一种油田抽油机的节能方法及启动轮.pdf

本发明涉及用于油田的各种游梁式抽油机的节电技术。公开一种延长启动时间、减少装机容量的油田抽油机的节能启动轮及节能方法。启动轮包括：在轮壳内部置有可调机械限扭部件，轮壳与电机轴之间采用非刚性连接。方法：利用抽油机的静扭阻计算新电机最小理论功率、选定平均负荷率、选用高转差率的小容量新电机，计算飞轮调节抽油机功率；计算启动轮的外尺寸，调整启动轮的限扭力矩；确定飞轮的最小惯量设计飞轮；按照游梁上增加的配重数量修正静扭阻图，核实新电机的平均负荷率。由于本发明采用启动轮、飞轮、游梁平衡和选择合适新电机的巧妙配合，才能经济地最大限度、安全可靠获得节电率在30-50％，与现有技术相比使装机功率大幅度降低1/3～1/4。

1.   一种油田抽油机的节能方法，其特征在于，步骤包括：
步骤a：实测抽油机原电机轴上的静扭阻，绘制抽油机的静扭阻图，找出静扭阻中最大的峰值，再换算成新电机最小理论功率；
步骤b：根据新电机最小理论功率，选定抽油机新电机的平均负荷率，选用高转差率的小功率新电机；
步骤c：计算抽油机系统调节抽油机功率的能力，用于获得抽油机系统中回转飞轮的储能总量；
步骤d：根据抽油机的冲次、减速机速比、刹车轮、大皮带轮尺寸、选择新电机的极数并计算启动轮的外形尺寸，调整启动轮的限扭力矩，用于控制新电机的实际输出功率；
步骤e：根据抽油机的实际功率变化和新电机的特性曲线确定抽油机系统的最小惯量；然后根据使用情况设计大皮带轮、刹车轮，用于增加抽油机系统转动惯量；
步骤f：将游梁上增加的配重，用配重数量修正静扭阻图，以此来进一步修正所选择新电机的功率，用于重新校核新电机的平均负荷率。

2.   根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述抽油机新电机的平均负荷率选择为0.8～0.9、最大负荷率不超过1.3。

3.   根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调节抽油机功率的能力为ΔW≈2×S×W，电机转差率S选择为5-8％，W表示为抽油机系统中回转飞轮的储能总量。

4.   根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用启动轮延长抽油机的启动时间，用于减少电机的装机容量。

5.   根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调整启动轮的限扭力矩是调整摩擦盘对轮壳的压紧力，用于将新电机电流调整到新电机额定值的1.2-1.3倍，即是将启动轮限扭力矩的限扭值调整到新电机额定输出功率值的1.2-1.3倍。

6.   根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述启动轮状态的检查是对转动的观察孔照射平行光束，利用闪频原理观察启动轮是否正常工作即：当摩擦盘非摩擦面上的标志移动时，启动轮内部发生滑动，此时启动轮属于不正常工作状态，则重新调整限扭值；反之，则不调整限扭值。

7.   一种抽油机的节能启动轮，其特征在于，包括：
在皮带轮的轮壳(1)内部置有可调限扭部件(2)，轮壳(1)与电机轴(23)之间采用非刚性连接。

8.   根据权利要求7所述的节能启动轮，其特征在于，所述可调限扭部件(2)包括：
在轮壳(1)内有左摩擦盘(21)、自润滑轴承(22)、右摩擦盘(24)、圆片(25)、弹簧(26)、螺母(27)、螺栓(28)、护板(29)、摩擦片(30、31)；
左摩擦盘(21)和右摩擦盘(24)装在电机轴(23)的滑键上滑动连接，使得左摩擦盘(21)和右摩擦盘(24)在电机轴(23)轴向方向移动；
自润滑轴承(22)的外壳与轮壳(1)的内壳紧配合，自润滑轴承(22)内孔置有左摩擦盘(21)和右摩擦盘(24)，并且自润滑轴承(22)与左摩擦盘(21)和右摩擦盘(24)滑动配合；
螺母(27)通过螺栓(28)、弹簧(26)和圆片(25)把左摩擦盘(21)和右摩擦盘(24)紧压在轮壳(1)上；护板(29)与轮壳(1)固定连接。

9.   根据权利要求7所述的节能启动轮，其特征在于，还包括：护板(29)，在护板(29)的本体上制备有调整孔(D)和观察孔(d)，调整孔(D)用于调节螺栓(28)；观察孔(d)用于观察启动轮转动状态。

10.   根据权利要求7所述的节能启动轮，其特征在于，所述可调机械限扭部件(2)采用摩擦盘式限扭部件，或钢球离心式限扭部件，或扇形块离心式限扭部件，或永磁式限扭部件。

一种油田抽油机的节能方法及启动轮
技术领域
本发明属于石油采集技术领域，涉及油田各种游梁式抽油机的节电技术。
背景技术
由曲柄和连杆组成的游梁式抽油机，其结构简单运行可靠，为目前国内外油田普遍采用。游梁式抽油机的运动部件质量和转动惯量均很大。为保证抽油机能顺利启动，不得不配置功率比实际需要大得多的电机。另一方面，也是缘于曲柄连杆机构本身的特点，即使将偏心平衡块调整到最佳位置，传送到电机轴上的扭阻落差仍然很大。因此，当进入正常运行时，电机的平均负荷率通常都很低，致使电机长时间在低效区运行如图1所示，功率因数也低，无功电流高，造成能耗极大浪费。这就是常说的“大马拉小车”现象。图1中有电机的电流I曲线，功率因数COSφ曲线，电效率η曲线，转差率S曲线，负荷率P曲线。
为改变“大马拉小车”这种状态，上世纪80年代曾推出特性软的大滑差电机替代特性硬的鼠笼电机，但是节电效果并不明显。
90年代，又推出永磁同步电机。该机的启动性能较大滑差及通常的鼠笼电机高，而且永磁同步电机的电效率在理论上几乎不受负荷大小的影响。但事实上其节电效果仍不够理想，采用永磁同步电机的抽油机节电率多数在10％上下，仅个别情况达到或超过15％。
近年来，油田节能战线上，还出现了多速和多段特种电机，这些改进都是着眼于提高电机自身的启动性能，装机容量略有降低，也获得一定的节电效果。
发明内容
现有技术的抽油机由于启动困难，人们不得不选用大功率电机，因此电效率和功率因数低下，造成能耗极大，本发明的目的是提供一种能延长启动时间、减少装机容量的油田抽油机的节能启动轮及节能方法。
为了实现所述的目的，本发明的第一方面，提供一种油田抽油机的节能方法，步骤包括：
步骤a：实测抽油机原电机轴上的静扭阻，绘制抽油机的静扭阻图，找出静扭阻中最大的峰值，再换算成新电机最小理论功率；
步骤b：根据新电机最小理论功率，选定抽油机新电机的平均负荷率，选用高转差率的小功率新电机；
步骤c：计算抽油机系统调节抽油机功率的能力，用于获得抽油机系统中飞轮的储能总量；
步骤d：根据抽油机的冲次、减速机速比、刹车轮、大皮带轮尺寸、选择新电机的极数为4～6极，计算启动轮的外形尺寸，调整启动轮的限扭力矩，用于控制新电机的实际输出功率；
步骤e：根据抽油机的实际功率变化和新电机的特性曲线确定抽油机系统的最小转动惯量；然后根据使用情况设计大皮带轮、刹车轮，用于增加抽油机系统的转动惯量；
步骤f：将游梁上增加配重，用配重数量修正静扭阻图，以此来进一步修正所选择新电机的功率，用于重新校核新电机的平均负荷率，达到节能效果。
根据本发明的实施例，所述抽油机新电机的平均负荷率选择为0.8～0.9、最大负荷率不超过1.3。
根据本发明的实施例，所述调节抽油机功率的能力为ΔW≈2×S×W，电机转差率S选择为5-8％，W表示为抽油机系统中飞轮的储能总量。
根据本发明的实施例，利用启动轮延长抽油机的启动时间，用于减少电机的装机容量。
根据本发明的实施例，所述调整启动轮的限扭力矩是调整摩擦盘对轮壳的压紧力，用于将新电机电流调整到新电机额定值的1.2-1.3倍，即是将启动轮限扭力矩的限扭值调整到新电机额定输出功率值的1.2-1.3倍。
根据本发明的实施例，所述启动轮状态的检查是对转动的观察孔照射平行光束，利用闪频原理观察启动轮是否正常工作即：当摩擦盘的非摩擦面上的标志移动时，启动轮内部发生滑动，此时启动轮属于不正常工作状态，则重新调整限扭值；反之，则不调整限扭值。
为了实现所述的目的，本发明的第二方面，提供一种延长启动时间、减少装机容量的油田抽油机的节能启动轮，包括：
在皮带轮的轮壳内部置有可调机械限扭部件，轮壳与电机轴之间采用非刚性连接。
根据本发明的实施例，所述可调机械限扭部件包括：
在轮壳内有左摩擦盘、自润滑轴承、右摩擦盘、圆片、弹簧、螺栓、螺栓、护板、摩擦片；
左摩擦盘和右摩擦盘装在电机轴的滑键上滑动连接，使得左摩擦盘和右摩擦盘在电机轴轴向方向移动；
自润滑轴承的外壳与轮壳的内壳紧配合，自润滑轴承内孔置有左摩擦盘和右摩擦盘，并且自润滑轴承与左摩擦盘和右摩擦盘滑动配合；
螺母通过螺栓、弹簧和圆片把左摩擦盘和右摩擦盘紧压在轮壳上；护板与轮壳固定连接。
根据本发明的实施例，在护板的本体上制备有调整孔和观察孔，调整孔用于调节螺栓；观察孔用于观察启动轮转动状态。
根据本发明的实施例，所述可调机械限扭部件采用摩擦盘式限扭部件，或钢球离心式限扭部件，或扇形块离心式限扭部件，或永磁式限扭部件。
本发明的优点或有益效果：
本发明将电机上的小皮带轮改为本发明的启动轮，由于采用了本发明的启动轮的结构延长了抽油机的启动时间，大大减少了装机容量，解决了启动困难的问题，由此本发明可放手采用增加游梁平衡降低了静扭峰值的绝对峰值，配合抽油机系统的转动飞轮使新电机的输出功率更趋平坦，有利于提高新电机的平均负荷率，例如：增加抽油机转动部件的质量，成倍地加大抽油机回转部件的转动惯量，例如加大抽油机刹车轮和大皮带轮的转动惯量，与现有技术相比使装机功率大幅度降低1/3～1/4。由于电机功率减少，平均负荷率得以提高、平均电效率和平均电功率因数随之提高，达到节电目的，节电率在30-50％。由于本发明采用启动轮、飞轮、游梁平衡和选择合适新电机的巧妙配合，才能经济地最大限度、安全可高低获得节电效果。
本发明运用闪频原理测量限扭值的方法使用方便，解决了限扭值不容易测量的问题。
本发明用于油田的各种游梁式抽油机，由于利用本发明不必对原有结构作大的变动，因而这种节能技术也适用于已投入运行的油井。
附图说明
图1是感应电动机的特性曲线
图2是本发明实施例抽油机节能摩擦式启动轮的结构示意图
具体实施方式
下面将结合附图对本发明加以详细说明，应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
一.利用本发明的启动轮使得小电机也能启动抽油机
如图2本发明抽油机节能摩擦式启动轮的结构示意图所示：
在轮壳1内的可调机械限扭部件2包括：左摩擦盘21、自润滑轴承22、电机轴23、右摩擦盘24、圆片25、弹簧26、螺母27、螺栓28、护板29、第一摩擦片30、第二摩擦片31。
将电机轴23上安装本发明的启动轮，在抽油机启动阶段，启动轮实际上是一个限扭器。在其正常运行时就成为一个普通的皮带轮。启动轮延长了抽油机的启动时间，大大削减了启动扭矩，提高了电机的负荷率，使电机在高效区运行，功率因数也相应提高。电机轴23通过启动轮中的可调的限扭部件2与启动轮的轮壳1相接。通电后，电机轴23在＜1秒的瞬间达到满速，而此刻抽油机的扭阻还远远大于启动轮设定的限扭值。这样，电机轴23与启动轮轮壳1间发生相对滑动。电机轴23虽以恒定的扭矩满速旋转，但启动轮的轮壳1只是缓慢地带动抽油机运转。随着抽油机逐步加速，扭阻逐渐减少，直至抽油机的扭阻等于或小于启动轮的限扭值，启动轮内部停止打滑，启动阶段结束，抽油机进入了正常运行。由此可见，启动轮的作用是延长抽油机的启动时间。因此，电机的容量只要等于或略大于最大峰值的静扭阻便足以启动抽油机。这样就可将装机容量缩减到通常的1/3-1/4。
摩擦打滑使启动轮发热。在启动阶段，启动轮的效率理论上只有0.5。换言之，有50％电机能量转变为热能。例如：如果电机输出功率为11千瓦，启动轮重30公斤，启动时间控制在20秒左右，则启动一次的温升，根据计算不会超过10℃。鉴于抽油机启动并不频繁，启动轮很快便能恢复到常温。
启动轮以摩擦发热为代价，将启动时间由小于1秒延长到20多秒。而将另一半能量储存在抽油机系统的回转飞轮中。
二.增加游梁平衡
曲柄偏心块藉调整曲柄半径来均衡抽油杆上升段和下降段的功率分布。游梁末端放置配重能抵消部分由抽油杆自重产生的扭阻，相当于减轻了抽油杆的自重，压缩了上升段和下降段的功率波形，降低了抽油机静扭阻峰值，这样当抽油机开动时，动态扭阻的峰值也随之降低。
游梁配重的重量以抽油杆自重的1/4-1/2为宜。
三.加大刹车轮和/或大皮带轮的转动惯量提高调节功率的能力
异步电机负荷率p的变动引起转速n作相反方向的轻微变化(参见图1)。抽油机系统中的回转飞轮在负荷降低时因提速而吸收能量。反之，抽油机系统中的回转飞轮在负荷增加时因减速而释放能量。抽油机系统中的回转飞轮减缓了抽油机运行中强烈的功率盈亏现象。当装有启动轮及足量转动惯量的飞轮时，小电机甚至可带动峰值扭阻比电机额定扭矩更大的抽油机。
抽油机系统中的回转飞轮也可以安装在转速更高的新电机的二个轴伸上。抽油机系统中的回转飞轮的蓄能能量与转速呈平方关系。
W=12Jω2]]>
式中W为蓄能能量(牛·米)J为转动惯量(牛.米/秒²)，ω为角速度。
四.抽油机节能具体实施例
1.将电机轴转动，实际测量电机轴上的静扭阻，将多个静扭阻绘制抽油机的静扭阻图，找出静扭阻中最大的峰值，根据机械设计手册换算成新电机最小理论功率。
2.由于启动轮本身就是过载保护装置，因此，可按较高的平均负荷率0.9初步选定新电机的功率，最大负荷率不超过1.3。抽油机系统的回转飞轮抑制功率波动的输出能力为ΔW，按公式ΔW≈2SW，W为抽油机系统的回转飞轮的蓄能能量，S为转差率。选择转差率S＝5-8％的高转差率新电机为好。
3.根据抽油机的冲次、减速机速比、大皮带轮尺寸和所选新电机的极数为4-6极，计算启动轮的外尺寸，将新电机电流调整到新电机额定值的1.2-1.3倍，并将启动轮的限扭力矩调整到新电机额定值的1.2-1.3倍，利用启动轮延长抽油机的启动时间，用于减少电机的装机容量。
4.根据抽油机的实际功率变化曲线和电机的特性曲线确定飞轮的最小惯量，并参考抽油机和大皮带轮的外形尺寸设计抽油机系统中回转飞轮，如果增加惯量，只需要加一个飞轮，通常首先更换刹车轮。
5.按照游梁上增加的配重数量修正静扭阻图。
6.再一次核实电机的平均负荷率应不小于0.8，最大负荷率不超过1.3。这样，与目前未改造的多数抽油机相比(现有抽油机电机的平均电效率为0.2-0.3)，根据图1所示电效率应在0.5以上。节电率必将大于40％，以^#10抽油机为例，年节电量将达5万度。功率因数必然也会提高，无功电流减少，线路损耗也相应减少。并且，由于电机功率大幅度减少，启动时的电压降也必然减少。此外，与之相匹配的变压器也应削减，或者数台共用，这将为油田节约一笔费用不小的常年开支。
五.节能启动轮的结构
实施例中采用平面摩擦盘式或锥面摩擦盘式启动轮，在轮壳1内部置有可调机械限扭部件2，轮壳1与电机轴23之间采用摩擦盘式非刚性连接。
可调机械限扭部件2在轮壳1内有左摩擦盘21、自润滑轴承22、右摩擦盘24、圆片25、弹簧26、螺母27、螺栓28、护板29；
左摩擦盘21和右摩擦盘24装在电机轴23的滑键上滑动连接，使得左摩擦盘21和右摩擦盘24在电机轴23轴向方向移动；
自润滑轴承22的外壳与轮壳1的内壳紧配合，自润滑轴承22内孔置有左摩擦盘21和右摩擦盘24，并且自润滑轴承22与左摩擦盘21和右摩擦盘24滑动配合；
螺母27通过螺栓28、弹簧26和圆片25把左摩擦盘21和右摩擦盘24紧压在轮壳1上；护板29与轮壳1固定连接。
在护板29的本体上制备有调整孔D和观察孔d，调整孔D用于调节螺栓28；观察孔d用于观察启动轮转动状态。调整孔D是调整限扭值的套筒板手孔；观察孔d，用来监控限扭值是否恰当，用平行光束照射高速迴转的启动轮，通过小孔观察，若右磨擦盘上的标记稳住不动，则说明未发生滑动。
所述可调机械限扭部件2采用摩擦盘式限扭部件，或钢球离心式限扭部件，或扇形块离心式限扭部件，或永磁式限扭部件。永磁式成本高，消磁后现场不便处理；离心式(扇形块或钢球)的优点是空载启动，启动电流最小；摩擦盘式虽然是满载启动，但因电机功率已大幅减小，冲击电流比未改造前要小得多，限扭值在现场调整、测量十分方便，因此，实施例中可调机械限扭部件2首选摩擦盘式这种结构。
所述调整启动轮的限扭力矩是调整左摩擦盘21和右摩擦盘24对轮壳1的压紧力，从而调整了限扭值，当抽油机的扭阻超过限扭值，磨擦盘与轮壳1间便产生相对滑动。抽油机的扭阻随转速增加而降低直到等于或小于限扭值时，便停止滑动，启动阶段结束。
所述启动轮状态的测量是对转动的观察孔照射平行光束，利用闪频原理观察启动轮是否正常工作：当摩擦盘的非摩擦面上的标志移动时，此时，启动轮内部发生滑动，则重新调整限扭值；反之，则不调整限扭值。
限扭值可用启动阶段的电流值或测量轮壳所受扭矩来标定。
在本发明的实施例中：
轮壳1、左摩擦盘21、右摩擦盘24、自润滑轴承22、圆片25、弹簧26、螺母27、螺栓28、护板29采用现有技术，这些部件的具体参数根据抽油机的具体型号确定。
本发明的特点是：异步电机的效率与负荷率密切相关。当负荷率在0.5以下时，电效率和功率因数均急剧下降。因此提高电机负荷率就是提高电效率和功率因数，达到节能目的。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。