專利名稱：抽油機周期變速拖動節(jié)能法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及油田采油用的游梁抽油機及其電力拖動技術(shù)，尤其是涉及一種抽油機周期變速拖動節(jié)能方法。
背景技術(shù)：
游梁抽油機有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、維修費用少等優(yōu)點，半個世紀以來，國內(nèi)外的油田都廣泛使用，然而它也存在著較嚴重的缺點。抽油機是重載起動并長期輕載運行的設(shè)備，屬于交流力矩電動機的輸出特性，但是現(xiàn)有技術(shù)中的交流力矩電動機是通過增加轉(zhuǎn)子回路電阻值將過剩轉(zhuǎn)差功率轉(zhuǎn)化成熱能后散掉的方式來實現(xiàn)所需轉(zhuǎn)矩特性的，因轉(zhuǎn)子回路電阻很大使其大量發(fā)熱，迫使電動機設(shè)計得體積大、造價高，又加上運行效率低而使其不能用于拖動抽油機設(shè)備。因此，半個世紀以來，油田一直是在使用普通鼠籠型6極和8極異步電動機來拖動抽油機，由于普通鼠籠型6極和8極電動機的起動轉(zhuǎn)矩只有兩倍額定轉(zhuǎn)矩，為能使抽油機正常起動，需按抽油機的起動轉(zhuǎn)矩選配電動機的規(guī)格，可是起動之后正常運行時電動機的平均負載率只有30％左右，造成嚴重“大馬拉小車”的狀況。抽油機用的電動機是通過皮帶輪、齒輪箱、曲柄軸和四連桿等，將電動機在額定轉(zhuǎn)速下的高速旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成懸點的低速上下直線往復(fù)運動的，現(xiàn)在使用的Y系列(IP44)普通籠型電動機只能在額定轉(zhuǎn)速下才能長時間運行，電動機的恒速旋轉(zhuǎn)運動，通過曲柄軸機構(gòu)的軟換向轉(zhuǎn)換成速度按正弦規(guī)律，從零到最大值的變速往復(fù)直線運動，通過上千米的長拉桿傳到井下抽油活塞，達到抽取石油的目的；這種傳統(tǒng)的直線變速運動抽油方式，難以使井下活塞泵的抽汲參數(shù)趨于合理和減少泵的漏失，使進一步提高油泵效率受到限制。由于曲柄軸傳動的固有特性，使其直線運動速比急驟變化，電動機是長期拖動著從零負載到最大負載周期性脈動條件下運行的，再加上四連桿傳動機構(gòu)形成的不斷變化的傳動角，又造成了脈動負載峰值前移和產(chǎn)生負轉(zhuǎn)矩現(xiàn)象，使抽油機的負載特性進一步惡化，靠調(diào)節(jié)平衡配重已無法實現(xiàn)抽油機的完全平衡運行，從而使電動機的力能指標大幅度下降，使原來有90％運行效率的Y系列電動機的運行效率下降到65％左右，同時使Y系列電動機的功率因數(shù)下降到0.4左右。
抽油機是一種重型機械，起動時的慣性負載轉(zhuǎn)矩很大，加上電動機是運行在周期性脈動負載條件下，迫使配套的電動機規(guī)格都偏大，造成電動機的起動電流是運行時平均電流的17～19倍，為滿足電動機起動時大電流的需要，供電設(shè)備容量也要隨電動機功率的增大而相應(yīng)增大。
抽油機電動機在零負載或接近零負載運行時，不但電動機空耗電能，而且單機供電的油井專用變壓器等供電設(shè)備也空耗電能。
長期以來，世界各有關(guān)國家的專業(yè)界一直在努力解決抽油機運行效率低的問題，也研制出了多種新產(chǎn)品；國內(nèi)近二十年期間由于油井?dāng)?shù)量猛增，提高采油效率和降低采油成本正在被重視，國內(nèi)各有關(guān)部門也投入了大量的資金、人力和物力以改善和提高抽油機的運行效率，然而到現(xiàn)在為止，始終未能找到實際有效地解決這一問題的技術(shù)方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是提供一種能使游梁抽油機的低效率抽取變成電機周期性變速拖動的高效率抽取方法。
本發(fā)明的目的之二是提供一種與現(xiàn)有相同功率和極數(shù)的感應(yīng)電動機相比在起動電流不增大的條件下，輸出五倍左右額定轉(zhuǎn)矩和通過無級自變速功能與抽油機的慣性負載相互耦合，而將變轉(zhuǎn)矩的脈動負載轉(zhuǎn)化為正常的連續(xù)負載，達到高度適應(yīng)抽油機的起動和運行特點的高效率交流電動機。
本發(fā)明的抽油機周期變速拖動節(jié)能方法是這樣實現(xiàn)的它包括游梁抽油機、有桿抽油泵和交流感應(yīng)電動機，電動機通過皮帶輪、齒輪箱、曲柄軸和四連桿等將電動機的恒速旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成往復(fù)直線運動，抽油機上的曲柄軸每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)形成的兩次最高傳動速度及兩次軟換向時通過零速度點這種固有的特性，使抽油機的負載轉(zhuǎn)矩周期性地從零轉(zhuǎn)矩變化到最大轉(zhuǎn)矩，又從最大轉(zhuǎn)矩變化到零轉(zhuǎn)矩，其特征在于交流感應(yīng)電動機的每相定子繞組都分別通過開關(guān)與幾組交流電容器配成幾個不同轉(zhuǎn)速下的并聯(lián)諧振回路，電動機轉(zhuǎn)子上的每一對磁極所占槽數(shù)中，都設(shè)置七相至十二相的絕緣繞組，使電動機的輸出特性高效率地，與抽油機運行時產(chǎn)生的有害慣性負載相互耦合，將抽油機的脈動負載轉(zhuǎn)化為正常的連續(xù)負載。當(dāng)抽油機負載所需的轉(zhuǎn)矩迅速減小時，電機轉(zhuǎn)速大幅度上升，使電動機輸出的過剩功率通過慣性負載存儲在抽油機的傳動系統(tǒng)中，成為慣性動能；當(dāng)抽油機所需轉(zhuǎn)矩迅速增大時，電動機轉(zhuǎn)速迅速大幅度下降，使存儲在傳動系統(tǒng)中的動能釋放出來，同電動機輸出的功率相加共同拖動抽油活塞。這樣電動機的負載就成為連續(xù)的，且在0.6倍左右的脈動峰值負載下高效率運行。
通過多次試驗和理論分析都證明了，低感應(yīng)電勢的三相交流感應(yīng)轉(zhuǎn)子，也具有直流電動機轉(zhuǎn)子的性質(zhì)。因為在交流感應(yīng)電動機的轉(zhuǎn)子上將每一對磁極所占的槽數(shù)中都設(shè)置有七相以上的多相絕緣繞組，其中每一相繞組所占的氣隙磁通都是每極轉(zhuǎn)子磁通的一部分，由于磁通量小，在每周磁通變化時所感生出的電勢和電流都較小，因此，構(gòu)成了一個磁勢較弱的轉(zhuǎn)子磁極，在轉(zhuǎn)子磁勢與定子磁勢耦合時，其合成的磁通矢量是以定子磁勢為主的增強形合成磁場，這就從根本上改變了交流感應(yīng)電動機轉(zhuǎn)子磁勢的性質(zhì)，使其特性趨向于直流電動機的性質(zhì)；克服了在高轉(zhuǎn)差率下運行的交流感應(yīng)轉(zhuǎn)子必然感生高電勢和產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)定子電流的現(xiàn)象，實現(xiàn)了交流感應(yīng)電動機轉(zhuǎn)子在高轉(zhuǎn)差下運行時也具有較高功率因數(shù)和高效率的目的，同時實現(xiàn)了電動機在起動電流不增大的條件下起動轉(zhuǎn)矩MQ達到5倍左右額定轉(zhuǎn)矩的起動性能。
其從屬特征在于1.交流感應(yīng)電動機轉(zhuǎn)子繞組還包含有用單根或多根扁、圓銅線在每一對磁極所占槽數(shù)中，同時設(shè)置九相和十二相其匝數(shù)比可調(diào)的雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)的兩套各相獨立自成回路的絕緣繞組。
2.通過調(diào)節(jié)抽油機平衡配重的方法來實現(xiàn)分別調(diào)節(jié)抽油機上沖程速度或下沖程速度，以減少空抽的行程，提高油井產(chǎn)量，并節(jié)約電力和維修費用。
3.抽油機從最大轉(zhuǎn)矩向零轉(zhuǎn)矩變化時，電動機轉(zhuǎn)速大幅度升高，有效地補償了由于曲柄軸傳動造成的抽油活塞失速的問題，減少了油泵在超低速下的回漏。
4.三相交流感應(yīng)電動機的定子繞組，每一相都由匝數(shù)比為1∶3.5±0.85的兩個絕緣繞組構(gòu)成。能使電動機的起動轉(zhuǎn)矩達到5倍左右額定轉(zhuǎn)矩，又能使電動機在變速區(qū)間內(nèi)有高的工作效率。
本發(fā)明的有益效果是1.游梁抽油機周期變速拖動的節(jié)能方法，能在現(xiàn)有常規(guī)抽油機保持軟換向的優(yōu)點的同時，使抽油活塞的抽取速度更加合理，從而優(yōu)化了抽油機的運行特性，可顯著提高抽油機的整機運行效率和大量節(jié)約電能。
2.抽油機的變速拖動，能減小三角皮帶、齒輪箱和滾動軸承的負載峰值，能減小電力消耗和提高可靠性，同時也能減少維修費用和延長設(shè)備的使用壽命。
3.能高度適應(yīng)抽油機的重載起動和運行特點的大起動轉(zhuǎn)矩交流電動機，由于由于起動電流小，可以降低供電設(shè)備的容量，提高供電變壓器的運行效率以及節(jié)省設(shè)備的投資。
4.大起動轉(zhuǎn)矩的高效率電動機，在改變供電電壓時能形成一個高性能的無級調(diào)速電動機，從而實現(xiàn)抽油機在運行中無級調(diào)節(jié)沖次和無級調(diào)節(jié)上、下沖程的時間，隨時對低產(chǎn)油井、稠油井的沖次進行調(diào)控，以使抽油機運行在最佳工作狀態(tài)，提高產(chǎn)油量，降低采油成本。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
圖1是18.5kW 6極抽油機專用的大起動轉(zhuǎn)矩交流電動機與普通Y系列18.5kW6極交流電動機的轉(zhuǎn)矩特性曲線和電流特性曲線的比較圖。
圖2是經(jīng)過平衡后的游梁抽油機的脈動負載轉(zhuǎn)矩曲線和通過周期性變速拖動方法，使其變成55％左右峰值的連續(xù)負載轉(zhuǎn)矩特性的曲線。
圖中1.本發(fā)明的一種18.5kW 6極抽油機專用大起動轉(zhuǎn)矩電動機的轉(zhuǎn)矩特性曲線，2.大起動轉(zhuǎn)矩電動機的電流特性曲線，3.普通Y系列18.5kW 6極交流電動機的轉(zhuǎn)矩特性曲線，4.普通Y系列18.5kW 6極交流電動機的電流特性曲線，5.游梁抽油機的脈動負載轉(zhuǎn)矩特性曲線，6.通過周期性變速拖動方法使脈動負載轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換成連續(xù)負載轉(zhuǎn)矩的特性曲線。
具體實施例方式
游梁抽油機的變速拖動方法是由以下各部分組成的一個系統(tǒng)來實現(xiàn)的。
設(shè)置在油井下部的長活塞泵所需要的動力，是通過上千米的長拉桿從地面井口傳動的，固定在拉桿上端的鋼絲繩同游梁傳動連接，游梁的另一端通過橫梁和兩根長連桿同兩個曲柄軸傳動連接，然后再通過重型減速箱和大皮帶輪等這些重型部件，以及裝在曲柄軸上的幾個上噸重的大型平衡配重與交流感應(yīng)電動機傳動連接。由于整個傳動系統(tǒng)的慣性特別大，在抽油機起動時，電動機除了提供液體抽取和提升所需的負載轉(zhuǎn)矩外，還必須提供更大的使傳動系統(tǒng)加速所需的慣性負載轉(zhuǎn)矩，其具體轉(zhuǎn)矩的大小是根據(jù)能否在電動機不過熱的時間內(nèi)完成抽油機的起動過程。
使用本發(fā)明的目的之二所提供的一種，18.5kW 6極抽油機專用的大起動轉(zhuǎn)矩交流電動機，其起動轉(zhuǎn)矩見圖1的曲線(1)，它能提供1016Nm(樣機實測值)的起動轉(zhuǎn)矩，是普通Y系列18.5kW 6極交流電動機額定轉(zhuǎn)矩的5.8倍，比現(xiàn)在抽油機上使用的Y280M-55kW 6極電動機的起動轉(zhuǎn)矩還大，能用這種輕量化的小功率電動機代替55kW 6極電動機使抽油機正常起動，并在75％左右額定負載下高效率運行額定負載下高效率運行。由于這種大起動轉(zhuǎn)矩專用電動機的最大起動電流，圖1中曲線(2)為219.5A(樣機實測值)是普通Y系列55kW 6極交流電動機584A起動電流的37.5％，其起動效率是原來的2.7倍左右。電動機在起動過程中的發(fā)熱量與溫升是隨著其總損耗的減少而下降的，因此可以適當(dāng)延長大起動轉(zhuǎn)矩電動機起動過程的時間。例如將起動過程的時間延長30％，就能使原來用Y315S-75kW 6極電動機才能起動的抽油機，用機座號為225M的18.5kW 6極大起動轉(zhuǎn)矩電動機進行正常起動，并長期運行在18kW～20kW功率范圍。另外，由于起動抽油機的起動電流由75kW電動機的783A下降到18.5kW的219.5A，僅是前者起動電流的28％，這就能使幾個油井共用一個供電變壓器或適當(dāng)減小單井供電變壓器及供電系統(tǒng)的容量。
游梁抽油機的負載轉(zhuǎn)矩，圖2中的曲線(5)，是造成抽油機使用的各種電動機運行效率低的主要因素。求解這一課題的辦法是，將周期性脈動負載轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化成圖2中曲線(6)的55％左右峰值轉(zhuǎn)矩的連續(xù)轉(zhuǎn)矩，使電動機的負載率始終處于80％～50％額定功率條件下運行。使抽油機的脈動負載轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化成連續(xù)負載轉(zhuǎn)矩的必要條件是，一種能高效率地使其轉(zhuǎn)速隨著抽油機的負載轉(zhuǎn)矩大小成反比變化的電動機，利用抽油機傳動系統(tǒng)中的慣性負載進行儲能。按照圖2中的曲線(5)，當(dāng)抽油機的負載轉(zhuǎn)矩迅速下降時，電動機輸出的部分過剩轉(zhuǎn)矩用于加速抽油機傳動系統(tǒng)的慣性，補償懸點的瞬時運行速度，將電能轉(zhuǎn)換成動能存儲在傳動系統(tǒng)中。當(dāng)負載轉(zhuǎn)矩迅速上升時，電動機的轉(zhuǎn)速隨著下降，使存儲在慣性系統(tǒng)中的動能釋放出來，同電動機輸出轉(zhuǎn)矩相加共同拖動抽油活塞運行，使電動機的負載率始終處于80％～50％的高效率運行區(qū)間內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種游梁抽油機周期變速拖動節(jié)能法，它包括游梁抽油機、有桿抽油泵和交流感應(yīng)電動機，電動機通過皮帶輪、齒輪箱、曲柄軸和四連桿機構(gòu)，將恒速旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成往復(fù)直線運動，抽油機上的曲柄軸每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)形成兩次最高傳動速度，及兩次軟換向時通過零速度點這種固有特性，使抽油機的負載轉(zhuǎn)矩周期性地從零轉(zhuǎn)矩變化到最大轉(zhuǎn)矩，又從最大轉(zhuǎn)矩變化到零轉(zhuǎn)矩，其特征在于交流感應(yīng)電動機的每相定子繞組都分別通過開關(guān)與幾組交流電容器配成幾個不同轉(zhuǎn)速下的并聯(lián)諧振回路，電動機轉(zhuǎn)子上的每一對磁極所占槽數(shù)中，都設(shè)置七相至十二相的絕緣繞組，使電動機的輸出特性高效率地，與抽油機運行時產(chǎn)生的有害慣性負載相互耦合，將抽油機的脈動負載轉(zhuǎn)化為正常的連續(xù)負載。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抽油機周期變速拖動節(jié)能法，其特征在于交流感應(yīng)電動機轉(zhuǎn)子繞組還包含有用單根或多根扁、圓銅線在每一對磁極所占槽數(shù)中，同時設(shè)置九相和十二相其匝數(shù)比可調(diào)的雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)的兩套各相獨立自成回路的絕緣繞組。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抽油機周期變速拖動節(jié)能法，其特征在于通過調(diào)節(jié)抽油機平衡配重的方法來實現(xiàn)分別調(diào)節(jié)抽油機上沖程速度或下沖程速度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的抽油機周期變速拖動節(jié)能法，其特征在于抽油機從最大轉(zhuǎn)矩向零轉(zhuǎn)矩變化時，電動機轉(zhuǎn)速迅速大幅度升高，有效地補償了由于曲柄軸傳動造成的抽油活塞失速的問題，減少了油泵在低速下的回漏。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的抽油機周期變速拖動節(jié)能法，其特征在于三相交流感應(yīng)電動機的定子繞組，每一相都由匝數(shù)比為1∶3.5±0.85的兩個絕緣繞組構(gòu)成。
全文摘要
一種抽油機周期變速拖動方法，由游梁抽油機、有桿抽油泵和一種抽油機專用的大起動轉(zhuǎn)矩交流電動機組成，電動機根據(jù)抽油機周期性變化的脈動負載轉(zhuǎn)矩自行無級調(diào)節(jié)運行轉(zhuǎn)速。這種方法能使井下活塞泵的抽汲參數(shù)趨于合理，同時也減少活塞在超低速下的回漏，可提高油井的產(chǎn)量。大起動轉(zhuǎn)矩的高效率交流電動機，通過周期性變速拖動來平滑抽油機的脈動轉(zhuǎn)矩，電動機能運行在較平穩(wěn)的連續(xù)負載狀態(tài)下，使電動機的運行效率大幅度提高，可節(jié)約大量的電能。通過大起動轉(zhuǎn)矩電動機中的無級調(diào)速裝置，可實現(xiàn)抽油機不停機進行無級調(diào)節(jié)沖次，以及無級調(diào)節(jié)上、下沖程的時間，減少停機次數(shù)和節(jié)省維修費用。
文檔編號E21B43/00GK1536197SQ20041003203
公開日2004年10月13日 申請日期2004年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月10日
發(fā)明者江允良 申請人:江允良