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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。
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。
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]
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