朱益飛（勝利油田孤東采油廠）

變轉(zhuǎn)矩運(yùn)行節(jié)能裝置在游梁式抽油機(jī)上的應(yīng)用

朱益飛（勝利油田孤東采油廠）

針對稠油井游梁式抽油機(jī)負(fù)荷與電動機(jī)匹配程度差，油井抽油機(jī)系統(tǒng)效率低、能耗高，電動機(jī)和變壓器負(fù)載率低等問題，采用了變轉(zhuǎn)矩運(yùn)行節(jié)能裝置，實(shí)現(xiàn)了抽油機(jī)負(fù)荷與電動機(jī)的合理匹配，進(jìn)而達(dá)到抽油機(jī)井系統(tǒng)節(jié)能降耗的目的。介紹了變轉(zhuǎn)矩運(yùn)行節(jié)能裝置的組成、工作原理、特點(diǎn)及其現(xiàn)場應(yīng)用情況，并對現(xiàn)場應(yīng)用效果作了綜合評價(jià)分析。實(shí)踐證明，該節(jié)能裝置是一種具有良好性價(jià)比的新型油井節(jié)能裝置，既可以改善和優(yōu)化游梁式抽油機(jī)負(fù)荷與電動機(jī)合理匹配程度，又可以降低油井變壓器容量，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

游梁式抽油機(jī)；節(jié)能裝置；變轉(zhuǎn)矩

引言

游梁式抽油機(jī)是石油開采的主要采油設(shè)備[1]。勝利油田孤東采油廠共有游梁式抽油機(jī)井2800余口，其中常規(guī)井開井1500余口，稠油井開井?dāng)?shù)800余口。孤東稠油黏度在6000～30 000 mPa·s，采用蒸汽吞吐開發(fā)。注蒸汽熱采井開采時(shí)分初期排水、中期見油、后期油稠三階段，早期需要較高的沖速，到了中期尤其后期，因原油黏度上升，出現(xiàn)光桿緩下狀況，經(jīng)常發(fā)生驢頭和光桿“打架”現(xiàn)象，這就要求抽油機(jī)低沖速采油，并迫使其采油系統(tǒng)必須適應(yīng)這種稠油熱采井生產(chǎn)的特殊性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，勝利油田孤東采油廠稠油熱采井抽油機(jī)電動機(jī)采用全載啟動、輕載運(yùn)行方式，電動機(jī)的平均負(fù)載率不足電動機(jī)額定功率的30%，與其配套的變壓器負(fù)載率不足10%，電動機(jī)的實(shí)際效率小于0.8（電動機(jī)額定負(fù)荷時(shí)的效率為0.87～0.90），造成了抽油機(jī)電動機(jī)拖動系統(tǒng)的載荷過低、“倒發(fā)電”、能耗高以及抽油機(jī)井系統(tǒng)效率低等問題，存在很大的節(jié)能降耗空間。為提高稠油井抽油機(jī)系統(tǒng)效率，降低噸油開發(fā)成本，采用了變轉(zhuǎn)矩運(yùn)行節(jié)能裝置，實(shí)現(xiàn)了抽油機(jī)負(fù)荷與電動機(jī)的合理匹配，從而達(dá)到抽油機(jī)井系統(tǒng)節(jié)能降耗的目的，并取得了良好的現(xiàn)場應(yīng)用效果。

1 變轉(zhuǎn)矩運(yùn)行節(jié)能裝置

1.1 裝置的組成

變轉(zhuǎn)矩運(yùn)行節(jié)能裝置主要由油井變轉(zhuǎn)矩運(yùn)行變速裝置和自動控速節(jié)能控制柜兩部分組成。油井變轉(zhuǎn)矩運(yùn)行變速裝置是一種以直齒為主的雙級變速齒輪結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)在同軸上輸出2種同一方向上的不同轉(zhuǎn)速，同時(shí)在輸入、輸出軸上采用單向軸承，避免電動機(jī)被抽油機(jī)帶動而超速運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生倒發(fā)電現(xiàn)象的節(jié)能運(yùn)行裝置。該裝置是一種立式變轉(zhuǎn)矩運(yùn)行裝置，采用以直齒為主的雙級變速齒輪結(jié)構(gòu)。

由于抽油機(jī)承受交變負(fù)載，啟動時(shí)負(fù)載大，正常運(yùn)行負(fù)載很小，且脈動幅度很大，在一個(gè)周期內(nèi)有一個(gè)峰值，功率可達(dá)平均功率的2倍，要比正常運(yùn)行時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩要高。因此，油井自動控速節(jié)能控制柜在設(shè)計(jì)抽油機(jī)載變控速裝置控制方式時(shí)選擇參數(shù)應(yīng)能滿足抽油機(jī)的運(yùn)行要求。

1.2 工作原理

雙級變速齒輪結(jié)構(gòu)的變轉(zhuǎn)矩運(yùn)行裝置設(shè)計(jì)有1條輸入軸和1條輸出軸。當(dāng)輸入軸上的電動機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，輸出軸輸出速度n1，傳動比是u1；當(dāng)輸入軸上的電動機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，輸出軸輸出速度n2，傳動比是u2（傳動比u1、u2根據(jù)不同的油井參數(shù)確定）。兩個(gè)速度旋轉(zhuǎn)方向可同向，也可逆向。通過2個(gè)軸的不同傳動比來改變抽油機(jī)載變控速裝置的變速器輸出軸的轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速。高低沖速采油改善了抽油機(jī)負(fù)荷特性與三相異步電動機(jī)機(jī)械特性的合理匹配。如，當(dāng)變速器傳動比是1和2，電動機(jī)轉(zhuǎn)速為980 r/min時(shí)，變速后“抽油機(jī)載變控速裝置”的變速器輸出軸轉(zhuǎn)速為980 r/min和490 r/min，輸出轉(zhuǎn)矩是電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的1.0倍和2.0倍。當(dāng)傳動比是1時(shí)，是正常速度采油；當(dāng)傳動比是2時(shí)，此時(shí)是低沖速采油。

該抽油機(jī)變轉(zhuǎn)矩運(yùn)行節(jié)能裝置采用機(jī)電一體化（無變頻）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可根據(jù)游梁式抽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中懸點(diǎn)載荷變化情況（特別是稠油井），自動調(diào)節(jié)抽油機(jī)的運(yùn)行速度、消除負(fù)轉(zhuǎn)矩（倒發(fā)電）、降低電動機(jī)裝機(jī)功率（解決載荷過低），是一種新型抽油機(jī)節(jié)能拖動系統(tǒng)。適用于現(xiàn)有的游梁式抽油機(jī)在不改變其工作制度的條件下安裝使用，配套電動機(jī)功率為現(xiàn)有抽油機(jī)功率的40%～60%。

表1 項(xiàng)目實(shí)施前后13口油井生產(chǎn)數(shù)據(jù)前后對比

1.3 裝置特點(diǎn)

1）實(shí)現(xiàn)多種轉(zhuǎn)速組合。該節(jié)能裝置在不改變抽油機(jī)整體組成結(jié)構(gòu)與布局的情況下，通過設(shè)計(jì)快速更換皮帶裝置和快速更換皮帶輪裝置，配合生產(chǎn)需要，實(shí)現(xiàn)多種轉(zhuǎn)速組合。

2）節(jié)能效果好。該節(jié)能裝置應(yīng)用后，其綜合節(jié)電率可達(dá)到30%以上。

3）降低無功損耗。應(yīng)用該節(jié)能裝置，可實(shí)現(xiàn)自動調(diào)整抽油機(jī)負(fù)荷與電動機(jī)的合理匹配，提高電動機(jī)運(yùn)行功率因數(shù)，降低無功損耗，使其達(dá)到最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)。

4）降低變壓器容量。應(yīng)用該節(jié)能裝置，可有效降低配套電動機(jī)功率，從而降低油井變壓器容量。

5）變轉(zhuǎn)矩自動控制效果好。該節(jié)能裝置采用配套的自動控速節(jié)能控制柜，具有良好的自動控制變速運(yùn)行功能。

6）裝置具有良好的安全可靠性。該節(jié)能裝置采用直齒為主的雙級變速齒輪結(jié)構(gòu)立式變轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，它與臥式變速機(jī)、直（斜）齒輪變速傳動方式相比，具有傳動效率高、噪音小、運(yùn)行故障率小和安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。

2 現(xiàn)場應(yīng)用

2014年，勝利油田孤東采油廠根據(jù)變轉(zhuǎn)矩運(yùn)行節(jié)能裝置的特點(diǎn)，對部分油井系統(tǒng)運(yùn)行效率較低、耗電量大、且油井電動機(jī)負(fù)載率低的低效稠油井實(shí)施節(jié)能技術(shù)改造，以達(dá)到最大限度節(jié)能降耗的目的。先后選擇13口低效稠油井，實(shí)施變轉(zhuǎn)矩運(yùn)行節(jié)能裝置節(jié)能技術(shù)改造，并取得良好的技術(shù)改造效果（表1）。

由表1可知，項(xiàng)目實(shí)施后，在油井保持相對穩(wěn)定的前提下（產(chǎn)液量略有提升），實(shí)現(xiàn)了油井抽油機(jī)負(fù)荷與電動機(jī)的合理匹配，使油井處于高效、安全的生產(chǎn)狀態(tài)，達(dá)到了節(jié)能降耗、增產(chǎn)高效和提高油井開采效益的目的，取得了良好的項(xiàng)目實(shí)施效果。

3 綜合效益評價(jià)

1）節(jié)能效果顯著。項(xiàng)目實(shí)施后，百米噸液耗電量下降了1.93 kWh，綜合節(jié)電率達(dá)到49.1%，平均單井日節(jié)電量達(dá)190 kWh。13口油井年節(jié)電量可達(dá)901 550 kWh，按每千瓦時(shí)價(jià)格0.6元計(jì)算，則該項(xiàng)目年創(chuàng)節(jié)能效益可達(dá)540 930元，節(jié)電效果顯著。

2）提升油井系統(tǒng)運(yùn)行效率。油井系統(tǒng)效率由項(xiàng)目實(shí)施前12.68%提升到項(xiàng)目實(shí)施后的26.89%，油井平均系統(tǒng)效率提升14.21%，低效稠油井系統(tǒng)效率提升效果明顯。

3）節(jié)能減排效益。按照節(jié)約1 kWh電能減排0.997 kg CO2，即減少0.272 kg碳排放計(jì)算，則應(yīng)用該節(jié)能裝置后每年可減少碳排放245 221.6 kg。

4）變壓器減容效益。按照每千伏安變壓器月度容量費(fèi)用28元計(jì)算，則每年可減少變壓器容量費(fèi)50 400元。

5）提高電動機(jī)功率因數(shù)，降低無功損耗。平均功率因素由項(xiàng)目實(shí)施前的0.281提高到目前的0.878，提高了0.597。

6）提升油井生產(chǎn)時(shí)率。項(xiàng)目實(shí)施后，減少了檢泵作業(yè)時(shí)間和費(fèi)用，提高了管理和技術(shù)水平，合理優(yōu)化抽油機(jī)工作參數(shù)，確保抽油機(jī)安全可靠高效運(yùn)行，從而給油田生產(chǎn)管理和節(jié)能工作帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

7）安全可靠性好。自投入現(xiàn)場應(yīng)用以來，該裝置運(yùn)行正常，極少發(fā)生故障，現(xiàn)場維護(hù)簡單。

8）減輕員工的勞動強(qiáng)度。該節(jié)能裝置運(yùn)行安全可靠，自動調(diào)速控制效果好，運(yùn)行故障率低，有效地減輕了員工的日常維護(hù)工作量。

9）安裝操作簡單。該節(jié)能裝置完全能滿足現(xiàn)有的游梁式抽油機(jī)在不改變其工作制度的條件下安裝使用要求。

10）良好的適用性。在稠油熱采井上應(yīng)用抽油機(jī)變轉(zhuǎn)矩運(yùn)行系統(tǒng)后，可有效提高電動機(jī)功率因數(shù)，使其達(dá)到最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)，顯著降低油井產(chǎn)液單耗。

4 結(jié)束語

實(shí)踐證明，變轉(zhuǎn)矩運(yùn)行節(jié)能裝置是一種具有良好性價(jià)比的新型油井節(jié)能裝置。該新型高效節(jié)能裝置具有結(jié)構(gòu)簡單，安裝使用方便，維護(hù)工作量小，控制與節(jié)能效果好，運(yùn)行安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用此裝置可以有效改善和優(yōu)化游梁式抽油機(jī)特別是稠油油井抽油機(jī)負(fù)荷與電動機(jī)合理匹配程度，實(shí)現(xiàn)游梁式抽油機(jī)負(fù)荷與電動機(jī)的合理匹配，降低油井變壓器容量，克服其他電動機(jī)及拖動裝置的缺陷；同時(shí)還具有優(yōu)良的節(jié)能性能和變轉(zhuǎn)矩自動調(diào)控性能，在油田稠油開發(fā)生產(chǎn)過程中對于提高油井系統(tǒng)運(yùn)行效率和節(jié)能降耗工作將會起到重要的促進(jìn)作用，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

[1]朱益飛，石曉明，馬冬梅.提高孤東油田機(jī)采系統(tǒng)效率的途徑[J].電力需求側(cè)管理，2009，11（4）：44-46.

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.11.008

2016-06-20

（編輯 張馨怡）

朱益飛，高級工程師，1989年畢業(yè)于華東石油學(xué)院（生產(chǎn)過程自動化專業(yè)），從事油田技術(shù)質(zhì)量監(jiān)督工作，E-mail：zhuyifei112.slyt@sinopec.com，地址：山東省東營市河口區(qū)仙河鎮(zhèn)勝利油田孤東采油廠技術(shù)質(zhì)量監(jiān)督中心，257237。