优化,能够起到提高抽油机井系统效率和降低单耗的作用,抽油机井地面设备组合优化与节能技术具有较高的推广应用价值。
参考文献
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抽油机优化与节能 篇5
1 装置组成
应用SURF抽油机运行优化控制技术原有抽油机设备无须改变,仅须安装单井地面调控与驱动装置及传感器件,主要由三部分构成:在电动机前加装了SURF公司提供的驱动控制柜,在电动机内加装了角位移传感器,在曲柄轴上加装了曲柄位置校正传感器,见图1。
2 测试内容和方法
机械采油系统的节能测试,计算按SY/T5264—2006《油田生产系统能耗测试和计算方法》开展,依据的标准还有GB/T 3484—2009《企业能量平衡通则》。
测试参量包括:
1)电器测试参量:输入功率、电流、电压和功率因数;
2)示功图曲线和电参数曲线。
在实施SURF抽油机运行优化控制技术之前,用测试装置测试油井正常工况下油井的耗电参数、示功图。切换到优化运行状态,待油井稳定运行后,再测试优化状态数据,记录在效果统计表格中。测试期间要保证油井不间断稳定运行。
3 测试结果
庙130井常规运行和优化运行电参数曲线见图2、图3。
电流平衡变化统计见表1。
功率平衡变化见表2。
示功图曲线见图4。
庙130井优化运行示功图见图5。
有功、无功及功率因数测试值见表3。
4 结果分析评价
1)峰值功率和峰值电流均降低。从测得的电参数曲线看,使用SURF装置后,所测井的峰值电流、峰值功率均显著降低。起机电流由小到大平稳变化,体现了柔性启动、柔性运行的特点,减少了电动机硬特性对抽油机机械系统的不利影响,降低了抽油机系统的机械受力与损耗,降低了系统能耗。随动自适应精确平衡:单周期内运行过程中,通过曲柄运动的周向加速度自适应调整曲柄轴承受的扭矩值和扭矩分布,降低扭矩峰值和峰谷差值。不用调整平衡块和改变四连杆结构,实现了精确电流平衡和功率平衡。SURF优化后油井电流平衡度达到98.8%,功率平衡度为100.7%。
2)从测得的示功图看,光杆负荷的变化幅度明显变小,上下行程光杆负荷的波动较小,说明运行的机械冲击力减小。
3)机采系统节能降耗。安装SURF装置后,通过实地安装DT862-4型三相四线有功电能表并进行24 h准确测量,有功功率、无功功率和视在功率都减少50%以上,功率因数提高近0.3,单井日节电51.54 k Wh,平均单井节电幅度50%。可见,使用SURF优化后,提高了系统效率,降低了系统损耗,达到了节能降耗的效果。
5 结论
1)使用SURF装置后,消除了无效抽汲,实现了柔性运行,杆柱应力及应力幅均有所降低,峰值功率和峰值电流大幅降低。
2)SURF装置能够在保持产液的前提下,通过提高容积泵效和保证充满系数,保证抽汲的有效程度,无效抽汲得以避免,从而最大程度地减少抽油系统的系统能耗和设备损耗。
3)SURF装置能够大幅降低单井能耗,提高单井的系统效率,保持较高的功率因数,达到节能降耗的效果。
摘要：SURF抽油机运行优化控制技术,通过电动机变速实现地面设备与井下杆管设备单产损耗率最小、单产能耗最小,它是综合性降损节能全面解决方案。在生产井上的实际应用测试表明,节能降耗效果明显。
关键词：游梁式抽油机,优化运行控制,节能评价
参考文献
[1]栾国华,冯华健,杨志.应用电机变速运动优化机抽井的产液量[J].国外油田工程,2008,24(11):22-25.
抽油机优化与节能 篇6
抽油机井目前用电量约占油田总用电量的40%左右,是油田耗能大户。虽然节能抽油机用量每年都在增加,但油田大量在用抽油机仍然是以常规游梁式抽油机为主,目前大庆油田常规机占抽油机总数的80%左右。常规抽油机为了顺利启动,常按抽油机最大负荷来选配电动机。而抽油机正常运行时,平均负荷只有最大负荷的30%左右,从而形成了“大马拉小车”的现象,大大降低了电网的功率因数和电动机的效率,增加了无功消耗。因此,抽油井的节能潜力巨大。
近年来,油田各部门对抽油机系统的节能技术研究及推广工作非常重视。社会及油田各部门陆续研制和推广了一批节能型抽油机、抽油机用节能电动机及抽油机用节电箱,虽然这些节能产品的推广使用提高了抽油机井系统效率,节约了能源消耗,但随之也产生了一些问题,这方面的节能产品越来越多,而这些节能产品单个的节能效果如何,有怎样的应用范围,它们能否组合使用,组合使用后的节能效果是否是单个节能产品节能效果的算术叠加等等,均是油田各部门关心的问题。
2 节能电动机的原理[1,2,3]
2.1 永磁同步电动机
节能原理:在结构上与Y系列电动机相似,所不同的是在电动机转子内镶入永磁铁,使转子自身具有高强度磁场,可以用来取代电动机转子的电励磁,显著提高功率因数。永磁同步电动机为同步工作方式,转子转速与定子旋转磁场完全同步,与异步电机相比,无转差损耗。
2.2 超高转差电动机
节能原理:依靠降低转子转速来达到增加扭矩从而降低装机功率。
2.3 双速双功率电动机
节能原理:在结构上与Y系列电动机相似,区别在于利用单槽内下入单线“引出多组头”,通过在多组头之间改变接线方式,即实现了“双极双速”。该电动机延用了高转差率的特性,利用降低转速来达到提高扭矩实现降低装机功率。现场应用中速度的转换,需要停机靠人工实施转换。
2.4 双定子电动机
节能原理:双定子电动机是一种新型的异步电动机,有两部定子组成。起动时集两部定子的合力矩以加大起动力矩,待起动完成时则切除一部定子,留下另一部定子运行,以适应低负荷时以低功率来匹配达到节电。
3 节能电动机的测试与评价方法
3.1 测试评价方法
目前,抽油机用节能电动机的测试方法主要采用对比测试,即选用常规抽油机为参照机,录取节能电机的各项测试参数与基准电动机作对比,计算其节电率。
3.2 测试程序及要求
测试流程图如图1所示。
测试要求如下:
1)测试期间,抽油机平衡度保持在85%～100%之间;
2)测试时动液面深度按泵挂深度均匀分布,最少4个测试点,每个点的动液面深度变化范围在±10 m内;
3)测试节能电动机时,抽油机冲速数与参照机(普通抽油机、普通变压器、普通电动机、普通配电箱)相比,变化不得超过±0.3次。
3.3 测试数据统计及分析
采油院与节能监测中心结合共对50台节能电动机进行了测试。选出20台具有代表性的节能电动机进行了分类统计,测试结果详见表1。
从测试结果可以看出每种节能电动机均有一定的节电效果,但相比之下超高转差和双功率电动机综合节电率平均值都在15%以上,节能效果较为显著。从综合节能评价角度来讲,每种节能电机都各有优缺点,需要根据现场具体情况进行选配。
4 结论
1)对50台不同型号的节能电动机进行了测试,表明该测试方法对抽油机用节能电动机的节电效果测试具有很好的指导意义,也为抽油机用节能电动机的测试探索了一条新路。
2)从测试结果可以看出每种节能电动机均有一定的节电效果,但超高转差电动机和双功率电动机节电率平均值都在15%以上,节能效果较为显著。
3)双功率节能电动机具备“电动机拖动负载与电动机的输出功率间的合理匹配”的功能,抽油机在运行过程中,电动机的输出功率随着载荷的变化在无人为干预的情况下实现自动转换。
参考文献
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[2]董德明.抽油机井节能措施的选择与优化[J].油气田地面工程,2008(10).
抽油机节能改造试验效果与评价 篇7
1 摆铃式自动调平抽油机
1.1 运行特点
摆铃式自动调平节能型抽油机是在原抽油机游梁的尾部加装一个可以摆动的摆铃 (摆铃重3120kg) , 去掉了原来的4个曲柄平衡块 (每个平衡块重1020 kg) , 并且在游梁上安装了一个可以前后移动的辅助平衡配重, 这既不改变游梁抽油机的基本结构和运行方式, 又能实现近似的直线自动平衡, 使负载波动变得很小, 大幅度降低电动机功率, 从而达到依靠摆铃来实现平衡、依靠游梁辅助平衡来实现自动调平的目的[2]。
摆铃的运行轨迹是连接在一起的两段圆弧, A、B、C三点在一条近似垂线上。下偏杠铃的运行轨迹是一个以中轴到杠铃中心距离为半径的一段圆弧, X、Y、Z点的位置明显不在一条垂线上。
摆铃运行过程中 (图1) , A点与B点水平距离相差最大, 最大力矩变化为2.79%;下偏杠铃运行过程中, X点与Z点水平距离相差最大, 最大力矩变化为40.36%。由此可以看出, 摆铃在运动过程中位置不平衡力和横向惯性力都很小, 可以增加摆铃质量, 取消原来的曲柄平衡块, 平衡能力和平衡效果比较好。
1.2 摆铃机运行系统工作原理
安装2个位置传感器, 用于确定和区分上下行程起始位置, 电流传感器把不平衡的负载电流信号传给单片机, 单片机发出指令控制电动机导线让游梁上的丝杠升降机控制电动机正转或者反转, 推动游梁辅助平衡重前后移动。当上行电流峰值大于下行电流峰值并且达到一定比例时, 辅助平衡重向左移动, 增大平衡力;反之, 游梁辅助平衡重向右移动, 减小平衡力。详见图2。
1—刹车;2—配电箱;3—单片机;4—电流传感器;5—电机;6—减速箱;7—曲柄;8—位置传感器;9—连杆;10—摆铃;11—推板;12—推板丝杠;13—摆梁;14—悬挂轴;15—加长梁;16—辅助平衡重;17—控制电机;18—丝杠升降机;19—中轴;20—游梁;21—驴头;22—支架
抽油机改造前后外观见图3和图4。
2 试验效果分析
改造后的摆铃式抽油机于2009年9月20日投入使用, 历时已近3年, 运行状况良好, 达到了预期节能效果。主要表现在以下方面 (表1、图5) :
1) 电动机工作效率得到明显提高。改造后输入功率下降了1.8 kW (东北油田节能监测中心监测数据下降了2.92 kW) , 节能率达到25%, 系统效率提高了6.5%。
2) 改造后抽油机平衡度高, 达到95%以上, 且可自动调整平衡, 减少了调整平衡度而引起的停井时间, 同时降低了劳动强度。
3) 改造后最大净扭矩下降了23 kN·m, 下降幅度达53.5%, 有效提高了抽油机的运行效率。
4) 改造后抽油机运行更平稳, 有效降低了悬点的振动载荷, 减缓了偏磨, 延长了检泵周期。
3 经济效益分析
根据摆铃式抽油机投产后监测的结果, 年可节约电量1.4×104kWh, 每度电按1元计算, 年节约电费1.4万元。丰1-26井为间开井, 如改为常开井, 节约电量更为明显。
改造费用7.58万元, 每年节约1.4万元电费, 投资回收期为5.4年。
每年预计改造15台, 每台每年节约电费1.4万元, 每kWh电按照1元计算, 年可节约电费21万元。
4 结论及认识
1) 通过丰1-26井摆铃式抽油机节能技术改造, 提高了抽油机动态平衡率, 降低了能耗, 节能效果明显。
2) 经过近3年的使用, 抽油机运行平稳, 节能效果显著, 可推广应用该项技术, 提升节能技术管理水平。
3) 油田公司将摆铃式抽油机改造纳入“十二五”节能改造计划中, 为油田节能技术改造工作创设了良好开端。
参考文献
[1]梁宏宝.游梁式抽油机节能技术改造综述 (Ⅰ) [J].应用能源技术, 2011 (2) :4-7.
油田抽油机节能器的设计与实现 篇8
在能源紧缺,电力严重不足的情况下,节能成为很重要的议题。抽油机是油田主要生产设备,对于低渗透率油田,油位形成比较慢,大部分抽油机很长时间都在空转中,这将浪费大量电能,并造成抽油机磨损,影响抽油机寿命。
目前,国内外抽油机控制大部分采用人工现场观察,手动控制或定时控制方式,这样耗费人工,并且控制精度差,不能根据油井实际情况控制抽油机工作状况。少数油井使用的节能器基本上是根据抽油机负载变化或抽油机的供电状况来调整电机的输出功率,这种方案对原有控制系统改造复杂,并且不能直接反映井下油位高低。
抽油机节能器根据油井井下油位的高低控制抽油机的工作状况,当油位上升到特定位置时,抽油机自动开始抽油;当油位较低时,抽油机自动停止抽油,这样可减小抽油机空转时间,节约电力资源,起到节约降耗的作用。
1 项目技术方案
1.1 系统硬件结构设计
抽油机节能器是以单片机为核心的测控设备,主要实现参数测量、油位计算、实时数据存储和抽油机控制。系统由6个模块组成,分别是油位测量模块、温度测量模块、单片机控制模块、数据存储模块、油位显示模块和抽油机驱动控制模块。系统结构如图1所示。
1.1.1 油位测量模块
油位测量模块是用超声波传感器为测量器件,根据超声波在空气中传播的反射原理,应用单片机控制在超声波发射器上产生40kHz的超声波信号,接收模块用来监测回波信号,并传送至单片机,单片机根据测量超声波在空气中传播的时间差来测量距离,其结构如图2所示。超声波传感器为非接触式传感器,与油位之间有一定的距离,不会造成传感器污染和腐蚀,测量精度较高。
1.1.2 温度测量模块
声波在空气中传播时,空气的温度、大气压力、湿度等影响超声波的声速,其中空气的温度对超声波的影响最大。为了减小误差,避免因环境温度而带来的测量偏差,必须对环境温度进行检测,并通过计算消除环境温度所引起的偏差。系统采用美国DALLAS半导体公司生产的可组网单线数字温度传感器DS18B20检测环境温度。该传感器是“一线总线”的数字方式传输,可以大大提高系统的抗干扰性。
1.1.3 单片机控制模块
单片机控制模块是整个系统的核心,主要功能是接收采集的数据参数,进行数据计算,实现对抽油机的实时控制。单片机性能直接影响系统的工作稳定性和可靠性,考虑到抽油机的工作环境较差,为增加可靠性和控制产品成本,单片机选用8位工业级芯片。
1.1.4 数据存储模块
油位数据的存储不仅用于分析本油井的油位变化情况,还用于分析所在区块的油位变化,作为油井堵水、调剖选井决策依据,对提高油井采收率有一定的参考作用。针对有油井位置分散、距离较远,网络通信环境较差这一情况,节能器中可配备128K的FLASH芯片,用于定时将油位数据存储在FLASH中,工作人员可定期到现场将数据导入便携式电脑中,FLASH可存储一个月的油位数据,成本较低。
1.1.5 抽油机驱动控制模块
抽油机控制模块是实现节能降耗的关键,单片机根据油井参数计算油井井下油位,通过控制抽油机的驱动电路控制抽油机运行状况。当油位到达一定高度时,抽油机开始工作,当油位较低时,停止抽油机工作,这样可减少抽油机空转时间,起到节能降耗的作用,尤其对低渗透率油井和生产后期的油井效果更为明显。
1.1.6 油位显示
油位显示模块可实时显示井下油位,用于在系统调试时和日常维护时观察油位变化。显示采用4位LED模块,可靠性高,控制方便。
1.2 关键技术
1.2.1 干扰问题
干扰问题主要考虑两个方面的内容,一是系统外界环境中高频噪声及电源等对信号产生的干扰,二是超声波发射传感器在谐振的时候带动空气振动,会直接传到距离很近的超声波接收传感器,即引起所谓的绕射现象,而且绕射的回波信号要比反射回来的回波信号要强,因此在这段时间内形成盲区。对高频信号和电源干扰可以通过选择合适的元器件,加之滤波电路就可以消除,对接收部分的信号放大处理也可以采用隔离抗干扰技术。这样的处理一般都可以很好的消除干扰。系统抗干扰措施必须从硬件和软件两方面着手。为了抑制外部干扰,接收的前置放大级采用专用的滤波芯片,有效抑制40k Hz以外的频率。在设计上电路元器件选用低噪声器件,通过采用合理的布局,良好的印刷版布线,并注意进行屏蔽,可达到良好的抗干扰效果。
1.2.2 安全认证
油田设备安全问题是需要考虑的重要问题,防腐防爆至关重要,电路设计一定按照安全等级进行设计,并进行安全认证。
2 软件系统设计
在系统硬件构架了超声测距的基本功能之后,系统软件是配合硬件实现数据的处理和应用。根据以上所述系统硬件设计的结构,软件需要实现以下功能:
1)信号控制
在系统硬件中,已经完成了发射电路、回波接收电路、温度补偿电路的设计。在系统软件中,要完成发射脉冲信号、温度测试、输出显示及抽油机的工作状态控制。
2)数据存储
为提高精度,油位数据用单精度形式进行存放,由于油位形成比较缓慢,采集的数据1分钟左右存放一次,这要128K的FLASH就可存放近一个月的数据。
3)信号处理
再根据传感器安装的位置就可确定油位高低。
超声波发射到接收之间的时间与实际的距离值之间转换公式为:S=0.5×V×T
其中,T为发射信号到接收之间经历的时间,V为超声波在空气中传播的速度,S是超声波传感器距油位的距离。
4)数据传输与抽油机控制
经软件处理得到的油位数据一方面输出到LED显示。另一方面控制抽油机的工作状态。
2.1 主程序结构
主程序是单片机程序的主体,完成系统的初始化、超声波发送、温度监测、计算、油位显示和抽油机控制的功能,并实时响应各中断服务程序。主程序流程图如图3所示。
2.2中断程序
中断服务程序用于处理接收回波信号,在主程序中定时发射的40kHz脉冲信号产生声波信号,声波遇到障碍物反射后经接收检测电路产生外中断信号至单片机。在中断服务程序中,计算从发射声波到收到回波的时间,并将时间值传递给主程序用于油位的计算。中断服务程序结构如图4所示。
3 结论
目前中型油田每年有近2000口油井投入生产,加上正在生产的油井有上万口。对低渗透率油田油层形成比较缓慢,既使高产油田在生产后期油层形成也比较缓慢,据陕北地区的油田统计,抽油机每天有10多小时在空转中,大部分抽油机的工作功率为30千瓦以上,按30千瓦计算,每天多消耗电能300千瓦,安装节能器后每口井每年可节省电能可节省电能262.8万度。在国家能源紧缺的情况下,如果每口抽油井都安装节能器后,节省电能就相当可观,并且节能系统还可降低抽油机磨损,延长抽油机寿命。油田抽油机节能器有很好的应用前景和社会效益。
摘要：低渗透率油田,油层形成缓慢,抽油机每天空转时间较长,造成抽油机磨损和浪费电能,采油成本增高,抽油机节能器就是为解决这一问题而设计的。抽油机节能器是以超声波发射器和接收器作为传感器的单片机测控设备,通过超声波发射至油位并接收反射的时间来计算抽油井井下油位高度,实现对抽油机运行状况的控制,从而减少抽油机空转时间,起到节能减排和减小抽油机磨损的作用。本文对抽油机节能器的开发进行了比较详细地论述,抽油机节能器将会有很好的应用前景和社会效益。
关键词：节能器,单片机测控系统,超声波传感器
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