抽油机节能方案研究（共7篇）
抽油机节能方案研究 篇1
在石油开发的过程中, 将石油开采出来的方式有两种。一种是利用石油自身的压力从油井里面自动喷射到地面上叫做自喷采油。另一种就是使用动力将油井里的石油抽取到地面上来的方式称之为机械采油。目前我国的石油开采经过了几十年的发展, 多数的油田已经不能自喷采油了, 大部分采用抽油机向外抽油的采油方式。但是我国在利用抽油机作业时存在众多的问题, 致使抽油机的工作效率远远低于国外的作业水平。因此, 我们有必要对这些问题进行分析与研讨, 以提高抽油机的效率。为节省能源和降低能耗支持可持续战略的发展做出努力。
1 关于抽油机能量损失的分析与探讨
抽油机的能量损失是指抽油机在完好工作状态时的损耗与实际损耗之间的差距比例。一般影响抽油机能量损失的有两大因素, 即可避免损失与不可避免的损失。可以避免的损失我们称之为人为的损失, 不可避免的损失我们称之为自燃损失。众所周知, 能量守恒定律只有在真空的状态下才有可能实现, 抽油机的工作会牵涉到各种各样的摩擦力, 比如说石油与抽油机管道产生的摩擦损耗、抽油机的联动装置之间的摩擦损耗等等。这些损耗往往有其不可避免的原因所在, 但是我们在操作的过程中可以合理的降低这些损耗。这也是我们研究的主要方向和重点内容。下面我们就主要来探讨一下抽油机的能量损失原因。
1.1 变速箱的损失
变速箱是抽油机的动力装置, 这个动力装置可以是机械动力也可以是电力动力。无论选择那种动力都不能避免因为热损耗和摩擦损耗带来的能量损失。对于这种损失我们统称为变速箱损失。变速箱损失主要体现在两个方面, 正常的热损失和摩擦损失人力不能够避免, 但是由于发动机的操作不当或者是年久失修以及维护不当引起的损失我们完全可以避免。主要的做法就是对变速箱进行状态检修的方式, 即定期关注发动机的工作状态对其存在的故障以及潜在故障进行控制与管理, 使变速箱能够长期的处于良好运行的状态。自然而然的能量损失就可以得到很好的控制。
1.2联动装置和其他附件造成的能量损失
电动机与抽油设备之间的联动装置以及油泵头、输油管等等其他附件的能量损失也主要来自于两大方面。即正常的摩擦损失及非正常工作状态下的能量损失也可以称之为工作效率低引起的能量损失。具体的包括以下几个方面:
1.1.1 传动部件上的能量损失
主要体现为摩擦损失、或者是皮带损失。因为不同的皮带在摩擦力上有着大小不同的表现。
1.1.2 减速箱损失
主要是摩擦损失, 或者说是由于磨损严重致使的能量损失。
1.1.3 四连杆装置损失
主要是轴承摩擦损失或者是钢丝绳变形带来的能量损失。
1.1.4 抽油泵能量损失
抽油泵能量损失主要体现在机械损失, 水力损失等几个方面。
1.1.5 推油杆的能量损失
主要体现为磨损导致的能量损失或者是变形导致的摩擦力加大带来的能量损失。
2 关于抽油机节能的一些措施的分析与探讨
通过研究与探索了抽油机发生能量损失的原因与状况, 我们就针对性的制定一些有效的措施。以便于可以更好提高抽油机的工作状态达到节能的目的。主要的措施和方法体现在以下几个方面:
2.1 采用节能型的抽油机
抽油机的发展过程也是随着人们对于它的要求日益提高来进步的, 目前石油开采中经常使用的节能抽油机主要有:直线电机式抽油机, 前置式的抽油机、双驴头抽油机以及渐开线抽油机等等。
(1) 直线电机式抽油机, 是直接将电能转成往复冲程的加压抽油动力, 减少了动能到机械能的转化过程。从而减少了自然摩擦的消耗, 从根本上降低了能量的消耗。
(2) 前置式抽油机缩短了联动装置以及轴承和传送带的距离, 从根本上降低的摩擦力提高了抽油机的工作效率。
(3) 双驴头抽油机是基于之前采用的抽油机进行的改良, 在工作效率和使用功能上都有很大程度的提高。
(4) 渐开线抽油机主要是通过改良轴承的扭矩, 是指趋向于省力的一面。降低了扭矩的自然损耗, 从而提高了抽油机节能能力。
2.2 抽油机的节能电力控制
由于目前的石油开采多采用水加压的方式使石油能够进入到油井, 然后再通过抽油机作业将其引入到地表。由于石油导入油井有一个是奖赏的差距或者是量上的差异, 并不能满足抽油机的全力工作需求。经常性的会导致空抽或者是入不敷出的现象发生。针对于这种不必要的能量损失, 我们主要采取以下几种节能方法来实施控制与管理。
2.2.1 安装自动间歇性的抽油机继电控制器
这种装置是针对空抽现象专门设置的, 其工作的原理是通过对井底石油的压力状况来控制抽油机的工作状态。在井底石油供应量好、量比较大时抽油机将快速的运转以最快速度抽取石油。当井底石油量小、供应慢时则小功率的运行不至于抽空现象的发生。这种装置可以很好的实现节能的目的, 但是安装的费用比较大。
2.2.2 变频调速节能
变频调速节能是由于很多油井的渗透能力达不到抽油机的容量, 但是抽油机又不能间歇性作业的石油开采工程, 就需要通过变频降低抽油机电机转速来降低动力能耗。现代低压变频设备已经是非常成熟的产品了, 这就为抽油机的变频调速提供了大大的可能。变频调速的优点主要体现在: (1) 大大节省了抽油的电力消耗。 (2) 可以为油田的石油开采增加产量。由于变频控制是根据是有的渗透能力来进行抽取作业的, 因此能够达到抽取的最前状态。普遍的会增产百分之一到百分之四。
3 总结
本文主要通过分析抽油机的能量损失原因, 来针对性的制定了一些关于抽油机节能的措施与建议。旨在与同行业人士进行交流与学习, 同时也希望有更多的从业人士参与到这项工作的研究中来。为了石油开采的低能耗发展和国家的可持续发展战略做出应有的努力与奉献。
摘要：世界能源危机与能源价格的不断上涨是世界各国都重点关注的问题。作为不可再生的资源, 用开源来解决能源匮乏问题显然是治标不治本的方法。因此, 加强能源开发与使用中的节流或者说是节能才是目前切实可行的好办法。加强开发中的节能问题需要我们从能源开发的每一个环节进行着手, 油田抽油机作为石油开发中的大型设备。其节能问题是需要我们重点关注的一个环节。我们主要从抽油机损失的原因和节能措施两方面来探讨抽油田抽油机节能问题。
关键词：抽油机,节能,原因,措施,探究
参考文献
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[2]李敏, 崔爱玉, 宁刚, 史浩.抽油机节能技术的探讨[J].油气田地面工程.2002 (04)
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[4]王越.浅谈节能技术在抽油机井上的应用[J].中国石油和化工标准与质量.2011 (08)
节能型抽油机研究 篇2
关键词：节能型,油田,抽油机,发展,问题
0前言
就目前我国的原油开采情况来讲, 主要分为两类: (1) 主要是通过利用地层自身的能量, 将原油"喷"出来, 通常也称之为自喷采油方法, 使用这种采油方式进行采油的大多都是一些储量大且开发时间短的新油田; (2) 一些已经经过多年的开发到了中老年阶段的老油田, 地层的能量已经不能使得原油出现自喷的现象, 必须通过使用一些机械设备将原油"采"到地面上, 这种采油的方式也被称之为举升采油或是机械采油。
1 抽油机的发展现状
由于我国油田开发年限的不断增加, 抽油机的数量也在不断的增加, 所以对与现在的油田开发来讲, 研发具有高节能性、可靠性的抽油机等石油机械设备是目前急需解决的问题。现阶段我国油田所使用的抽油机有很多的种类, 可以将其分为有粱式抽油机和无梁式抽油机。下面以有粱式抽油机为例对抽油机的分类进行简要介绍:
1.1 常规有粱式抽油机
常规有粱式抽油机是我国油田使用时间最长, 拥有数量最多的一种抽油机。常规有粱式抽油机主要采用具有对称循环四杆结构或是近似与对称循环四杆的机构, 这种抽油机主要具有以下特点: (1) 抽油机的结构简单; (2) 运行稳定可靠; (3) 维护保养简单方便。但是同时这种抽油机也具有一些缺点, 例如, 在运行过程中平衡效果较差, 并且效率低, 耗能量较高, 不符合我国的节能标准, 目前已经基本停止使用了。
1.2 前置式抽油机
前置式抽油机平衡后的理论净扭矩曲线是一条相对均匀并且基本近乎于水平的直线, 所以前置式抽油机的运行相对比较平稳, 并且减速箱的齿轮基本上没有反向负荷, 抽油机的使用寿命也相对较长。并且前置式的抽油机可以安装具有较小功率的电动机, 其节能效果非常好。
2 抽油机的节能技术
通常情况下来讲, 有杆泵式的机械采油具有较为广泛的使用要求, 并且在油田中的数量较多。但是由于有粱式抽油机也存在着能源消耗较大, 并且效率较低的问题, 但是由于油田开发年限的不断增加, 使得采油的成本也不断的提升。在油田的生产过程中如何减少游梁式抽油机的耗能量, 已经成为众多石油机械研究人员的主要研究问题。
通过对抽油机节能的方式进行研究可以发现, 抽油机的节能除了采用传统的节能型动力驱动系统以及节能型的传动元件以外, 再就是改变传统的机构运动形式或是使用新的平衡方式。以上说的这几种方式其实质就是尽可能的降低减速器输出轴上的净扭矩Tn曲线的一种波动, 由于曲柄旋转平衡重产生的平衡扭矩Tr的曲线成正弦规律变化, 这样就要对抽油机悬点载荷反映到减速器曲柄轴上的载荷扭矩Tw进行适当调整, 同时也可以使用一种动态的方式改变抽油机的四连杆的机构的杆长来对载荷曲线的变化规律进行改变, 从而达到抽油机节能的效果。并且通过对比后可以发现, 主要有以下两种表现形式: (1) 柔性连杆抽油机的最大悬点载荷较低; (2) 净扭矩曲线相对平缓, 同时增大了谷值扭矩。需要合理的选择其平衡扭矩, 从而有效的消除负扭矩。
3 抽油机的发展方向
随着我国经济体制的不断转变, 油田的发展也逐渐转变为以经济利益为中心。所以, 通过研发新技术, 有效控制能源的消耗已经成为油田开发过程中恒定不变的主题, 这也是抽油机在今后一段时期内的发展方向。在我国发展具有高效节能作用的抽油机, 必须要确保其技术性与经济性相统一, 并且在发展的过程中要明确技术是永远排在第一的位置的, 而经济性则是其次的。换句话说也是是在确保抽油机正常运行饿情况下, 才可以有效的提升抽油机的节能效果以及抽油机整体的经济性。从长期的发展来看, 抽油机主要有下述几种主要的发展方向:
(1) 具有高度智能性以及节能性的抽油机是我国传统抽油机在今后长时间的发展方向。并且就目前抽油机的发展情况来讲, 这种发展会成为抽油机发展的最高阶段。主要可以从以下两方面进行研发: (1) 根据不同油井产液量对抽油机的设备进行启停设置, 从而实现降低无效的耗能量; (2) 根据悬点载荷量的变化进行自动的平衡调整, 在运转的过程中起到节能的作用。
(2) 使抽油机逐渐向统一使用标准或是个性化方向发展, 如果可以就尽量的进行统一抽油机的生产标准, 对于不能进行统一的标准必须突出抽油机的个性。在对抽油机进行推广的过程中必须要对抽油机的零件等进行统一, 特别是抽油机的底座, 从而实现对不同油井所使用的抽油机进行更换。
4 结语
抽油机是有杆抽油机械设备中最为重要的组成之一, 在我国油田开发的过程中抽油机具有不能取代的作用。通常情况下来讲, 有粱式抽油机主要具有以下特点: (1) 其结构相对简单; (2) 非常坚固耐用。并且抽油机在我国油田中处于一种主导的位置。不过, 游梁式抽油机也有一些缺点, 例如, 其耗能量非常高、在运行过程中的荷载波动较大。
参考文献
[1]周维.游梁式抽油机节能技术的现状与展望.石油矿场机械, 1987, 16 (5) :28-32.
抽油机节能方案研究 篇3
关键词：抽油机,节能,变频技术,应用
对于油田生产作业现场所使用的抽油机装置而言, 主要节能途径有两种:一是基于电动机自身运行系统因素的考量, 提高电动机正常运行状态下的负荷率水平以及工作效率, 提高功率因数, 从而在运行时间既定的条件下, 达到提高运行效率的目的;二是从抽油机运行系统的角度上来说, 对电动机所对应力学特性进行合理的改革, 使抽油机、抽油杆、抽油泵能够达到最佳配合关系, 从而提高运行效率。在变频技术的发展更新作用之下, 有关研究人员指出可通过引入变频器的方式解决上述问题, 发挥变频控制技术在冲程、冲次、软启动保护。以及过载保护等多个方面的优势。
1 整体概况
根据抽油机所运行井况特点编写可直接储存在系统可编程序控制器当中的运行程序, 根据对运行参数的调节以及对位置传感器装置所输入信号数据的读取, 实现对相关信号的输出。在此基础之上, 变频器模块接收来自可编程序控制器的输出信号, 病根据内部指令编程获取对应的电源频率输出参数、电压频率输出参数, 达到控制异步电动机转动速度的目的。按照此种方式, 使整个控制器参与到机架滚筒以及抽油杆的往复式运动当中。
2 抽油机节能中变频器技术应用的关键问题分析
2.1 变频器结构特性分析
变频器基于空间矢量PWM技术, 确保整个变频器在运行过程当中能够具有低电流纹波、低转矩纹波、以及低电动机温升等多个方面的突出优势。在变频器的运行期间, 能够根据多步速度输入P1~3以及多步加速度输入P4~6的不同组合, 从而实现对8种不同类型多步-多步加速度的良好控制。抽油机正常运行状态下, 变频器PLC中央处理模块能够根据面板调节参数计算在对冲程、冲次进行调整优化过程中所对应的脉冲数, 同时根据速度曲线设置对应的加速段、减速度初始位置。在该初始位置既定的条件下, 能够计算各个调整区段的频率参数、加速时间参数、减速时间参数。以上步骤中所获取的数据信息能够建立在RS485变频器配套通讯模块的基础之上输入变频器处理器内部 (该过程当中配合完成对多步-多步加速度P编码值的输入作业) 。在整个过程当中, 抽油机运行可带动变频器“软启动”, 故而启动下不会对电网系统产生瞬时冲击, 降低电动机装机容量指标。更加关键的一点是, 由于变频器能够提供包括过电压、过电流、欠电压、前电流在内的多种保护兴措施, 故而对于解决能量回馈以及冲击电流放慢的问题效果突出。
2.2 变频器载荷问题处理
在变频器改造背景下所形成的抽油机整体结构与电梯结构类似, 即抽油机一端设置为抽油载荷模块, 另一端则设置为平衡配重载荷模块。在抽油机整机运行的状态下, 若抽油载荷所对应的扭矩与平衡载荷所对应的扭矩保持一致关系, 或两者对应扭矩的变化完全一致, 则在较小动力支持下即可实现整个抽油机的稳定运转。但以上多仅限于理论研究。结合实践工作经验来看, 抽油机运行状态下所表现出的抽油载荷大多处于持续变化状态下, 这一运行特性决定了抽油机平衡载荷模块的扭矩不可能完全与载荷模块表现一致。若两者出现严重失调的问题, 则所产生的冲击电流除可能造成能量浪费以外, 还可能会对抽油机自身产生不良影响。针对该情况, 建议根据抽油机电动机的额定功率来选择与配置变频机容量。在产生冲击电流的情况下, 诱导变频器执行过载保护动作, 对配重块进行合理调整, 从而将冲击电流值控制在允许范围之内。结合实践经验, 推荐冲击电流与正常工作电流的比值取系数1.5, 在确保抽油机稳定运行的同时, 延长启动状态下的加速时间设置。
2.3 可编程控制器通讯问题
该抽油机变频控制装置配合可编程控制器的应用是基于内置RS485以及RS232的通讯端口, 支持当前多种版本的通讯协议, 面向抽油机实现单独或连续模式的读写操作。在整个控制装置的运行过程当中, 操作人员仅需要对抽油机冲程、冲次、以及上冲程/下冲程速度比参数进行调整, 即可通过该可编程控制器实现对上冲程、下冲程运行频率的计算工作。与此同时, 可编程控制器支持与变频器实时通讯, 通讯结果可直接上传至变频器处理模块当中。所输入信号能够经由可编程控制器处理后对应生产输出信号, 通过该输出信号达到控制变频器模块的目的。
3 结束语
当前油田生产实践中常用的抽油机节能方法均在实践中存在制造难度高、可操作性水平低、恶劣条件下应用受限、动作可靠性不高等方面的问题, 很大程度上限制了抽油机节能的发展。文章结合油田抽油机在正常运行状态下的工作规律以及负载特性, 提出了一种融合变频技术的抽油机节能控制装置, 通过对该控制装置的应用, 实现对抽油机功率因数的提升, 提高其通用性水平, 同时通过软启动的方式, 控制启动下的机械冲击, 延长设备有效使用寿命, 并兼顾实现了良好的功能扩充优势以及安全保护优势, 值得在抽油机节能实践中广泛应用。
参考文献
[1]黄永平, 郭凯, 金玉善等.调压式抽油机节能控制器的研究[J].电子学报, 2013, 41 (4) :828-832
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[4]夏振华, 蔡昌新, 王晓爽等.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, 37 (8) :47-50
抽油机节能方案研究 篇4
1 酒东油田现状
目前, 酒东油田在抽油机平衡调节管理中采用的平衡标准是“电流平衡法”, 即抽油机下冲程最大电流与上冲程最大电流之比, 认为此值在80%~110%之间抽油机即是在平衡状态运行。在用数字化系统虽能采集三相电流数据, 但采集电流仅为周期性数据, 无法识别峰值, 所以, 所提供的平衡参数不具备参考性, 加之电流法不能区分电流相位[1], 抽油机负功较大时易产生假平衡 (由于不平衡而产生的倒发电现象, 导致负功率问题) , 不能完全体现抽油机平衡状况, 导致抽油机效率低, 能耗高;但数字化系统可采集应用的电功率参数较多。鉴于以上情况, 可研究应用抽油机功率平衡计算方法, 并集成于数字化系统中, 从而指导抽油机平衡调节工作。
2 电功率平衡计算方法研究
在抽油机以平衡状态运行时, 应表现出电动机消耗能量最少, 对应变速箱输出扭矩 (曲柄扭矩) 最小。然而, 由于曲柄周期运动内扭矩有正、负值, 若用平均扭矩值来反映, 则和实际大小偏差较大, 而相比之下均方根扭矩则能消除符号影响, 更准确反映变速箱扭矩真实情况, 且可由扭矩指数 (平均扭矩与最大扭矩之比) 和周期载荷系数 (均方根扭矩与平均扭矩之比) 来反映输出扭矩波动程度和节能效果;其中扭矩指数越大, 周期载荷系数越接近1则说明输出扭矩变化越均匀, 相应地电动机功率利用率越高, 节能效果越好。
式中:
Tm——平均扭矩值, k N·m;
Te——均方根扭矩, k N·m;
Ti——瞬时扭矩, k N·m;
φ——曲柄转角, rad;
FCL——周期载荷系数;
Tmax——最大扭矩, k N·m;
ITE——扭矩指数。
在从电动机至变速箱的能量传递过程中, 抽油机皮带的传动功率损失与电动机的固有功率损失是相对不变的, 而电动机的能量转换损失与电流的平方成正比。当抽油机平衡运行时, 相应电流变化均匀, 均方根电流值最小, 电动机的能量转换损失最小。而运行过程中决定电动机电流值的因素是输出负载扭矩大小。为此, 从安全和节能的角度出发, 当电动机的负载扭矩均方根值最小时, 则均方根电流值最小, 此时抽油机最安全, 电动机发热量最少。
式中:
T2i——电动机负载扭矩, k N·m;
n——电动机轴到曲柄输出轴的总减速比;
μc——传动效率, %。
由于曲柄扭矩与电动机负载扭矩成正比, 为了达到抽油机平衡运行目的, 应使曲柄扭矩的均方根值达到最小。同时, 相对于测量电动机的负载扭矩和曲柄扭矩而言, 电动机的功率参数测量更为便捷, 且数字化系统对其数据值已有采集。由于在抽油机运行过程中, 通常将电动机转速及曲柄轴角速度视为均匀 (固定) 值, 则有如下关系式:
式中:
Pi——瞬时电动机输入功率, k W;
μd——电动机效率, %;
ω——曲柄角速度, rad/s。
综上所述, 抽油机调平衡就是要使变速箱的输出扭矩最小。而曲柄扭矩与电动机输入功率大体成正比, 最佳平衡的标准就是使电动机输入功率的均方根值最小, 也就是均方根扭矩最小, 抽油机平衡运行。
3 平衡配重计算调节
由于抽油机功率曲线是以冲程周期为周期的连续函数, 且满足狄利赫里条件, 可以分解成一系列的三角级数[2]。对抽油机的功率曲线函数P (t) 进行傅里叶变换, 可以展开成收敛的三角级数, 即
其中
式中:
a0——功率函数恒定分量 (平均功率) , k W;
an、bn——功率曲线各次谐波的余弦部分幅度和正弦部分幅度, k W;
T——一个冲程周期, s;
n——冲速, min-1;
t——时间, s。
均方根功率Pt为
酒东油田在用前置型抽油机均为游梁平衡方式, 即游梁尾端调节平衡配重以增减平衡功率, 由于不平衡功率数值上对应于功率曲线中一阶正弦分量[3], 要使得均方根功率最小, 则式 (12) 中一阶正弦分量为零;如果平衡功率增加或减少的量ΔPp与当前b1的大小相等、符号相反, 就可以抵消一阶正弦分量, 即
式中:
b1——不平衡功率, k W;
ΔPp——平衡功率变量, k W;
S——抽油机冲程, m;
ΔG——平衡配重块重力 (正为增, 负为减) , k N。
4 节能效果预测
酒东油田在用数字化油井管理系统中, 可采集的电功率参数包括有功功率、无功功率、功率因数、三相电流电压等, 已知视在功率S (t) 与有功功率P (t) 和无功功率Q (t) 的关系如下:
调节后均方根功率可按以下公式计算:
将算法集成于数字化系统软件中并在界面直接显示功率平衡度和配重调节量, 参照功率平衡度合格范围60%~140%, 由于功率平衡可使电动机损耗降低, 相应也可参考功率因数大于0.72以上这一参数。此外, 对于存在负功率明显的机采井而言, 其电动机将电能转换成平衡块势能的效率一般为70%~80%, 平衡块的势能再带动电动机发出电能, 效率一般也在70%~80%。这样, 电能转换成势能再转换成电能的总效率约为50%~65%。在抽油机光杆功率不变的情况下, 通过对平衡块配重进行调节, 以减小电动机功率的均方根值, 可减少能量转换, 降低由此产生的能耗。节能潜力可按电动机功率均方根值减少量的40%计算。对于没有明显负功率的井, 节能潜力可按均方根功率减少量的25%计算, 均可获得明显效益。同时应注意, 如果负功出现在光杆行程中间点附近时则通过调节平衡可解决问题, 但如果在上下行程死点处出现负功, 则平衡调节不能消除负功影响。
5 结论
1) 通过对酒东油田游梁式抽油机平衡配重块进行增减, 可减小电动机功率的均方根值, 相应减少能量转换与能量消耗, 从而有效节约电能。
2) 酒东油田数字化系统采集电功率参数满足电功率平衡计算方法要求, 并可将算法集成于终端分析软件中, 以实现对平衡度的掌握和指导平衡调节。
3) 后期可参照电流平衡对抽油机平衡情况及节约能耗情况进行对比, 从而对实际效果再次进行评价。
摘要：酒东油田机采井数占全部生产油井数的88%, 抽油机能耗约占总能耗的60%。由于数字化系统中对抽油机平衡度计算的模块存在算法误差, 可参考性不强, 现场依旧采用钳形电流表以电流法指导抽油机调平衡工作, 抽油机平衡节能潜力仍然很大。鉴于数字化系统可采集应用电功率参数较多的特点, 开展电功率平衡计算研究, 形成电动机输入功率的均方根值最小的平衡最佳标准。同时参照功率平衡度合格范围60%140%, 及参考功率因数大于0.72这一参数, 以指导平衡调节工作, 预测节能效果明显。该方法可集成入数字化系统并进行节能评价和降耗分析。
关键词：酒东油田,游梁式抽油机,功率平衡,节能评价
参考文献
[1]朱益飞.游梁式抽油机功率平衡技术的研究与应用[J].石油石化节能, 2012 (7) :4-6.
[2]史鹏飞, 崔丽岩.功率法调整抽油机平衡方法初探[J].油气井测试, 2003, 12 (6) :51-53.
抽油机节能方案研究 篇5
关键词：抽油机,节能机理,节能方法,运动原理
双驴头抽油机的研究与开发在我国起源于上世纪90年代, 在经过多次改进后, 诞生了双驴头游梁平衡前置型抽油机, 并在油田企业中得到了广泛的应用。经实践证明, 双驴头游梁平衡前置型抽油机具有结构对称、结实可靠、能耗低、冲程长、自动化程度高、总装机重量小等特点, 因此成了很多油田新井投产之后的首选机型。对此, 有必要对双驴头游梁平衡前置型抽油机的节能机理和节能方法进行研究, 以求实现更好的生产效率和经济效益。
1 双驴头游梁平衡前置型抽油机的运动原理
双驴头游梁平衡前置型抽油机是在常规游梁式抽油机的基础上演变而来的, 它不仅继承了传统常规游梁式抽油机的很多优势, 还具有节能、高效、低冲次等特征, 因此在很多油田的大量使用也就不足为奇。双驴头游梁平衡前置型抽油机在游梁后端增设了一个后驴头, 该装置的曲率半径能够按照一定的规律变化, 且与横梁之间的连接使用的是柔性连接技术, 这不仅彻底改变了传统悬点载荷扭矩曲线的变化规律, 还可以实现与平衡扭矩曲线的有效叠合, 从而减小了速箱净扭矩峰值, 消除了负扭矩, 降低了电动机功率。
双驴头游梁平衡前置型抽油机在工作过程中, 电动机生产的动力经过减速装置的减速以及传动装置的传动后, 带动着抽油机的曲柄做旋转运动, 而由连杆、游梁、横梁、曲柄等组成的四连杆机构将区别的旋转动作转化成为游梁的往复摆动, 安装在游梁上的工作炉头则是借助吊绳的作用带动悬绳器做上下方向的往复运动, 从而完成了抽油的整个工作流程。
2 双驴头游梁平衡前置型抽油机的节能机理
2.1 采用对称平衡结构
作为一种新型的抽油机, 双驴头游梁平衡前置型抽油机在经过多次改进后, 形成了对称平衡结构, 不仅有效改善了传统抽油机的动力特性, 有效降低了减速器的工作扭矩峰值及其波动, 也在很大程度上增强了抽油机在工作运行过程中的稳定性。同时, 双驴头抽油机相当于在传统游梁式抽油机的游梁后臂加装后驴头, 并且通过驱动绳代替了连杆的硬连接, 更好的满足了变力臂在运行过程中的工作要求, 这对抽油机节能目标的实现具有明显的促进作用。
2.2 总装机重量小
双驴头游梁平衡前置型抽油机在整体设计过程中, 分别在游梁的两段安装了一个驴头, 并对平衡系统进行了改进, 其总装机重量较传统机型实现了很大程度的较低, 这在降低物流能耗的同时, 也使得抽油机的工作油耗实现了明显的节约, 在一定程度上切合了油田单位节能减排的相关要求。双驴头游梁平衡前置型抽油机与常规型游梁式抽油机的重量相比, 装机总重量降低幅度在10%以上。
2.3 节能效果明显
双驴头游梁平衡前置型抽油机连杆的柔性特征, 克服了很多常规机的“死角制约”等问题, 使得游梁摆角的幅度较常规抽油机实现了很大的改进。同时, 该抽油机的电动机功率较小, 动力特征、运动特性、平衡特性表现良好, 具有运行平稳、换向无冲击、噪声低等一系列的优点。相关统计数据表明, 双驴头游梁平衡前置型抽油机能够比常规型游梁式抽油机节能1/4以上, 其节能效果是十分明显的。
3 双驴头游梁平衡前置型抽油机的节能方法
3.1 电动机节能
当双驴头游梁平衡前置型抽油机在额定负荷或者接近额定负荷的状态下运行时, 电动机的能耗状况是最理想的, 但是大多数抽油机在运行过程中, 为了满足最大功率点或者快速启动的目的, 其电动机的输出功率比额定输出功率要低很多, 这就使得电动机在一个冲程时间里主要处于轻载运行状态, 未能充分保证电动机的工作效率。对此, 要通过变频调速、改善电动机系统配置、换用高效节能电动机等措施来提高电动机的节能效率。
3.2 传动系统节能
为了有效提高抽油机传动系统的传动效率, 抽油机应当尽量使用联组带类型的传动皮带, 这不仅可以有效提高传动系统的动力性能, 还可以降低摩擦损失和滑差率, 提高传动系统的传动效率, 力争实现传动系统节能效果的最大化。
3.3 抽油杆柱节能
抽油杆柱的能耗主要表现为摩擦损失, 能耗状况与井液黏度、下泵深度、抽油杆运动速度、油井斜度等因素密切相关。例如, 对于井液黏度大的油井, 可通过低冲次、长冲程的工况实现抽油杆的运动速度的降低;在降低井液黏度时, 则可以通过掺稀油、注蒸汽、应用电加热抽油杆等措施来降低抽油杆柱与液柱之间的摩擦力。
3.4 抽油泵与管柱节能
在降低抽油泵的能耗时, 可以在不增加柱塞泵筒摩擦力的条件下, 降低液体的漏失量;优选耐磨耐冲击、水力损失小、开关性能好的阀座和阀球, 进而降低因为开关不及时或者泵阀损坏等导致的水力阻力和漏失。管柱的节能措施主要有:在油管螺纹处加装密封件;采取防腐和防结垢措施等。
3.5 其他节能措施
双驴头游梁平衡前置型抽油机的节能是一个系统的过程, 不仅会与抽油机的设计水平和节能机理有很大的关系, 还会受到周边环境、设备管理水平等多种因素的影响。首先, 油田企业要明确划分设备管理的职责和权利, 实行设备管理与节能的岗位责任制, 并与员工的绩效考核直接挂钩;其次, 要重点对抽油机操作人员进行培训与管理, 避免或减少操作失误等现象;再次, 抽油机的管理人员要重视对设备的维护与保养, 确保双驴头游梁平衡前置型抽油机时刻处于最佳运行状态, 降低设备故障的发生率。
4 结语
综上所述, 双驴头游梁平衡前置型抽油机由于在设计上使用了对称平衡结构, 整体结构比较紧凑, 且具有重量轻、体积小等特征, 因此能够实现良好的节能效果。同时, 抽油机的操作人员和管理人员还需要不断提高节能意识, 深入贯彻和执行各项节能管理措施, 这样才能进一步提高抽油机的工作效率, 实现更多的经济效益和社会效益。
参考文献
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抽油机节能方案研究 篇6
1 抽油机系统柔性运行技术措施
抽油机系统柔性运行是指当抽油机在遇到负荷变化时, 抽油机系统上的驱动力大小变化过程平滑, 抽油机曲柄扭矩、电流负荷及功率负荷波动幅度相对较小, 波动均匀。抽油机系统的柔性运行可以减轻传动齿轮撞击强度和负荷波动对动力源的冲击。从地面动力源 (发电机或变压器) 、抽油机驱动与传动系统的利益角度来考虑, 游梁式抽油机运行方式越柔性越好。
当前国内具有柔性运行特性的技术措施主要包括以下几个方面:
1) 采用柔性运行驱动设备, 例如:高转差驱动电动机的应用。高转差电动机的转差随负荷变化而变化的特性可增加抽油机系统运行时的柔性。但由于依靠的是电动机自身的特性, 而电动机的转差范围有限, 故依靠电动机特性实现抽油机系统的柔性运行作用是有限的。另外, 高转差电动机的额定转差指标越大, 电动机自身的热负荷也越大, 不利于节能, 因此, 不能对高转差电动机的柔性效果有过高的要求。
2) 配有变频控制器的抽油机系统也具有一定的柔性运行特性, 而当变频控制器再配以过程控制、位置传感等技术后, 可以使抽油机系统运行变得更加柔性, 从而进一步实现节能降耗的目标。
3) 应用节能型抽油机, 例如:双驴头抽油机、下偏杠铃复合平衡抽油机和弯游梁型抽油机等。节能型抽油机主要是通过改变抽油机的结构形式, 达到降低抽油机扭矩因数峰值、降低减速箱最大扭矩峰值、减小整机装机功率的目的, 并最终实现系统柔性运行的目标。
2 煤层气井抽油机系统柔性运行技术应用
目前, 保德区块在游梁式抽油机柔性优化节能方面做了较多工作, 如:大面积推广应用调径变矩游梁式抽油机、变频控制器和变频电动机, 尝试应用长环型齿条抽油机。在优选节能型排采设备的同时, 也引入了先进的Surf游梁式抽油机柔性优化技术, 并通过利用Surf柔性优化技术及其装置对常规游梁式抽油机进行了节能技术改造, 取得了很好的节能效益。
2.1 调径变矩游梁式抽油机和变频控制器的应用
截至2012年3月底, 保德区块在投产的128口排采井中, 以中原5型调径变矩游梁式抽油机 (配套变频控制柜及变频电动机) 的应用为主, 占投产井的69%。该型抽油机在运行过程中通过下偏的游梁对抽油机悬点上、下冲程时最大和最小载荷进行有效平衡, 平衡后的悬点载荷数值有所减小, 并使作用到曲柄轴上的扭矩减小, 扭矩曲线形态逼近正弦[2], 从而在一定程度上改善了抽油机的节能效果。在应用该调径变矩游梁式抽油机的同时, 配备了变频控制柜和变频电动机, 增加了抽油机的柔性运行效果, 这使得抽油机整体节能效果较为明显 (表1) 。
从表1可以看出, 配备变频控制器的中原5型调径变矩游梁式抽油机 (图1) 节能效果明显, 相比常规游梁式抽油机日节电约135 kWh, 年节电约46 710 kWh (抽油机年运转时率按95%计算, 为346天) , 而年生产成本约34 098元 (电价为0.73元/kWh) , 优化节能经济效益可观。
2.2 常规游梁式抽油机的柔性节能技术改造
通过引进和应用Surf游梁式抽油机柔性优化节能技术, 对保德区块2010年底投产的部分老井进行了节能改造。Surf抽油机柔性优化节能技术是在保证产液量的前提下, 通过按需调控抽油机驱动设备运行全过程中的驱动速度与驱动力, 最大限度地降低游梁式抽油机全系统的无效运行成分, 进而实现地面设备与井下杆管设备单产损耗率最小、单产能耗最小和泵效损失最小的综合性降损节能技术[3]。目前, 该技术应用在常规游梁式抽油机的节能改造中, 取得了较好的柔性节能优化效果。
2.2.1 常规游梁式抽油机优化节能技术改造效果分析
通过在保1-1井组4口井应用Surf柔性优化节能技术装置, 发现该装置对于常规游梁式抽油机的柔性优化改造效果较好。
在应用Surf装置后, 4口节能技术改造后的生产井节能效果明显, 其中保1-1向4井在Surf状态下日耗电为97 kWh, 节电110 kWh, 节能率达到53.1%。在节能的同时, 4口井系统效率大幅提高, 整体平均提高系统效率72.28个百分点;功率因数由改造前单井最高0.62提高到改造后的单井最低0.97 (表2) 。由此可见, 使用Surf柔性优化技术改造后的常规抽油机, 系统效率大幅提高, 系统损耗大幅降低, 表现出较好的节能效果。
使用Surf装置后, 4口井峰值电流、峰值功率均有大幅度降低 (表3) 。4口井峰值电流平均降低23.9 A, 降幅61.3%, 峰值功率平均降低13.0 kW, 降幅57.3%;同时4口井启机电流由小到大变化较为平稳 (表4) , 实现了常规游梁式抽油机的柔性启动、柔性运行, 减少了电动机机械特性硬对抽油机系统的不利影响, 降低了抽油机系统的机械受力与损耗, 达到了优化改造的目的。
2.2.2 抽油机柔性优化节能效益分析
保1-1向4井在使用Surf柔性优化节能装置后, 单井日节电110 kWh, 按照抽油机时率95%, 即单台抽油机井年生产346天计算, 年可节电约38 060 kWh, 以电价为0.73元/kWh计算, 单井年可节约电费27 784元。目前, 单井安装该装置总费用为4.5万元, 粗略估算投资回收期约为1.6年 (未考虑在柔性优化运行情况下, Surf柔性优化装置在减少地面举升装置及井下管杆泵的机械损耗、延长使用寿命、延长检修期、减少材料及维修等方面的费用) 。
注:T1～T4代表启机时间的先后顺序。
调径变矩游梁式抽油机使用Surf柔性优化装置并配备高级数、低转速异步电动机, 则需再增加电动机投入成本约5000元, 即Surf柔性优化装置及其配套电动机共计5万元, 而现调径变矩游梁式抽油机使用的11 kW变频电动机及其配套控制柜价格分别为4 860元和15 860元, 合计20 720元;因此, 若使用Surf柔性优化装置及高级数、低转速电动机则需多投入资金29 280元。由于目前并未对变频控制器及配套电动机与Surf柔性优化装置及其配套电动机进行节能对比, 因此, 仅以Surf柔性优化技术专家预计的10%节能效果进行经济效益评估。以保1井组单井平均日耗电72 k Wh为准, 并按预计的10%节能效果计算, 则安装Surf柔性优化节能装置及其配套电动机后, 单井日耗电大约为64.8 kWh, 相比变频控制器及配套电动机, 年可节电约2 491kWh, 按电价为0.73元/kWh计算, 则年可节省电费约为1 818元, 粗略估计投资回收期约为16年 (未考虑柔性优化运行情况下, Surf柔性优化装置在减少地面举升装置及井下管杆泵的机械损耗、延长使用寿命、延长检修期、减少材料及维修等费用) 。因此, 仅在考虑经济效益的情况下, 使用Surf柔性优化节能装置替代变频控制器是不够经济的。
3 抽油机柔性优化节能的认识
通过对目前国内油田柔性运行节能技术的应用调研, 并结合保德区块煤层气井游梁式抽油机节能实践, 认为保德地区煤层气井的柔性优化节能应从以下几方面着手:
◇在抽油机的选型上, 应更多地采用新型、节能型抽油机, 降低装机功率, 提高系统效率;
◇尽可能地采用变频控制柜及变频电动机等优化节能装置, 减小抽油机启动和运转时交变载荷对发电机的冲击, 达到平稳启动和节能的目的;
◇抽油机平衡度的调整和平衡方式对于抽油机系统柔性优化节能具有重要的影响, 因此, 需及时调节抽油机平衡度, 保证抽油机在运作时满足平衡要求。
4 结论
1) 增加抽油机系统的柔性能够延长抽油机齿轮箱的使用周期, 降低抽油机运行时曲柄箱扭矩峰值, 并减少对发电机及变压器的冲击, 同时能够降低抽油机系统驱动装置和传动装置的匹配指标。
2) 结合保德区块煤层气井的开发特点, 并从保德地区目前应用的调径变矩游梁式抽油机及配套变频控制柜的优化节能情况来看, 该机及其配套变频控制柜整体系统柔性优化节能效果明显, 适合该地区煤层气的开发应用。
3) 应用Surf抽油机柔性优化运行控制技术及装置对保德区块常规游梁式抽油机进行优化节能改造, 具有可观的节能效益。
4) 抽油机平衡度的调整和平衡方式对抽油机系统优化节能具有重要影响。
参考文献
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抽油机节能方案研究 篇7
抽油机作为活塞式有杆泵的地面举升设备, 只要能够满足其运动及机械特性的电动机就可以作为其拖动的动力设备。
1.1 常规游梁式抽油机的工作特性
抽油机工作时抽油杆在上行和下行时负载变化大, 导致抽油机减速器的净扭矩波动幅度大, 反映在电动机上则电流变化大[1]。
由于抽油机具有自身的机械平衡装置和周期脉动的负载特性, 所以要求电动机具有高启动扭矩, 才能保证抽油机在静止状态下启动起来。这样在选择电动机时要求电动机的额定功率要大 (启动扭矩要大) , 当抽油机启动以后正常运行时负载下降电动机在轻载下工作 (一般运行功率仅为装机功率的1/3) , 系统效率测试数据显示抽油机井电动机效率多在40%～60%、功率因数在0.3～0.5之间[2]。
1.2 节能电动机简介
多年来的实践表明, 我们认为节能电动机应具备“电动机拖动负载与电动机的输出扭矩 (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[3]。
(1) 永磁电动机
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, 减小定子电流和定子电阻损耗。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, 与异步电动机相比, 无转差损耗。
优势:
(1) 效率高、高效区范围宽;
(2) 功率因数高, 无功节电效果相当显著;
(3) 起动力矩大、过载能力强;
(4) 在匹配合理的条件下、节电效果显著。
不足:
(1) 无法实现抽油机运行负载与电动机输出负载间的合理匹配;
(2) 由于同步电动机的启动特性较硬, 在重载井上启动时电动机易出现振动现象;
(3) 制造成本较常规Y系列电动机要高出至少40%左右;
(4) 容易出现退磁现象。
(2) 伺服电动机
属于自动控制系统中的一种, 是驱动器从外面接收参数信息, 将电流输送给电动机, 通过电动机扭矩带动负载, 负载根据它自己的特性进行动作或加速, 传感器检测负载的位置, 使驱动装置对参数信息值和实际位置值进行比较, 然后通过改变电动机电流使实际位置值和参数信息值保持一致[4]。
优势:
(1) 可自动调节启动过程中的运行速度, 降低电动机的启动电流, 及启动过程中电动机和机械系统的载荷冲击;
(2) 可大幅度降低转矩波动, 减少机械冲击负载对机、杆、泵、变速箱的疲劳损伤;
(3) 能够实时调节电动机转矩, 按需供给, 不浪费有用电能;
(4) 可实现电动机转速在零至额定转速之间任意变速调节, 且可恒转矩输出, 在特定工况下可以高于额定转速调速运行。伺服拖动系统基本构成见图1。
不足:
(1) 控制较复杂, 驱动器参数需要现场调整PID参数确定, 需要更多的连线。
(3) 双功率电动机
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”。该电动机沿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机座号 (装机功率) 的目的。现场应用中速度的转换, 需要停机靠人工实施转换。
优势:
(1) 解决启动问题, 可以用小容量的电动机取代大容量的普通电动机, 降低电动机损耗;
(2) 节电效果效果明显;
(3) 由于其速度可以调整给抽油机井的调参工作带来了方便。
不足:
(1) 在一个固定的功率下运行, 无法实现机采井运行负载与电动机输出负载间的合理匹配, 影响了其电动机功能的发挥;
(2) 由于转差率高的缘故, 在运行过程中易出现丢转现象。
2 节能电动机的更新原则
2.1 拖动装置节能的理论基础
抽油机井节能在理论上所追求的是“抽油机井的机械特性与电动机特性间的合理匹配”, 真正实现抽油机井运行负载与电动机输出负载间的合理匹配。
2.2 更新节能电动机的原则
选择电动机时要综合考虑, 首先确定电动机的类型, 然后再选择电动机的功率, 最后需要考虑的是投资问题。
(1) 节能电动机类型的选择
如何选择合适的电动机类型, 涉及到各种类型的电动机在游梁式抽油机上工作特性的评价。应对抽油机井实际工况进行具体分析后, 才能做出较为合理的选择。从以下几个方面进行比较:
(1) 电动机启动性能, 要求其配套的拖动装置应具备较软的启动特性;
(2) 电动机的过载性能力;
(3) 电动机的节电效果。
(2) 额定功率、最大扭矩的选择
抽油机输入的功率就是电动机必须输出的功率, 抽油机系统的特性和功率要求随不同电动机的选用而变化。电动机的选择首先应满足功率的要求, 一般来说, 最大泵径工况的功率需求总是最大的, 可按可能使用的最大泵径、光杆最大冲程、抽油机最高冲速与由减速箱许用扭矩和额定悬点载荷确定的最大井深等参数计算所需功率, 电动机额定功率的选择应大于抽油机可能需求的最大功率, 并要留有一定的余量。配备抽油机用电动机时除了满足功率要求外, 还应满足最大扭矩的要求, 即传到电动机轴上的最大扭矩不应当超过电动机允许的最大扭矩[2]。设减速箱曲柄最大扭矩为Τmax, 电动机的最大扭矩为Τd max, 则有
式中:
i——为从电动机到减速箱曲柄轴的传动比;
ηm——为从电动机到减速箱曲柄轴的传动效率。
(3) 抽油机拖动装置的选择方法
在选择抽油机拖动装置时, 我们应满足抽油机曲柄旋转扭矩的需求, 因此选择时必须要考虑电动机的扭矩。抽油机拖动装置的选择方法, 依据净扭矩曲线计算其均方根扭矩Τe。
式中:
Τe——均方根扭矩kN·M;
N——等分区间数;
Τni——瞬时扭矩值。
电动机扭矩的计算方法:
式中:
M——电动机扭矩N·m;
P——电动机功率kW;
nd——电动机名牌转速r/min。
对于不同种类的抽油机其净扭矩曲线的波动情况存在差异, 因此其均方根扭矩Τe的值是不同的。
3 常规Y系列电动机节能改造
3.1 实施节能改造的必要性
为节约生产资金投入, 提高油田开发经济效益, 对于更换下来的常规Y系列电动机实施节能改造、重复利用有着深远的意义。
3.2 改造方式及原理
(1) 伺服控制改造
改造过程中将原电动机轴加轴套, 连接编码盘, 安装伺服控制柜, 在平衡块下方安装极限开关。实现原电动机整体保留, 减少了闲置资产。
(2) 双功率改造
改造过程中将原定子线圈去除, 重新在单槽内下入双线圈, 实现了“双绕组改造”。改造后的“双绕组电动机”需要配置专用控制柜, 组合成“一体化”拖动装置。实现过程简单, 依据抽油机负载自动实施匹配功率运行, 改造费用低。
3.3 改造实施方案及效果
(1) 常规电动机改为伺服电动机
在传统电动机上进行伺服控制改造, 节能效果比常规电动机较好, 但不及伺服永磁控制系统。
(2) 常规电动机改为双功率电动机
技术上是成熟的, 改造费用较低, 节能效果较好, 推荐选用。在改造过程中仅需要动定子线圈, 最大限度的保留了原电动机的部件 (若无损坏无须更换) , 因此其改造费用低。
从上表中可以看出, 电动机的平均改造费用与新的Y系列电动机相比平均相差24 000元, 即可完成电动机的双绕组改造, 配备专用的控制柜平均需费用为5 000元。
4 经济效益分析
依据采油六厂现场实际测试结果, 实施伺服控制改造的投资回收期为39个月;而实施双功率改造的投资回收期仅为12个月。
从表中看出, 常规电动机改为双功率电动机比伺服控制改造回收期提前27个月。因此建议在维修损坏电动机时应尽量改为双功率一体化, 同时结合节能方案进一步加大常规电动机改为双功率一体化的规模。
5 结论
(1) 节能电动机依据抽油机负载实现逐级匹配时, 必须要作到理论计算结果与实际生产情况的结合, 追求其最佳匹配效果。
(2) 常规电动机在节能改造中应追求经济、高效、实用的原则。
(3) 伺服控制系统的闭环控制和快速响应特性对电动机转矩的实时调节, 可以合理地协调驱动装置的运行状态, 有效降低系统能耗。
参考文献
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