游梁下偏平衡技术在抽油机上的应用

游梁下偏平衡技术在抽油机上的应用

中国石油总局位于塔河市，塔克拉玛干大沙漠，自然环境恶劣。初始使用的气田主要有14台和12台传统的倾斜式气田。这种气田具有皮实、耐用、高能耗、低效率等特点，但其能耗高是油田生产的高能耗和低效率设备。此外，这些气田的日常维护工作量很大，是油田生产的难点。1曲柄平衡装置抽油机有杆泵采油系统的工作特点是:在一个完整的冲程循环内抽油机悬点载荷W变化较大,上冲程驴头悬点提起抽油杆柱、液柱等载荷,要求电动机付出很大的能量;下冲程驴头悬点受抽油杆柱重量作用而随光杆下落,不但不需要电动机付出能量反而对电动机回馈做功,使电动机工作在发电制动运行状态。为了减少电动机在上下冲程中受到的不均匀载荷,在抽油机上普遍加装平衡装置,常规游梁式抽油机采用曲柄平衡方式,下冲程悬点载荷下落的回馈能量和动力机共同对曲柄平衡装置做功,将其转化成势能储存起来;上冲程曲柄平衡装置将势能释放与动力机共同对悬点作功,提起悬点载荷。图1是抽油机减速器输出轴扭矩曲线图。由于有杆泵采油系统的工作特点和抽油机四连杆机构的固有特性,致使悬点载荷W作用在减速器输出轴(曲柄轴)上的载荷扭矩TW在一个冲程中出现周期性的剧烈变化,这个周期性剧烈变化随井况、抽汲参数的不同而变化,是一组曲线形态各异、数值不同的曲线族,这就要求平衡装置作用在减速器输出轴上的平衡扭矩曲线是一组与载荷扭矩曲线TW镜像相似并且形态、数值可调整的曲线族。常规游梁式抽油机曲柄平衡装置在减速器输出轴上产生的平衡扭矩Tr按正弦规律变化,导致载荷扭矩曲线和曲柄平衡扭矩曲线折减后的净扭矩曲线Tn波动大,有较高的“峰值”和较深的负向“谷值”,势必选用较大扭矩的减速器和较大功率的电动机,形成高能耗,而且电动机工作在低功率因数状态,使电网的供电质量变差。2创新后的平衡方式对游梁式抽油机进行节能改造的核心是:对已有平衡方式进行创新设计和改进,使曲柄轴净扭矩曲线的“峰值”减小、曲线波动趋于平直,并且调平衡作业简单易行,使抽油机始终维持较高平衡率。2.1考虑中央轴承座不同运动轨迹的稳定性分析图2是改造后的游梁下偏复合平衡抽油机。游梁下偏平衡装置安装在常规游梁抽油机游梁的尾端,工作时巧妙地运行在减速器、支架、连杆之间,与曲柄平衡装置共同构成新型复合平衡。游梁下偏平衡装置的配重质心G相对游梁向下偏置一个角度δ,在一个冲程循环中,质心G的运行轨迹是以中央轴承座为转动中心半径为R的一段园弧S,配重质心G的重量不变,但其对中央轴承座的力臂K随悬点位置的改变而周期性变化。悬点最大载荷出现在抽油杆弹性变形结束时,此时悬点处于下死点附近的上冲程起始阶段,力臂K”最长,G对中央轴承座的平衡力矩最大,能有效平衡悬点最大载荷;悬点最小载荷出现在上冲程结束和下冲程开始时,此时悬点处于上死点附近,力臂K,最短,G对中央轴承座的平衡力矩最小,有效平衡悬点最小载荷。由此可见,游梁下偏平衡装置在游梁上对悬点载荷W进行了一次有效平衡,使平衡后的悬点载荷数值减少、变化幅度降低,作用到曲柄轴上的扭矩TW数值减少、曲线形态逼近正弦,为按正弦规律变化的曲柄平衡扭矩Tr进行二次平衡创造了条件,最终得到一条峰值小、曲线波动趋于平直的曲柄轴净扭矩曲线Tn,达到改善抽油机平衡性能和节能的效果。2.2抽油机调平衡图3为游梁下偏平衡装置。该装置是一个焊接箱式结构,连接轴挂接在游梁尾部上顶面的游梁铰座中,连接板与游梁尾端面的连接板靠在一起通过螺栓连接,配重箱焊接在该装置末端,小配重块(25kg/块)侧面插放在配重箱孔洞中,在小配重块的外侧面有挡管机构,防止配重块掉落和失窃。改造后的抽油机调平衡通过改变游梁下偏平衡装置配重质量和移动曲柄平衡配重位置两方面结合进行。驴头在上死点时,配重箱位置最低,站在平台上可轻松加减小配重块调平衡,易于将平衡调至较高水平,节能并保护抽油机。2.3抽油机四连杆机构中重要零件的受力常规游梁式抽油机通过加装游梁下偏平衡装置改造后,改变了抽油机四连杆机构中连杆组系和中央轴承座等重要零件的受力。图4为14型抽油机下死点位置最大受力关系图,按额定悬点载荷140KN进行计算分析。2.3.1游梁的应力能力改造设连杆组系拉力L改造前为L1,改造后为L2,以中央轴承座为支点,力矩平衡满足下式:改造前:W·A-L1·sin59°·B=0L1≈266.44(KN)改造后:W·A-L2·sin59°·B-G·K=0L2≈171.28(KN)连杆拉力L降低率:λ=(L1-L2)/L1≈35.7%式中:W—额定悬点载荷,140KN;A—游梁前臂长,5.0m;B—游梁后臂长,3.065m;G—游梁下偏平衡装置配重质心重量,50KN;K—驴头下死点时G对中央轴承座的力臂,K=R=5.0m。2.3.2游梁下偏平衡技术改造设中央轴承座受到的正压力N改造前为N1,改造后为N2,以中央轴承座为支点,力平衡满足下式:改造前:N1=W+L1·sin59°≈368.38(kN)改造后:N2=W+L2·sin59°+G≈336.82(KN)中央轴承座正压力N降低率:ν=(N1-N2)/N1≈8.57%用游梁下偏平衡技术改造常规游梁式抽油机,中央轴承座受到的最大正压力有所降低,连杆最大拉力大幅度降低,改善了中央轴承座、支架和连杆组系中尾轴承座、横梁、连杆、连杆销、曲柄销受力,提高这部分零件的可靠性和使用寿命。2.3.3游梁下偏平衡装置引起的破坏抽油机悬点失载易发生在驴头下死点附近,曲柄平衡装置储存了巨大的势能,这个势能驱使曲柄平衡装置绕减速器输出轴旋转而转变成惯性动能,当曲柄平衡装置的质心转过最低点后,惯性动能又开始转变成势能产生逆向制动力矩,使曲柄平衡装置绕减速器输出轴铅垂线左右摆动,曲柄平衡装置巨大的势能在势能与惯性动能来回转换中被摩擦阻尼消耗掉,不会对抽油机产生破坏。游梁平衡装置以中央轴承座为中心摆动,抽油机悬点失载,游梁下偏平衡装置受连杆和曲柄的限制不能像曲柄平衡装置那样通过摆动消除能量,其势能转换成惯性动能后在驴头上死点位置时(游梁下偏平衡装置处于最低点)以冲击载荷释放,可能破坏抽油机四连杆机构中的薄弱环节。改造后的抽油机是游梁下偏平衡和曲柄平衡相结合的新型复合平衡,适当控制游梁平衡与曲柄平衡质量的分配,就能实现抽油机的悬点失载保护。3改造的实施和影响3.1抽油机井及井塔河油田运用游梁下偏平衡技术对在用的19台常规游梁式抽油机进行了节能改造,其中:CYJY14-5.5-89HF型抽油机15台,CYJ12-4.8-73HB型抽油机4台。这些抽油机井的参数:下泵深度2100m~2300m,泵径φ38~φ56,抽油杆三级组合,动液面1300m至1700m,含水50%左右,供液充足。抽油机的生产参数:冲次6次/分,冲程14型5.5m、12型4.8m,悬点最大动载荷85KN至105KN。现场改造包括加装游梁下偏平衡装置和将配电柜更换成无触点节能配电柜两部分,由于改造后抽油机减速器输出轴峰值扭矩和电动机峰值电流大幅度下降,应该将原机配置75KW或55KW电动机换成37KW,如果继续使用原机配置电动机会造成功率因数和负载率更低,可将绕组由△供电方式改为Y型供电方式。3.2运行参数测试在不改变抽油机运行参数和将平衡率调整至改造前同等水平的条件下,对改造前后的运行电流、功率、功率因数等参数进行了测试。其中S22井安装的是CYJY14-5.5-89HF型抽油机较具代表性,表一为该井改造前后测试数据对比表。3.3经济分析3.3.1现场改造的损失现场改造一台抽油机需停机6h,占产损失较小。3.3.2电机有功功率调查按每年365天,每天24小时计算。F1=(P1-P2)·24·365·η·ξ·10-3≈1.4617(万元)其中:P1—改造前电动机有功功率,14.26KW,查表1;P2—改造后电动机有功功率,10.14KW,查表1;η—开机时率0.9;ξ—电费0.37(元/KW·h)。3.3.3电动对变压器的定容量要求改造前电动机配套变压器额定容量100KVA,改造后电动机对变压器额定容量的要求降至50KVA。F2=(100-50)·12个月·ζ·10-3=0.66(万元)式中:ζ—基本变容费11(元/KVA·月)。3.3.4电流大、起抽困难常规游梁式抽油机平衡性能差、配套电机额定功率大,启动电流大、起抽困难,不能实现自动起抽。改造后抽油机平衡性能提高,电机额定功率下降1至2个规格型号,启动电流大幅度降低,实现了自动起抽。3.3.5转化投资回收期nN=F/(F1+F2)≈4.0(年)式中:F—单台抽油机节能改造总费用,8.6万元。4游梁式抽油机优点塔河油田自2001年开始运用游梁下偏平衡技术改造常规游梁式抽油机,最早改造的抽油机已经受3年的考验,具有以下显著特点。(1)继承发扬了常规游梁式抽油机