抽油机节能方式探讨
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：
[1] 魏誉琼,文志雄,张斌,等. SY/T 6729-2008无游梁式抽油机[S].2008
[2] 母丹,张奕黄.开关磁阻电动机在抽油机节能改造项目中的应用[J].电气应用.2008.27(10):34-37