張波 （中國石油長慶油田分公司第一采油廠）

一種儲能自平衡機(jī)構(gòu)在抽油機(jī)上的應(yīng)用

張波 （中國石油長慶油田分公司第一采油廠）

針對油田生產(chǎn)實(shí)際中抽油機(jī)平衡自動(dòng)調(diào)節(jié)的情況，分析了利用光能電池作為驅(qū)動(dòng)解決游梁式抽油機(jī)移動(dòng)平衡的裝置。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測分析并得到相關(guān)重要結(jié)論：該平衡機(jī)構(gòu)現(xiàn)場運(yùn)行平穩(wěn)，提高了功率平衡度，可以解決現(xiàn)場實(shí)際遇到的問題，滿足游梁式抽油機(jī)正常工作的同時(shí)達(dá)到比未安裝節(jié)能機(jī)構(gòu)提高18%以上的節(jié)電效果。

平衡機(jī)構(gòu)；電流平衡度；系統(tǒng)效率；節(jié)電

引言

目前，許多抽油機(jī)采用變頻器調(diào)節(jié)沖速，或由于油井結(jié)蠟、含氣、供液變化等原因，造成抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷變化較大，致使抽油機(jī)長期處于過平衡或欠平衡狀態(tài)。

抽油機(jī)平衡度[1]差會造成能耗增加、系統(tǒng)效率下降，通常需要人工調(diào)整抽油機(jī)平衡度，在停機(jī)狀態(tài)下2～3人用時(shí)1 h左右甚至需吊車配合方可調(diào)整完畢，工人勞動(dòng)強(qiáng)度和管理難度較大。為了解決抽油機(jī)平衡度差、人工調(diào)整困難等問題，近年來各油田相繼開發(fā)了多種形式的自動(dòng)調(diào)平衡機(jī)構(gòu)，并大量應(yīng)用于油田現(xiàn)場。

常見平衡自動(dòng)調(diào)整裝置主要包括：電動(dòng)機(jī)、蝸輪蝸桿減速器、推力軸承、觀察窗、平衡塊、驅(qū)動(dòng)絲杠、平衡箱、導(dǎo)電滑環(huán)、內(nèi)部安裝與其滑動(dòng)配合并能夠往復(fù)移動(dòng)的平衡塊，平衡塊通過平衡箱內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)絲杠控制往復(fù)移動(dòng)，驅(qū)動(dòng)絲杠的一端連接電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)通過蝸輪蝸桿減速器與驅(qū)動(dòng)絲杠聯(lián)接，驅(qū)動(dòng)絲杠兩端設(shè)有推力軸承。這種裝置基本能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)調(diào)整抽油機(jī)平衡度的功能，但調(diào)平衡機(jī)構(gòu)需要將電動(dòng)機(jī)供電電纜和控制電纜從控制柜經(jīng)抽油機(jī)支架、游梁、尾游梁與調(diào)整電動(dòng)機(jī)連接，這種結(jié)構(gòu)存在以下缺陷：供電電纜及控制電纜隨游梁擺動(dòng)每分鐘彎折3～6次，且由于嚴(yán)寒酷暑交替，電纜很快就會因彎折而短路或斷路；絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)是精密傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，適合室內(nèi)工作，不適合抽油機(jī)現(xiàn)場風(fēng)沙雨雪天氣，很快就會因?yàn)樯P、沙卡、冰凍等環(huán)境因素?zé)o法正常工作。

1 儲能自平衡機(jī)構(gòu)工作原理

1.1 自平衡機(jī)構(gòu)控制核心技術(shù)

該機(jī)構(gòu)工作原理是在抽油機(jī)游梁尾部加裝一個(gè)可調(diào)節(jié)配重力臂的尾游梁，控制系統(tǒng)根據(jù)抽油機(jī)平衡度，應(yīng)用無線控制的方式控制配重游標(biāo)向前或向后移動(dòng)，從而調(diào)整抽油機(jī)的平衡度。游標(biāo)式配重體采用光能電池板給蓄電池充電，用蓄電池帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)減速機(jī)和齒輪旋轉(zhuǎn)，關(guān)鍵元器件均選用工業(yè)級，所有電路板都進(jìn)行了封裝處理，能實(shí)現(xiàn)防水、防塵，傳動(dòng)部件采用大模數(shù)齒輪齒條傳動(dòng)，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，通過與齒條嚙合帶動(dòng)配重體前后移動(dòng)，達(dá)到調(diào)節(jié)抽油機(jī)平衡度的目的（圖1）。

1.2 自平衡機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

自平衡機(jī)構(gòu)平衡游標(biāo)采用上下分體式設(shè)計(jì)，游標(biāo)的控制及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均集中安裝在下分體內(nèi)，方便組裝。下分體設(shè)有多個(gè)觀察窗口，方便檢修、維護(hù)。平衡游標(biāo)控制系統(tǒng)及蓄電池組采用兩側(cè)模塊化安裝，方便組裝、調(diào)試、維修更換等。通過ANSYS軟件建模分析機(jī)械結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，經(jīng)過研究論證和強(qiáng)度校核，光能電池板、蓄電池容量、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、輸出扭矩、減速器減速比等關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算和現(xiàn)場試驗(yàn)檢測，使平衡塊的運(yùn)行平穩(wěn)可靠。

光能電池板充電及蓄電池供電能力計(jì)算理論上2塊蓄電池充滿電可使電動(dòng)機(jī)工作15 h，游標(biāo)移動(dòng)速度大約為0.1 m/min，假設(shè)游標(biāo)每天調(diào)整3次，一次移動(dòng)1 m，可以使自平衡游標(biāo)工作30 d。

圖1 機(jī)構(gòu)控制原理圖

2 油田現(xiàn)場應(yīng)用情況

1）地面控制系統(tǒng)安裝是地面控制箱固定在抽油機(jī)主控柜旁邊，開口式電流互感器套接到抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)三相電源線上。將三相電壓及互感器的接線接入地面控制箱。經(jīng)井場實(shí)際運(yùn)行監(jiān)測，2塊電池充滿電可使自平衡游標(biāo)工作15 d以上，也就是說，如果連續(xù)出現(xiàn)15 d的陰雨天氣，不見一點(diǎn)陽光，光能儲能自平衡抽油機(jī)依然可以正常工作（圖2）。

2）平衡度調(diào)節(jié)[2]范圍大、模塊化、插接式設(shè)計(jì)。游標(biāo)控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，電氣連接均采用插拔式設(shè)計(jì)，降低組裝及維護(hù)的工作量。平衡游標(biāo)兩側(cè)都有光能電池板連線插座，方便現(xiàn)場調(diào)換光能板位置。

3）平衡游標(biāo)與外部沒有任何電氣連接，采用無線通訊控制，所有操作及參數(shù)設(shè)置都在人機(jī)界面中進(jìn)行，并可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控[3]（圖3）。

4）光能電池板、蓄電池、電動(dòng)機(jī)額定電壓均為直流24 V，且在游標(biāo)兩端各裝有2個(gè)限位開關(guān)，具有可靠的限位保護(hù)功能，降低安全風(fēng)險(xiǎn)。游標(biāo)控制箱安裝有強(qiáng)制后退開關(guān)，若地面控制器無法控制游標(biāo)，可觸發(fā)此開關(guān)，強(qiáng)制游標(biāo)退到尾游梁最后端，方便檢修。

3 節(jié)能測試分析

現(xiàn)場安裝在10型抽油機(jī)后，經(jīng)現(xiàn)場節(jié)能測試驗(yàn)證[4-5]，平均電流平衡度可由60%～160%調(diào)節(jié)到98%，功率平衡度由0.38調(diào)節(jié)到0.95，平均節(jié)電率達(dá)到18.15%。詳細(xì)參數(shù)見表1。

圖2 現(xiàn)場工作圖

圖3 現(xiàn)場遠(yuǎn)程操作界面

表1 三組抽油機(jī)井節(jié)電測試分析結(jié)果

現(xiàn)場抽油機(jī)安裝自平衡機(jī)構(gòu)后，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、能耗降低。且提高了系統(tǒng)效率和可靠性，有效提高了抽油機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)。

從測試結(jié)果可以看到，在生產(chǎn)參數(shù)保持不變即抽油機(jī)的工作制度不改變，安裝了自平衡機(jī)構(gòu)后，由于采用游標(biāo)式結(jié)構(gòu)，游標(biāo)的有效行程長，平衡度調(diào)節(jié)范圍大，有效改善抽油機(jī)的運(yùn)行狀況，電流平衡度[6]的顯著變化表明優(yōu)化了抽汲系統(tǒng)的受力情況，綜合節(jié)電率達(dá)18.06%。

4 結(jié)論

1）抽油機(jī)尾游梁安裝該儲能機(jī)構(gòu)，只需將游標(biāo)式尾游梁掛接在游梁尾部即可，不用敷設(shè)任何電線電纜和安裝任何傳感器，現(xiàn)場安裝工作量小、安裝維護(hù)方便，適用于各種惡劣環(huán)境下的平衡度調(diào)節(jié)工作，降低了使用及維護(hù)的成本，提高安全生產(chǎn)作業(yè)系數(shù)。

2）自平衡塊在曲柄上位置的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)能量的儲存與釋放，實(shí)現(xiàn)游梁式抽油機(jī)平衡的快速、準(zhǔn)確調(diào)整，特點(diǎn)在于使用光能發(fā)電產(chǎn)生動(dòng)力，不需油田現(xiàn)場交流電供電，有重要節(jié)能意義。

3）油田現(xiàn)場使用該機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了抽油機(jī)節(jié)約電能、延長抽油機(jī)使用壽命的目的，并減輕采油工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，保障油田安全生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)。

[1]張波.抽油機(jī)平衡的研究與分析[J].中國設(shè)備工程，2012（2）：32-34.

[2]鐘功祥.抽油機(jī)自動(dòng)平衡模塊設(shè)計(jì)與分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2016（8）：237-240.

[3]張波.抽油機(jī)遠(yuǎn)程控制監(jiān)測系統(tǒng)在油田的應(yīng)用分析[J].石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督，2013，29（4）：11-12.

[4]國家能源局.石油企業(yè)用節(jié)能產(chǎn)品節(jié)能效果測定：SY/T 6422—2016[S].北京：石油工業(yè)出版社，2016：5-6.

[5]石油工業(yè)節(jié)能節(jié)水專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.油田生產(chǎn)系統(tǒng)能耗測試和計(jì)算方法：SY/T 5264—2012[S].北京：石油工業(yè)出版社，2012：5-6.

[6]鄧思哲.游梁式抽油機(jī)自動(dòng)調(diào)平衡裝置的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].石油天然氣學(xué)報(bào)，2014（11）：231-233.

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.08.007

2017-04-17

（編輯 李珊梅）

沙漠綠島石西油田

張波，工程師，2016年碩士畢業(yè)于西安石油大學(xué)（機(jī)械采油專業(yè)），從事油田節(jié)能技術(shù)管理工作，E-mail：xaute@126. com，地址：陜西延安河莊坪長慶油田第一采油廠，716000。