新型节能抽油机的发展趋势

杨武成

摘 要：本文依据目前在油田生产中广泛使用的节能抽油机的技术状况，提出了节能抽油机创新设计的技术路线和发展趋势，并指出未来新型节能抽油机的设计制造应从改变机械结构，改进电气控制，实现机电一体化综合应用等方面入手来达到提高效能、节约能耗的目的。

关键词：抽油机；节能；创新设计；发展趋势

Abstract： On the basis of the technical status of such widely used in the production of oilfield pumping unit， the energy-saving technology and development trend of oil pumping machine innovation design， and points out the future design of new oil pump manufacturing should change the mechanical structure， improved electrical control， realize the comprehensive application of the mechanical and electrical integration and other aspects to improve the efficiency and to reduce energy consumption.

Keywords： Pumping unit； energy saving；innovative design； development trend

中图分类号：TE933.1 文献标识码：A

0.引言

目前，我国已成为仅次于美国之后的世界上第二大能源消耗国。随着我国经济的快速发展，未来几年我国对原油的需求量仍将急剧增加，仅依靠目前的能源生产和利用状况，远远满足不了市场需求，而大量依靠石油进口更不符合我国国情，它将使我国经济增长面临巨大的风险。如何面对这一严峻挑战？一方面需要提高我国的石油生产量，而另一方面需要提高全社会能源利用效率，特别是提高能源生产企业、高耗能企业的能源利用效率，实现节能减排。

我国的油田不像中东的油田那样有很强的自喷能力，如延长油田，多为低渗透的低能、低产油田，要靠注水压油入井，再用抽油机把油从地层中提升上来。以水换油或者以电换油是我国油田的基本现状，因而，电费开支在我国石油石化企业的石油开采成本中占了相当大的比例，所以，石油生产企业不但要提高产能，而且要高度重视节约电能。

随着节能工作的深入，目前已有近30%的油井使用了节能设备，如各种节能型抽油机、节能型电机以及节能配电箱等等。这样，在保证生产产能的前提下，既合理使用了能源，又最大限度地节约了能源，取得了很好的经济效益。目前，我国抽油机的保有量在数十万台以上，电动机装机总容量在3500MW以上，每年耗电量高达百亿千瓦时。由于抽油机的运行效率特别低，在我国平均效率为25.96%，而国外平均效率为30.05%，待挖掘的年节能潜力可达几十亿千瓦时。由此可见，石油生产企业是节能降耗的重点行业。

1.目前国内抽油机的技术状况

国内大量权威的科学测试和能源审计的数据早已表明，目前正在油田日复一日不停运行着的用于抽取原油的大量抽油机的有效电耗仅占其实际总电耗的1/3左右，而抽油机的运行总耗电量超过油田总耗电量的40%已是一个不争的事实。因此，必须通过采用创新技术来降低抽油机的能耗，提高原油产出效率，对油田如期完成“十三五”期间20%的节能指标无疑会起到举足轻重的作用。

广大科技工作者为了实现“节能降耗”，采取了众多措施，诸如革新抽油机基本结构，降低抽油机总体用钢量，降低抽油机无功功耗，减小抽油机电动机功率等方案，通过近年来的实践和不断创新，在各大油田广泛应用的节能型抽油机有异相曲柄平衡游梁式抽油机、弯梁变矩型抽油机、下偏杠铃型抽油机、双驴头型抽油机、直线电机式抽油机、渐开线抽油机等等。从结构上讲，一类属于有游梁式，一类属于无游梁式。从平衡方式上讲，一类属于曲柄平衡式，一类属于吊重平衡式，还有用复合平衡方式进行平衡的。

异相曲柄平衡游梁式抽油机是当今国内、外主流机型，是替代传统常规型游梁式抽油机的节能机型。经过近年来的应用和改进，该机以性能稳定、可靠性高、节能效果较好得到国内各油田的推广和应用。

双驴头抽油机是在常规型游梁式抽油机的基础上发展的新一代抽油设备，对传统的四杆机构进行了改进，其连杆、摇杆的长度可变，系统的扭矩曲线较好地吻合了抽汲曲线，因此它不仅保持了常规机的优点，同时还具有低冲次、节能、系统效率高等优点。

直线电机式抽油机是总结了百年来游梁抽油机和无游梁抽油机的优缺点，利用直线电机将电能直接转换成直线往复运动，简化了传動方式，减少了约26%的传动能量损失，利用天平式平衡方式改善了平衡效果，其节能效果较好。

渐开线抽油机是新一代节能抽油机，较异相曲柄平衡抽油机节能效果有大幅度提高，从净扭矩曲线的变化规律可以看出，渐开线节能抽油机曲柄轴净扭矩曲线变化平缓，消除了负扭矩。在相同参数条件下，该机减速箱额定扭矩比常规游梁式抽油机下降30%以上，装机功率下降50%左右，具有显著的节电效果。

2.新型节能抽油机开发的技术路线

在抽油机开发制造行业，随着近年来钢材价格的上涨，设计开发者对抽油机械进行了从原理到结构，再到动力控制等诸多方面的革新和探索，国内节能型抽油机出现了百家争鸣、百花齐放的良好局面。

由于国家政策的引导，电费开支的上涨，迫使石油生产企业也在抽油机的招标、使用等方面尽可能地推广和使用节能型抽油机。

基于上述原因，本文认为新型节能抽油机开发的技术路线应从以下几方面入手。

（1）新型节能抽油机的关键在于节能降耗。这不但符合国家政策，也利于石油生产企业压缩生产成本即节约大量的电费开支。

节能降耗路线之一——平衡理论节能路线。抽油机节能的关键在于平衡效果。平衡效果越好，上下冲程所需动力差异越小，需配备的动力就越小，必然节能。目前，常用的平衡方式主要有曲柄平衡、游梁平衡、曲柄和游梁复合平衡等，这几种平衡方式是静态的平衡。另外还有动态平衡方式的如气平衡、液压平衡、数控平衡等等，虽然平衡效果较好，但是结构相对较为复杂。

节能降耗路线之二——大冲程小冲次理论节能路线。这种理论就是通过加大抽油机冲程，减少抽油机冲次以降低动载系数来节能。目前主要有増程游梁式抽油机和増程无梁式抽油机两大类。増程抽油机和长冲程抽油机在富油油田应用较多。

节能降耗路线之三——电控节能路线。目前主要广泛应用的有：一种是采用控制抽、停周期的电子节能装置，另一种是采用变频调速来减慢抽汲次数的电子节能装置。在不影响产能的前提下，针对空抽等现象，用间抽等方式以实现不作无用功或少作无用功来节能。在油田上较多的是改进电控系统、增加电机变频器、使用功率因素较高的高性能电机等。

节能降耗路线之四——着力改进三抽系统的部件工作效率。如多数采用抽油杆导向器、加装空心抽油杆、采用减振式悬绳器等部件，都可在一定程度上提高三抽系统的工作效率，达到节能目的。

（2）新型节能抽油机开发的关键在于高可靠性。石油生产企业压缩生产成本另外一个关键点即节约大量的井场维护开支成本。在新型节能抽油机设计时，必须保证关键件在正常使用寿命周期内无故障，次要关键件在大修期内无故障。这就要求抽油机在设计时，通过对抽油机从抽吸原理、抽油机结构设计、零部件制造到日常使用等多方面综合分析，积极利用先进制造技术（AMT）来提高抽油机的设计水平、制造质量，以达到“节能降耗”的最终目的。

（3）新型节能抽油机应尽可能节约抽油机本身的制造成本，实现降耗。要想达到新型节能抽油机“节能、增产、耐用”这三重目标，就必须面对抽油机、电气控制、油井，从系统工程学的角度出发去研究实现方案，任何单一途径的改良，都很难取得实质性的进步。面对目前国情，结合国内抽油机制造行业特点，笔者认为，应该首先倡导积极地采用现代设计技术，建立新型节能抽油机的虚拟样机模型，并根据国内抽油机及油井的使用工况，通过虚拟样机分析，对新型节能抽油机的整机性能和可靠性做详细的分析研究，以弥补因缺少先进的设计手段而忽略的整机性能分析。通过这些途径，以不断提高新型节能抽油机的可靠性和降低其制造成本。

3.新型节能抽油机的发展趋势

新型节能抽油机的发展趋势主要表现在以下几方面：

（1）品种多样化

随着国家政策的宏观调控，新型科学技术的发展，国内油田现场的现实需要，经过广大抽油机工程师的努力，我国的新型节能抽油机的品种必将逐步增多，采用现代设计方法（如可靠性设计、优化设计、计算机辅助仿真分析等）设计的各种新型节能抽油機必将大有发展。

（2）产品进一步系列化、标准化、通用化，并逐步向API靠拢

伴随着研究抽油机等产品的科研院所和诸多抽油机制造公司企业的努力，国内节能抽油机已经逐步从形式试验进而转入到量产阶段，并逐步向系列化、标准化、通用化方向发展。为使国产抽油机打入国际市场，还将积极向API靠拢，为出口创造有利的条件。

（3）把着力提高抽油机的节能效果作为新型节能抽油机研制的主攻方向

比如进一步改进抽油机结构、采用节能驱动设备、采用节能控制装置、采用节能元器件、改进平衡方式、改进三抽系统部件性能等。

（4）提高抽油机可靠性、降低维护难度

由于抽油机长年累月在荒野环境下作业，在恶劣的环境下连续运转，因此，如何进一步提高抽油机的整机质量水平，把提高抽油机连续性工作的可靠性、耐用性与良好的工作性能并重来进行研究，是新型节能抽油机发展的重要方向。并且，新型节能抽油机还应满足结构简单、易损件少、操作维护方便的特点。

（5）逐步实现远程监控、远程调节参数等功能

综上所述，新型节能抽油机还将朝着自动化、智能化、网络化，长冲程、大载荷、精确平衡，节能降耗、提高适应性等方向发展。

结论

最近，国家对工业用电实行新的价格调节措施，对高耗能企业如石油生产企业而言，无疑电费支出将逐渐成为生产成本支出的主要部分。要扩大企业经济效益，要实现国家下达的节能降耗目标，就必须竭尽所能，在整个生产过程中使用节能技术。作为生产制造能源的石油企业来说，采用高效节能的新型节能抽油机必将成为其节能降耗的有力武器。而作为抽油机制造企业而言，要在竞争激烈的抽油机市场占有一席之地，其未来新型节能抽油机的设计制造就应从改变机械结构，改进电器控制，实现机电一体化综合应用等方面入手来达到提高效能、节约能耗的目的。

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基金项目：2014年西安航空学院校级科研项目（2014KY1207），2017年度西安航空学院机电技术研究所科研基金。