抽油机设备（精选6篇）
抽油机设备 篇1
机械采油目前绝大部分仍然采用的是传统的抽油机开采, 但是, 在开采的过程中, 随着油田的后期开采和地层能量的递减, 由于受到设备技术以及操作技术的限制, 导致大部分的机械能量都消散在机械运动的过程之中, 如果做好设备和操作技术的研究, 将可以提升设备的利用效率, 节省大笔的费用[1]。
通过对现场抽油机设备的某些部件、部位进行优化与改进, 运用研究成果, 不仅提高了工人的工作效率, 还为单位节约了生产成本, 有利于保护环境, 获得了良好的经济效果。
1 抽油机设备优化与应用
1.1 减速箱多功能机油液位计的研制与应用
减速器作为抽油机的核心装置, 其运转状况直接与抽油机工作状态相关。根据设备管理要求, 减速器机油液位值保持在1/3~2/3范围内为合理液位, 目前液位读取操作为以下6步:停机、刹车、断电、硬质固定、系安全带上抽油机、起减速器顶盖后读取。抽油机存在耗时长、效率低、安全隐患等问题, 同时减速器液位值监测不便, 无法及时有效确认抽油机减速箱工作状态。调查了油田现场各类抽油机型的减速器液位读取效率, 统计如表1所示。
为改变现状, 对减速器机油孔的结构和大小进行全面分析, 根据抽油机减速器旁边机油孔以及丝扣的尺寸大小, 利用连通器原理做了一个U形的外部连接, 放油孔连接的中间部分用透明软管连接, 可以实时查看机油液位, U形连接的下端做了一个可以取机油样的装置, 这样既可以读取机油液位, 又能进行机油取样, 达到直观读取和快速取减速器机油的目的。液位计的加工实物图如图1所示。
减速器液位计安装后, 通过停机、刹车操作后, 近距离直接读取了减速箱机油的液位值, 30s后8型抽油机即可恢复正常运行。
此外, 考虑到每季度的机油取样化验工作量, 该液位计还兼具机油取样功能, 通过打开下部阀门即可取样, 简化了机油取样操作步骤。对各类抽油机型减速器均安装了此类液位计, 并对安装后的效果进行了统计, 如表2所示。
通过对比分析表1和表2数据, 3型~14型抽油机减速器机油液位值的读取时间, 以前的操作方法平均耗时14.5min, 通过新研制的减速器液位计读取, 平均耗时仅0.6min即可恢复抽油机正常运行。
1.2 抽油机减速箱呼吸阀装置的改进
抽油机减速箱呼吸阀是抽油机核心装置——减速箱的呼吸通道, 其畅通与否直接影响减速箱内部运转及机油漏油情况。根据设备管理要求, 减速箱呼吸阀要保持长期畅通, 周围不漏机油, 目前的减速箱呼吸阀没有达到这个要求, 呼吸阀的呼吸孔很小, 经过野外风沙的影响, 经常造成堵死无法呼吸, 周围漏机油的现象比较严重, 严重影响减速箱的正常工作。
根据减速箱呼吸阀盖板的尺寸大小, 利用工业常用的烟囱原理做一个大小合适的圆形筒状开口和倒扣式的筒状伞帽, 两者之间有4个焊接点, 既能保证连接牢固, 又能保证呼吸孔道大而畅通。呼吸阀加工原理图和实物图如图2、图3所示。
通过现场试验, 共计10口井安装了该呼吸阀装置, 经过几个月的跟踪观察, 未发现呼吸阀呼吸孔道堵死和减速箱漏机油现象, 减速箱运转也很正常, 效果非常好, 值得推广。
1.3 消除抽油机驴头磨毛辫子的故障
3型抽油机在设计出厂的时候, 就存在驴头的挂轮不太合理, 如果底座基础稍微有点歪斜, 就容易造成抽油机的驴头边缘磨毛鞭子。通过调查统计305台3型抽油机, 现在这种抽油机磨毛辫子的井有6口, 2015年有4口。随着时间的推移, 可以看出故障率呈上升趋势。针对这种情况进行了调查、统计和分析, 发现造成抽油机驴头边缘磨毛辫子的末端因素有很多, 其中主要的几大因素是挂轮直径不合适、底座基础不水平、没有安装好、毛辫子材质差等因素。为此, 对挂轮的直径进行改良, 如设计原理图4和实物图5所示。
对出现故障的井全部整改完成后, 通过跟踪调查现场情况, 检查抽油机挂轮安装的质量及运行情况, 发现抽油机运转正常。
1.4 开槽皮带轮的研制与应用
随着每年调参的井不断增多, 电机皮带轮与衬套出现粘连的概率加大, 严重影响调参工作, 而且在拔电机皮带轮的过程中, 皮带轮拔坏的现象时有发生, 给单位造成了很大的经济损失。同时在拆卸皮带轮的时候, 由于粘连比较严重, 拆卸费时费力, 容易造成机械伤害。针对上述问题, 研制了开槽皮带轮, 以降低皮带轮拔不下来的概率。
开槽皮带轮是在原有老式皮带轮的基础上进行的改进, 通过对皮带轮的内孔对称开4个8mm×8mm的槽 (图6) , 使得在皮带轮内侧的生锈面形成一个断面, 减少生锈面积, 从而粘连面积也大大降低。在拆卸的过程中, 如果一个断面拆卸松动, 就会带动另外三个断面开始松动, 从而降低了皮带轮与电机衬套之间的粘连发生率, 使得拆卸电机皮带轮变得轻松。
开槽皮带轮没有改变原有皮带轮的大小和强度, 通过内孔开小槽的方式, 减少皮带轮与电机轴之间的锈蚀面的增大, 形成了4条锈蚀面的阻断线, 降低了粘连性。开槽皮带轮安装后, 在抽油机调参过程中, 可以轻松拆卸和安装, 给调参工作带来了很多便利, 同时也降低了停机生产时间, 提高了生产效率。
在现场检验过程中, 对需要调参的12口井进行了更换皮带轮实际操作检验, 在拆卸过程中, 明显感觉到拆卸轻松, 费时少, 没有出现拆卸不下来的情况。
1.5 防止光杆掉入井里的方法
抽油机光杆在长期往复抽汲运动过程中, 受弯曲应力与光杆卡子处的应力集中交互作用, 在光杆高应力点往往产生细微裂纹。在脉动载荷作用下, 裂纹反复开、合, 沿应力轴线垂直平面方向生长, 直至剩余材料不足以支持载荷而发生断裂, 断裂后的光杆会落入井中, 造成井场跑油, 增加修井作业难度, 影响产量, 严重污染环境。为了防止光杆断脱这种现象的发生, 在离悬绳器下端面10cm处, 打一个备用光杆卡子, 这样可以防止因光杆断脱而掉入井里的事故发生。这种防止光杆调入井中的方法简单、有效、可行, 材料购买容易, 安装方便。它运用于各油田抽油机井后, 实践效果非常显著, 可以达到企业安全管理的要求, 还可以减少产量损失和修井费用, 减少环境污染。
2 抽油机设备的管理维护及发展趋势
2.1 抽油机设备的管理
在进行抽油机设备管理中, 要维护设备的正常运转, 需要认真做好以下几点。
1) 确保抽油机设备正常运转。通过每天巡检、每月一级保养、每半年二级保养的开展, 使抽油机设备处在一个良好的状态, 保证抽油机设备的正常运转[2]。
2) 精细设备管理, 要把以维护为主, 修理为辅的精细设备管理观念带入到工作当中, 防止轻管理、轻保养, 重使用的错误观念, 要建立设备档案和设备管理规定, 有效避免工作的盲目性。
3) 异常设备管理。异常设备管理就是要跟踪管理好重点抽油机设备, 设备管理人员要掌握宏观控制方法, 也就是在管理中掌握和控制抽油机井的运行动态。对重点异常井要建立跟踪管理制度, 如超负荷井、机型偏小井、有异常响声的设备要重点跟踪[2]。
4) 抽油机再利用, 是由于新井投产, 下泵深度的变化, 原来运行的抽油机需要换机型, 换下来的旧抽油机还可以再利用。
2.2 抽油机的维护保养
通过了解设备的运行情况, 对设备运转记录、工作记录进行分析, 再根据设备的情况进行维护保养。在新疆油田上运转的抽油机, 由于野外温差很大, 使设备的零部件容易损坏, 难以保证抽油机正常的运行。因此, 除了设备的日常维护工作之外, 应加强设备的巡检次数, 及时发现问题, 及时解决。
在巡检抽油机井时, 要听抽油机在运转过程中有无异常响声, 停机后, 再用扳手或管钳对设备的零件进行检查, 查看螺栓的连接是否紧密, 如果螺栓出现松动, 就需要及时地进行紧固;对减速箱、轴承等关键部位进行检查, 查看是否有零部件旷动;查看减速箱是否出现漏油, 有无异常振动的情况;查看曲柄销的冕形螺帽有无松动的迹象, 游梁式抽油机曲柄的平衡块是否发生位移等[3]。
2.3 抽油机设备的发展趋势
20世纪80、90年代的抽油机系统效率低、能耗高, 现场使用耗电量大, 所以发展研制节能抽油机、数字化、智能化抽油机对油田生产具有重要意义。数字化、智能化抽油机可以自动采集信息和自动控制, 它能够实现对抽油机运转状态、工作参数的远程监测, 节约成本。
针对油田开发现状, 为满足数字化油田发展建设的需要, 抽油机要向高效率、低能耗、智能化方向发展。因此需要研制出具有长冲程、自动精准调参、远程控制、智能优化控制的抽油机设备, 对低渗透等供液严重不足的油井, 应着重于抽油机智能间抽功能的研究, 对于供液能力较强的油井, 应着重发展长冲程低冲次抽油机的研究[4,5]。
3 结论
1) 通过在减速器侧部加装液位计, 简化操作步骤, 减少读取耗时, 实现减速器机油液位值有效监测, 杜绝因液位过高过低导致的设备非正常工作。
2) 安装的呼吸阀装置, 能够降低呼吸阀周围漏机油的现象, 确保抽油机减速箱能长期在野外风沙、雨水等恶劣条件下正常工作。
3) 通过改进抽油机驴头挂轮, 使抽油机驴头磨毛辫子的情况得到了明显改善, 促进了抽油机的正常运转。
4) 开槽皮带轮使用, 使在调参过程中更换皮带轮方便, 节约了时间。
5) 通过使用防止光杆掉入井里的方法, 有效避免了光杆因断裂落入井中, 避免了井口跑油现象的发生, 减少环境污染和产量损失, 降低了后期修井作业难度。
6) 为满足数字化油田发展建设的需要, 抽油机设备将朝着智能化、自动化、数字化的方向发展。
摘要：抽油机是目前油田使用最多的一种机械采油设备, 抽油机在运转过程中, 由于多种原因, 在应用现场存在无法快速读取减速器机油液位值、呼吸阀易堵死漏机油、高频率出现磨毛辫子故障、调参时电机皮带轮易与衬套粘连、光杆掉入井里跑油等系列问题。通过分析研究, 对抽油机的减速箱、呼吸阀、毛辫子、皮带轮、光杆等重要部件进行优化改进, 并对抽油机的维护管理提出建议, 解决了系列问题, 促进了抽油机正常运转, 减少了抽油机的故障率, 提高了抽油机的运转时率, 提高了油田的经济效益。
关键词：抽油机,机械采油,设备维护,设备优化
参考文献
[1]贾波.规范化管理抽油机提高设备运行效益[J].中国石油和化工标准与质量, 2010, 30 (9) :210.
[2]刘强.抽油机设备规范化管理[J].油田地面工程, 2005, 24 (11) :59.
[3]张发.浅谈抽油机设备的维护与保养[J].化学工程与装备, 2014 (2) :117-118, 126.
[4]金钟辉, 彭勇, 费凡, 等.数字化抽油机技术现状和发展趋势[J].石油机械, 2014, 42 (2) :65-68.
[5]濮新宏, 雷钧.新型数字化抽油机的特点及应用[J].石油工业技术监督, 2013, 29 (7) :61-63.
抽油机设备 篇2
抽油机是开采石油的一种机器设备, 俗称“磕头机”, 通过加压的办法将油从地下抽出。抽油机按照结构分为游梁式抽油机和无游梁式抽油机两大类。抽油机有主机和辅机两部分组成, 主机是由底座、减速器、曲柄、连杆、横梁、驴头、支架、悬绳器、刹车构成, 辅机是由电动机、电路控制装置组成。
抽油机的工作原理是电动机将高速旋转运动传递给减速箱的输入轴, 经中间轴后带动输出轴, 输出轴带动曲柄作低速旋转运动, 同时曲柄通过连杆经横梁拉动游梁后臂摆动。游梁前端装有驴头, 活塞以上液柱及抽油杆等载荷均通过悬绳器挂在驴头上, 由于驴头随同游梁一起上下摆动, 驴头便带动活塞上下的往复运动, 将油抽出井筒。
2 规范化管理抽油机的意义
我国目前有抽油机井近6万口, 90%以上都用各种抽油机采油, 在抽油过程中近70%的能量在传递过程中失掉, 如果能在管理上下功夫并积极推广应用新技术, 将抽油机井系统效率提高5%, 则经济效益非常可观, 年节电可以达到7亿度以上。原油生产过程中, 抽油机出现故障会对企业的经济效益产生重大的影响。油田的开采离不开抽油机的有序运行, 尤其是对那些已经超出使用期限的抽油机来说, 怎样在现在的基础上保持抽油机的正常良好运行, 必须要加强抽油机的规范化管理。
3 如何有效规范化管理抽油机来提高设备运行效益
3.1 了解抽油机设备的常见故障
要对抽油机进行规范化管理首先要了解抽油机容易产生的故障。抽油机经常出现的故障主要有抽油机整机振动、曲柄在曲柄孔内松动或轴向外移、曲柄尾部刮碰连杆、减速器漏油、刹车不灵或自动溜车、尾轴承螺丝松动、悬绳器毛辫子拉断、皮带松动打滑等问题。了解到抽油机经常容易出现的这些问题, 在抽油机维护管理时, 重点加强对易出现上述问题的部分进行检查, 对抽油机的管理工作的有效开展有很大的帮助。
3.2 抽油机管理要遵循的原则
3.2.1 效益最大化原则
抽油机设备效益最大化原则是核心原则。抽油机设备从安装投产到设备的运行再到设备的报废, 在这个过程中, 可以通过提高管理水平, 减少抽油机出现故障的几率来降低抽油机的修理费用;可以通过提高抽油机的润滑管理水平, 降低抽油机的故障率, 来实现抽油机修理费用的降低;还可以通过例保、一级保养、二级保养, 让抽油机设备始终处在良好运行的状态, 降低抽油机的修理费用。这些都能实现抽油机设备效益的最大化。
3.2.2 设备精细管理原则
设备精细管理原则要求树立以维护为主修理为辅的观念, 纠正轻管理、重使用、轻保养的错误观念。建立工作流程和工作技术文件和管理规定, 可以有效避免工作的盲目性。
3.2.3 宏观设备管理和重点设备跟踪管理原则
抽油机设备管理中的一个行之有效的方法是采用宏观设备管理和重点设备跟踪管理方法。宏观控制方法是指管理人员在管理的过程中要全面掌握和控制抽油机井的运行动态, 这也是管理人员必须要学会的方法。对重点井要建立跟踪管理制度是指把人力、物力和精力投入到重点井上。如:超负荷井、机型偏小井这些是油田开采中非常重要的机井, 就需要进行重点的跟踪管理。
3.2.4 抽油机重复利用, 发挥资本效益最大化原则
在机井采油的过程中, 由于地质条件的变化及井下液量的变化, 抽油机泵径随之变化, 原来运行的抽油机必须要进行进行换型, 而换下来的旧抽油机大多数都是可以进行修复再利用的。另外, 由于生产条件的改变, 抽油机转电泵、抽油机转螺杆泵、抽油机井转注水井, 这些情况更换下来大量的抽油机除去一些老型号中易损坏的和已经无法购买到配件的抽油机, 其他的抽油机都可以进行重复利用。修复一台抽油机费用大概在3—5万元, 购买一台新抽油机的费用大约在13—20万元, 一台抽油机节约的费用约在75%左右, 经济效益非常明显。对抽油机的重复利用节约了成本, 也实现了抽油机在设备生命周期内效益的最大化。
3.3 实行管理日常化, 维护保养经常化
建立对抽油机进行日常管理的机制, 把维护保养抽油机的内容和标准溶解到抽油机设备日常管理活动当中, 使维护保养工作能够有效得到开展, 做到设备维护保养工作经常化。为了巩固和保持抽油机设备维护保养的标准, 我们在抽油机设备管理活动中要严格执行交、接制度, 做到“五交、三不交”。五交是:交抽油机设备的生产和工作情况;交设备的使用情况;交不安全因素;交预防措施和事故的处理情况;交设备运行情况;交滴漏跑冒情况。“三不交”是:遇有设备事故没处理完不交;设备问题不清楚不交;设备卫生不达标不交。自觉完成值班时规定的各项任务, 做到文明交班、标准交班。
3.4 抽油机规范化管理的日常具体操作
(1) 检查各连接部分, 减速箱、电动机、轴承等部分有无不正常声响。
(2) 观察各部件有无振动现象。
(3) 减速箱及各轴承部分有无漏油现象。
(4) 检查曲柄销子有无松动, 平衡块有无移动, 驴头上下运动时, 井内有无金属碰击等现象, 如发现, 立即停抽, 进行排除。
(5) 检查各轴发热情况不高于70度 (用手摸不烫为宜) 。
(6) 检查盘盒密封情况, 如果换盘或检查盘根时, 应关井口双翼光杆胶皮闸门。
(7) 检查启动器声音是否正常, 指示灯是否稳定, 悬绳器及光杆卡子坚固情况, 有无松动现象。
(8) 检查一切确认正常后, 操作人员才可离开。
(9) 每班应巡回检查两次, 如发现有不正常现象, 立即进行检查、处理, 将处理结果填写入报表, 情况严重时, 及时将情况汇报中控室处理, 将处理的结果填入报表, 情况严重时, 及时将情况汇报给值班负责人。
(10) 遇到天气突变, 大风、下雨、下雪等, 应组织加密检查, 并采取措施严防雨、雪浸入变速箱及电器设备, 发生漏电现象。操作人员接近电器设备, 应严加注意, 避免发生触电危险。
4 结束语
抽油机是油田开采的重要设备, 抽油机的运行效率会影响到油田开采活动能否顺利进行、油田资源能否被合理有效地开采。因此, 在油田开采过程中, 要重视对抽油机进行规范化的管理, 达到油田开采效益的最大化。
参考文献
[1]贾波.规范化管理抽油机提高设备运行效益[J].中国石油和化工标准与质量, 2011, 31 (9) :210
[2]刘强.抽油机设备规范化管理[J].油气田地面工程, 2005, 24 (11) :59
抽油机电动机驱动设备的节能改造 篇3
1 永磁传动器系统构成与工作原理
永磁传动器主要由永磁转子、导体转子两部分组成, 根据气隙传递扭矩技术研制而成, 使得负载转轴和电动机扭矩输出轴之间不通过机械结构进行连接[2]。永磁转子直接与负载转轴相链接, 导体转子直接与电动机轴相链接, 永磁转子和导体转子间有一定距离的气隙, 使得负载与电动机之间由过去的机械链接变换成磁链接, 系统结构如图1所示。
永磁传动器一端是由稀有金属氧化物构成的永磁体, 传动器工作时另一端通过导体与磁体之间的相对运动产生感应磁场, 两个磁场相互作用产生转矩, 如图2所示。永磁传动器输出的转速始终小于输入转速, 即存在滑差, 永磁传动器的滑差通常为1%~4%, 由于滑差的存在, 提高了拖动电动机的额定转差率, 同时也使得电动机外特性变软[3]。
2 系统性能分析
将永磁传动器安装在有杆抽油系统 (图3) 中, 电动机外特性变软, 为使电动机曲柄轴上载荷扭矩和曲柄轴变化更均匀, 利用系统中传动体的惯性扭矩去平衡抽油机上剧烈的载荷扭矩变化。
图4是安装永磁传动器前后测得的实际示功图, 从图中可以看出, 永磁传动器改变了光杆示功图的形状, 使最小载荷变大, 最大载荷变小, 减小了光杆载荷波动, 有效降低了对变速箱、电动机的巨大冲击力。
利用安装永磁传动器前后测得的示功图及抽油系统的生产参数数据等, 得到安装永磁传动器前后的曲柄净扭矩曲线。图5数据表明, 永磁传动器使曲柄轴扭矩变化更为均匀, 可延长部分设备的使用寿命[4]。
3 系统节能分析
永磁传动器会减小最大光杆载荷和曲柄轴净扭矩, 在启动负载之前永磁传动器驱动电动机运行在空载, 可以提高电网用电效率、降低配用电动机的功率。安装永磁传动器并更换电动机前后所测得2口井的数据见表1。
可以看出, 使用永磁传动器可保持抽油系统的冲速与产液量基本不变, 降低了配用电动机额定功率, 电动机效率提高, 负载率增加, 2口井的有功功率分别减少14.95%、12.30%, 无功功率分别减少29.27%、26.29%, 系统功率因数显著提高, 综合节电率达到15.75%、12.99%, 节能效果明显。
4 结论
通过对现场大量的永磁传动设备测试分析发现, 平均有功节电率可达13%, 拖动电动机平均降低容量19%以上, 拖动装置效率达到90%以上, 低效井系统效率也提高到21%以上。由此可见, 本装置可行性强, 节能效果显著, 填补了抽油机综合节电的技术空白, 可广泛推广应用于国内各大油田。
参考文献
[1]李金华, 华伟棠, 李铁.游梁式抽油机节能新技术探讨[J].石油机械, 1999, 27 (12) :42-44.
[2]刘华伟, 李濂岸, 刘郁聪.永磁传动技术在抽油机系统中的节能效果分析[J].北京石油化工学院学报, 2014 (3) :26-31.
[3]赵克中.磁力驱动技术与设备[M].北京:化学工业出版社, 2004:1-19.
抽油机设备 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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抽油机设备 篇5
1 抽油设备设计与选型
对于所研发抽油设备的使用环境和运行工况进行认真的调研, 是一种新设备设计初期都必须要做的事情。但在实践中, 确实存在许多由于在研发初期没有认真做好调研而产生问题的实例。例如在稠油生产井上使用的游梁式抽油机, 由于没有充分考虑蒸汽吞吐开采稠油井的载荷特点, 或出于降低设备制造成本的考虑, 设备动力和减速箱的配置偏低, 出现过抽油机减速箱齿轮打齿成批损坏的情况。有的因设计的强度不够或加工制造工艺有问题而出现驴头与支架等部位开裂、游梁断裂等问题。还出现过抽油机的平衡重量配置不够, 使抽油机长期处于过度的欠平衡运行状态的情况。这些问题虽然在后期都得到了解决, 但也浪费了大量的资金和人力, 严重影响了原油生产。因此, 在新型抽油设备设计 (用户在设备选型) 的前期, 要认真收集生产区块抽油机的实际载荷等现场资料, 有针对性地进行设计和选型。
这一问题的另外一个方面, 是油田用户和生产厂家都要关注设备的选型和运行问题。油田现场的人员要熟悉各种新型抽油机的结构特点和性能, 正确选择和使用抽油机, 避免因选型和使用不当造成的损坏。生产厂家要认真关注抽油设备在现场的选用和运行使用情况, 收集相关资料, 了解油田现场的使用条件是否超出了设备的能力 (例如电机功率、减速箱扭矩和平衡重量的配置) , 避免因使用不当而造成不应有的设备损坏现象。
在蒸汽吞吐稠油井的设备选型中, 认真处理好抽油机的悬点载荷、减速箱额定扭矩和电机功率3者之间的关系, 以避免出现因设备能力配置不足造成设备损坏而影响油田生产的情况。行业标准[1]对抽油系统的设计提出具体做法和要求, 标准[2,3]规定了抽油机电动机的技术要求, 但这些标准对于抽油机用电动机特别是稠油井电动机的选择都没有具体的要求, 建议加强这方面技术标准的制定工作。
2 抽油设备性能试验
2.1 抽油机的载荷试验
按照石油行业标准[4,5]的规定, 新的抽油机在出厂前需要做载荷试验。对于新的抽油设备样机, 厂家一般也参照这种做法进行台架运行试验, 以验证设计方案的可行性。但这种做法的主要问题是, 在厂内对抽油机所进行的悬重运行试验与油田现场油井实际的工况有很大差距。除了工作场合的自然环境有差距外, 主要是厂内悬重试验的载荷特点与抽油机井的实际工况有很大的差距, 这种一般性的厂内试验无法代替在油田现场的运行试验, 不能真正检验设备的实际能力。
2.2 抽油机悬点载荷的基本特点
抽油机悬点载荷有3个基本的特点。一是上下冲程的载荷存在一定的差值。在稀油井上如果忽略摩擦载荷时, 这个载荷差基本上等于深井抽油泵截面上的液柱载荷。在稠油井上, 由于采出液的黏滞阻力很大, 这种载荷差可能会达到很高的程度, 这是抽油机载荷最大的和最基本的一个特点。二是悬点载荷有加载和减载的过程。由于抽油杆和油管在运行中发生弹性变形, 在示功图上会出现一个明显的加载和减载的过程, 泵挂越深, 这一过程所占的时间就越长。三是存在一定的惯性载荷。由于运动中惯性力的影响, 在上下冲程中都存在一定的惯性载荷, 抽油机的冲次越高, 惯性载荷就越大。
图1是一幅考虑了惯性载荷及管杆弹性变形的抽油机悬点载荷理论示功图。图中的横坐标是悬点位移, 纵坐标是悬点载荷。虚线ABCD是没有考虑惯性载荷的静力示功图, 图上有显著的载荷差 (BC和AD之间的垂直距离) 和加载与减载的过程 (AB线和CD线) , 实线A'B'C'D'是受到惯性载荷影响而产生一定角度扭转的理论示功图, 上下冲程的载荷线有较大的波动。该理论示功图反映了抽油机悬点载荷的3个基本特点。
2.3 解决载荷试验存在问题的途径
生产厂家用金属重块进行的载荷试验则基本上不具备抽油机载荷的3个特点。同时, 在厂内试验时可以将载荷的平衡度调整的很好, 特别是采用对称平衡方式的立式抽油机更是如此, 此时电机只需做少量的功就可以维持运转, 这对于抽油机的电动机功率、减速箱扭矩的需求以及对设备各个系统的考验程度远不及油田现场。
如果没有能够较好地模拟抽油机井载荷的装置, 在抽油机的工作原理和设计制造质量通过厂内试验的初步验证后, 生产厂家应该尽快将样机投入油田现场进行载荷试验。在厂内进行半年甚至1年以上的运行试验实际上是不必要的。为减少试验期间对油田原油生产的影响, 可以与用户协商, 选择报废再利用的低产油井进行抽油机性能的验证试验。
3 抽油设备可靠性
3.1 抽油设备使用的自然环境
使用环境是任何设备研发者都要首先考虑的问题。目前, 国内外大多数油田都位于自然环境和气候较差甚至十分恶劣的地方, 机械采油设备作为一种长时间运行的户外设备, 其使用的外部环境可以概括成几句话:“设备连续运行, 野外无人值守, 承受风沙雨雪, 历经严冬酷暑”。
在节能抽油机的研发推广过程中, 有的厂家由于对这种设备使用环境的严酷性认识不够, 设备的性能指标 (杆件强度、控制部分耐温性) 偏低, 造成设备研发的失败。
3.2 用户对设备可靠性的要求
使用采油设备的生产单位对设备的连续运行能力 (即可靠性) 要求较高, 主要原因是“原油产量按计划生产, 操作成本严格控制”。自然环境和用户的要求这2方面的因素就决定了用于现场的采油设备必须满足以下要求:“高度可靠、操作方便、安全性好、适应性强、维护费低、节能降耗”。
在这里, “高度可靠”是对抽油设备最重要的要求。在节能抽油机的研发推广中, 一些机型投入使用后不久就退出了油田, 出现“昙花一现”的现象, 其主要原因就是故障率偏高, 可靠性差, 运行时率低, 不能满足油田现场对抽油设备可靠性的要求。
3.3 节能与可靠性的关系
在新型抽油机的推广过程中, “节能效果好”一直是一个亮点, 也是生产厂家经常拿来宣传其产品的主要“噱头”。但经过多年的现场实践, 人们已经普遍认识到“可靠性”才是对抽油设备最重要的要求, 没有高度的可靠性节能就无从谈起。这是由于生产原油的价值远高于节约的电费。用实例来说明该问题。使用节能设备节约电量折合费用为
式中:A为节约电费折价, 元;Mdy为吨液耗电, k W·h/t;δ为有功节电率, %;DP为电费价格, 元/k W·h。
由于故障影响产油量的折价为
式中:B为影响产量折价, 元;Q为日产液量, t/d;Ψ为原油含水率, %;OP为原油价格, 元/t。
某油田的吨液耗电为20k W·h/t, 油井产液量4t/d, 含水75%, 使用节能设备的有功节电率为50% (一般达不到这样的效果) , 电费为0.7元/k W·h, 原油价格为3 000元/t, 用公式 (1) 计算出每天节约电量折价为28.0元, 若因故障停机1天, 按 (2) 计算的原油价值为3 000元, 2者相比, 需要约107天的节电效果才能弥补这一损失。由此可见, 如果故障率偏高, 则抽油机节电所产生的效益会远低于损失产量的价值。因此, 设备制造厂家应将抽油设备的可靠性放在第一位, 真正下大力气努力提高抽油设备的可靠性, 这是节能抽油设备能够持续发展的根本所在。
4 抽油设备的辅助功能
4.1 辅助功能的内容
抽油机作为油田上一种最常见的采油设备, 其主要功能是通过悬点的往复运动举升抽油杆柱, 带动抽油泵完成抽油生产过程。与此同时, 为了满足正常的生产管理、安全运行和设备维护等方面的需要, 抽油机还需要具备便于实施各种操作的辅助性功能。这些操作包括悬点对中、悬点载荷的卸载与挂载、给修井设备作业让位、平衡调节、参数调整以及配合油井测试, 等等。新的抽油设备要在设备运行高度可靠的基础上, 同时具备完善的各项辅助功能, 才能成为生命力强大、深受用户欢迎的设备。常规游梁式抽油机经过百余年的发展, 各种辅助功能比较健全, 油田现场也非常熟悉这些辅助功能的使用, 这也是游梁式抽油机能够长盛不衰的一个重要原因。
4.2 辅助功能不足所产生的问题
新型抽油设备在研发过程中, 发生过某些辅助功能不够健全的问题, 这在立式抽油机上表现的比较突出。立式抽油机由于其特殊的结构和运行控制的机理, 冲程、冲次等参数的调节和平衡调整比较方便, 受到油田现场的普遍欢迎。但某些机型在作业让位、依靠自身动力实施卸载与挂载以及配合测试等方面费时费力, 操作比较困难。这些问题增加了设备使用的难度, 严重影响了油田现场使用这种抽油机的积极性, 成为妨碍新机型试验和推广的一个重要原因。因此, 抽油设备生产厂家应该加强对新型抽油机各种辅助功能的研究, 并在油田现场的反复试验中不断完善这些功能。在相关的技术标准[4,5]中应逐步完善这方面的要求。
5 抽油新设备的售后技术服务
生产厂家良好的售后服务是新设备试用和推广过程中的必备条件。因为是新设备, 用户了解不够, 在使用和维护方面有一定困难, 厂家必须提供好的技术服务, 在这一点上厂家和用户都已经达成了共识。近年来, 随着电子技术的快速发展, 在抽油设备的控制系统中采用了较多的自动化技术, 使设备的操作和使用更加方便, 但这些方面正是油田现场维护的难点, 厂家必须提供较好的服务才能保证设备的试验和正常使用。
实现技术服务的本地化是新设备成功推广的一个重要因素。例如近年来发展较快的立式抽油机具有参数调整十分简便的特点, 但这种简便是由于采用了变频及智能控制等比较先进的技术, 其控制系统与常规游梁式抽油机相比要复杂许多, 维护的难度较大, 一般需要厂家的专业人员负责维护。在油田现场发现, 一些新型立式抽油机试验时的运行时率远低于正常运行的游梁式抽油机, 对油井生产造成不良影响, 因而成为阻碍新设备推广的主要因素之一。如果能通过提高控制系统标准化、模块化设计水平, 并在售后服务方面建立完善的质量管理体系, 加强对现场维护人员的培训或通过代理方式实现设备维护工作的本地化, 无疑能够推动新设备的大面积推广。
6 结论
1) 抽油设备的研发和油田现场的选型要充分考虑到油井的实际工况, 这样可以有效避免不必要的浪费, 使新设备更好地发挥作用。
2) 抽油井的载荷有3个基本的特点, 在厂内的载荷试验一般无法满足这些特点。设备的工况试验要尽量接近油井的实际情况。
3) 可靠性是油田现场对抽油设备最基本和最重要的要求, 也应该是设备生产厂家的追求。只有在可靠运行的前提下才有可能实现节能的目标。
4) 抽油设备完善的辅助功能也非常重要, 是设备能够让用户接受和大面积推广的重要前提之一。
5) 售后服务是新设备能否推广应用的关键因素之一, 实现售后服务的本地化是新设备推广应用的一条有效途径。生产厂商要建立完善的抽油设备质量管理体系。
6) 抽油设备的研发和推广应用是一项复杂细致的系统工程, 需要生产厂家和用户之间的密切配合。与此同时, 建立质量管理体系和不断完善抽油机选型使用方面的技术规范是非常必要的。
摘要：探讨了新型抽油设备在设计研发和试验推广过程中的诸多问题, 包括适应性设计与选型、工况试验、设备的可靠性要求、辅助功能以及设备的售后服务等, 并在设备研发和试验的标准化以及生产厂家售后服务管理体系的建设等方面提出一些建议。
关键词：抽油设备,设计与选型,可靠性,性能试验
参考文献
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抽油机设备 篇6
1 现代柴油机系统仿真模型
现代柴油机系统仿真模型见图1,是含有气体、液体、固体系统的综合模型,是现代柴油机系统研究的基础。它包括进气系统(空滤器、增压器、中冷器、进气歧管)、排气系统(排气歧管、废气再循环EGR、变量增压器)、柴油机循环泵气、燃烧特性、冷却等系统。
2 柴油机系统仿真模型建立的基本理论
现代柴油机系统仿真模型的建立,是基于其工作特征的块状结构理论,具体体现在压力损失的描述、节流状态描述(阀/体积状态)、热量转换(冷却器及燃烧)的描述、发动机泵气的描述、增压器(压缩机及VGT)的描述和发动机转矩的描述等。
2.1 节流性能
流体的节流特征见图2,流经节流段的压力特征为:
式中,p1,p2是上口、下口的压力;W12是流体的质量流量;u12是流体的速度;k是压力损失系数;ρ1是上口的流体密度。
上述是基于不可压缩流体的流动。
2.2 阀特征
流体流经阀的流动特征见图3。
式中,A是阀的有效面积,T1是上口的温度。
这里,R是流体常数,γ是热比率,PRCrit临界压力比,见公式(4):
这关系式应用于可压缩流体的流动。模型中,不允许PR低于PRCrit。
2.3 体积特性
模型中的体积结构见图4,根据理想气体的非稳定流动,流经体积的能量平衡如下:
式中,V2是体积的容积,cp及cv分别是在常压常体积下的气体热特性,假设没有通过体积壁面的热交换(即等热过程)。
同样:
应用理想气体在体积中的温度定律:
上述应用于进气歧管与排气歧管中。
2.4 进气歧管体积特性
相对于上述的体积特性,进气歧管有一特殊的能量进入与能量离开的体积特性。以EGR方式进入进气歧管,见图5。有关能量平衡表示为:
此处,表示空气和废气不同性能的参数是cp1,cp4及cp2,它们分别是在相同压力下空气、废气及其混合气的特殊体积热容量。后者可以根据空气与废气的比例关系得到(R2及cv2同样方式得到),即:
式中,zEGR是EGR控制ECU设定的废气与空气的比例,%。EGR比率z·EGR可由式(11)得到。
离开进气歧管的温度可根据式(7)计算,而密度则是引自下列不同的公式:
2.5 冷却器
冷却器原理见图6,离开冷却器的气体温度为:
式中,ε是冷却器有效散热系数,TCool是冷却器温度,散热系数与发动机转速与流量有关,即:
2.6 燃烧特性
燃烧热转换的能量平衡关系,决定着废气的热量,见图7,即:
式中,zExh是燃油能量转换为废气热量的比例系数;LHV是燃油低热值;WFuel及WExh分别是燃油和废气流量。zExh值则如下所示:
2.7 发动机泵气
发动机的泵气流量是基于发动机的稳态流动,见图8,流量为:
式中,ηVol是发动机容积效率,是发动机工作状态的函数,VEng是发动机排量,发动机转速单位是r/min,ηVol则如下所示:
2.8 压缩机
压缩机由制造商的稳态试验参数而模型化,见图9,其参数是流量及各向效率。首先,流量参数Υ表示为:
式中,f1是压缩机压力比率及速度参数的函数。
效率η表示为:
式中,f2是压力比率和流速参数的函数。
2.9 VGT变量增压器
VGT也是由稳态试验参数给出模型特性,见图10。
流量参数Υ,表示为:
式中,f1是增压器压力比率与VGT执行器位置的函数。
效率η表示为:
式中,f2是三维变量,叶片速率(BSR),涡轮机速度参数及VGT执行器位置的多变量函数。
而BSR可表示为:
式中,uT是叶片端部速度,u12是流速,DT是叶片端部直径。
2.1 0 发动机转矩
发动机均值制动转矩可表示为:
式中,TqGrossInd发动机总指示转矩,TqPump及TqFric分别是阻力矩及泵气与摩擦损失转矩。
发动机总指示转矩表示为:
式中,ηTh是发动机热效率(总效率),nCyl是缸数,QInj是每行程的喷油量,Th是转速和负荷的函数:
阻力矩及泵气与摩擦损失转矩可表示为:
式中,TCool是发动机冷却温度。
3 现代柴油机系统仿真模型的应用
现代柴油机系统仿真模型的动态响应由模型各相应环节的特性决定,在整个过程中是能量平衡的现象。系统的输入有发动机转速(r/min)、燃油喷射量(mg/s)、环境压力(Pa)、环境温度(K)及相关控制单元的指令等。模型中关键参数的表征是基于相关系统的数值化处理,具体有发动机效率MAP图、发动机容积效率MAP图、发动机摩擦转矩MAP图、冷却器效率MAP图、EGR阀流动和冷却效率MAP图、空气系统压力损失MAP图、排气管路压力损失MAP图、各管孔MAP图等,见图11、图12。
4 结论
随着科学技术的发展,要求现代柴油机能够利用先进的电子控制功能,针对非公路用机动设备车辆系统控制要求,在现代柴油机系统仿真模型的基础上,定制最佳动力曲线,调整额定功率,并根据工况、负载、温度、海拔等使用要求,制订经济高效的动力储备方案实现柴油机与车辆系统的完美匹配。
摘要：非公路用机动设备柴油机现代仿真技术研究集成了现代计算技术、控制技术和试验技术,对现代柴油机技术研究中的系统仿真模型、系统仿真基础理论、系统仿真结果应用等均作了介绍,为现代柴油机技术与非公路用机动设备系统集成仿真研究创造条件。
关键词：柴油机,仿真,技术
参考文献
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