［!］ 工作特性不匹配 。众所周知，供给抽油机举升液
抽油机节能的举升液体所做 的有效功；二是克服摩擦阻力所做的功；三是消耗 于热损失的功。普通异步电动机具有硬外特性，适 宜拖动均匀载荷。游梁机的净扭矩曲线周期性变化 规律，就是异步电动机负荷的变化规律；电动机工 作时，总的热损失是电流和功率波动量的函数，而 这种波动量又与抽油机扭矩的变化成正比。在其它 条件不变时，抽油机扭矩变化越平稳，则电流均方 根值就越接近电流平均值，消耗于热损失的功就越 小，抽油机的能量损失就越小，工作能耗也就越 低，抽油机的地面效率就越高。因此，抽油机是否
前
言
寻找节能途径的“突破口” ，不同节能机理的产生 也缘于此。
常规游梁式抽油机（简称常规机）具有结构简 单、制造容易、可靠性高、耐久性好、维修方便、 适应现场工况等优点，在采油机械中占有举足轻重 的地位。在今后相当长的时间内仍是油田的首选采 油设备。但是由于常规机本身的结构特征，决定了 它平衡效果差，曲柄净扭矩脉动大，存在负扭矩、 载荷率低、工作效率低和能耗大等缺点。在采油成 本中，抽油机电费占 ’(% 左右，年耗电量占油田 总耗 电 量 的 )(% & ’(% ，为 油 田 电 耗 的 第 二 位， 仅次于注水。自从 !"#$ 年第一台异相曲柄平衡游 梁抽油机（简称异相机）应用以来，国内各大油田 开始重视抽油机的节能工作。 !""! 年双驴头节能 型抽油机的问世，开创了游梁式抽油机（简称游梁 机）节能应用研究工作的新局面，不断涌现出各种 各样的新型节能抽油机。 游梁机的节能潜力在哪里呢？按消耗大部分能 量的要素，可以把抽油机这个系统分成以下几个子 系统：电动机及控制装置、四连杆机构、悬点载荷 抽油机的悬点载荷状况是影响抽油机能耗的主 要因素。人们普遍认为，游梁机工作效率不高的主 要原因是其载荷特性与所用普通三相异步电动机的
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!专题综述"
游梁式抽油机节能机理综述
苏德胜
摘要
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刘先刚
吕卫祥
丁建林
刘
苏
邱晓峰
任永林
（江苏油田分公司石油工程技术研究院）
游梁式抽油机结构简单、可靠性高、使用维护方便、适应现场工况，在今后相当长的
时间内仍将是油田的首选设备，但工作效率低，能耗大。!"#$ 年第一台异相曲柄平衡游梁式抽油 机应用以来，随着双驴头节能型抽油机的问世，以及蓄能器、双功率电动机的研制成功，基本解 决了“大马拉小车”的问题。最新发展的节能电动机、双驴头抽油机、偏轮游梁抽油机、游梁偏 置复合平衡抽油机、悬重偏置游梁复合平衡抽油机、摆杆式游梁抽油机等节能抽油机在矿场应用 后，节电率一般达到 !$% & ’(% 。全国约有 # 万台抽油机，若能全部推广应用这些技术，必将节 约大量的电能，创造出巨大的经济效益。 主题词 游梁式抽油机 节能 机理 综述 平衡装置和传动元件。提高这些子系统的效率就是
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苏德胜等：游梁式抽油机节能机理综述
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动机本身考虑，就是提高电动机负荷率，从而提高 功率因数和运行效率。而提高电动机效率的潜力不 大，能提高几个百分点就很不容易，而且是以提高 电动机成本为代价的。因此，如果负荷率高于临界 负荷率（使效率将要快速下降点所对应的负荷率） ， 只要并联适当的补偿电容器就能达到节能之目的。 二是从系统考虑，就是在改变电动机的机械特性基 础上， “下大泵、降冲次、增杆管径比、减摩阻” ， 使机 ! 杆 ! 泵系统达到较好的配合，提高系统效 率。两者比较，后者的节能潜力比前者大得多，是 游梁式抽油机用电动机节能的主要研究方向。 "# 变“参数”四杆机构实现变矩节能 运用变矩节能原理的典型机型就是双驴头抽油 机。这种抽油机结构以游梁机为基础，采用变径圆 弧形游梁后臂，得到摇杆（游梁后臂）长度、连杆 长度随曲柄转角的变化而变化的独特的四连杆机 构，即变“参数”四杆机构。利用变矩节能原理开 创了新型节能抽油机的先河，为在游梁和横梁之间 全面采用柔性连接等结构，研究新型节能抽油机奠 定了基础。 双驴头抽油机在工作时，游梁后臂与悬点载荷 变化相适应。依靠游梁后臂有效长度的有规律变化 实现悬点载荷大（下冲程结束、上冲程开始）时游 梁后臂长，悬点载荷小（上冲程结束、下冲程开 始）时游梁后臂短，使光杆载荷扭矩的变化接近正 弦规律，与按正弦规律变化的曲柄平衡扭矩相对 应，使曲 柄 净 扭 矩 波 动 较 小， 达 到 节 能 降 耗 的 目的。 "$ 世纪 %$ 年代开发出的各式各样的节能抽油 机中，偏轮游梁抽油机、游梁偏置复合平衡抽油 机、悬重偏置游梁复合平衡抽油机等都是在变矩节 能原理的基础上发展起来的。双驴头系列抽油机的 技术先进性、结构合理性和高效节能性仍然居于节 能抽油机的发展前列。 &# 改变游梁机的结构型式实现节能 ［(］ （’）杆件设计优化实现“慢提快放” 最典 型的做法就是对四连杆机构实现悬点运动和动力特 性的优化，改变抽油机曲柄轴净扭矩曲线的形状和 大小，使其波动平坦，减小负扭矩，从而减小抽油 机的周期载荷系数，提高电动机的工作效率，达到 节能之目的。 抽油机工作时曲柄净扭矩的波动变化，主要是 由悬点加速度变化引起的。由游梁机的悬点加速度 曲线可推断出，光杆载荷扭矩曲线的上峰值出现在
况下都有较高的负荷率，运行效率和功率因数都有 较大的提高，原有电动机的改造成本也低。缺点是 不能 解 决 系 统 的 配 合 问 题，起 不 到 系 统 节 能 的 作用。 （"）蓄能器 蓄能器用来增加抽油机的转动 惯量，充分发挥其动能的均衡作用，降低电动机承 受扭矩的波动量。抽油机启动前，使离合器分离， 启动电动机，带动飞轮旋转，飞轮随电动机达到额 定转速，将能量储存起来；松开离合器手柄，使离 合器接合，飞轮储存的能量在转速降低时释放出 来，启动抽油机。抽油机进入正常工作的能量循环 周期后，若电动机驱动力大于抽油机工作阻力，飞 轮转速上升时就将多余能量储存起来；相反，抽油 机工作阻力大于电动机驱动力，飞轮转速降低时， 将动能转化为驱动力与电动机驱动力合力输出。显 然，只要电动机的额定功率等于或大于抽油机的平 均消耗功率，抽油机就能平稳工作，因而可显著降 低电动机容量，实现节能降耗。 江苏油田在现场试验中发现，额定功率 !- +, 的超高转差率电动机配上蓄能器后，启动能力与 #*+, 电动机相当。应注意蓄能器飞轮转动惯量大 小要合适，转动惯量过大增加耗电，过小起不到动 能均衡的作用。据有关资料介绍，配 & 型抽油机的
上冲程的前半段，而下峰值出现在下冲程的后半 段。通过改变抽油机杆件的配比，使运动规律发生 变化，以减少载荷扭矩曲线的上下峰值差。"$ 世 纪 )$ 年代发展起来的异相机，就是采用非对称循 环机构，使游梁在上下死点时，连杆两个位置之间 存在约 ’"*的相位夹角。曲柄上冲程的转角增加 ’"* 为 ’%"*；曲柄下冲程的转角减少 ’"*，为 ’+)*。这 种机构具有“急回特性” ：一是上冲程的曲柄转角 大于下冲程的曲柄转角，使上冲程时间长，速度 慢，加速度就小，从而使上冲程中载荷扭矩曲线的 上峰值减小；同时也相应地缩短了下冲程的运行时 间，增大下冲程后半段的加速度变化幅度，从而使 载荷扭矩曲线的上峰值增大；二是改变了载荷扭矩 曲线的形状，使其波形尽量向正弦波靠近。 （"）偏轮游梁抽油机 与常规机相比，偏轮机 结构主要有三点不同： ! 在游梁尾部装有一个偏 轮；"在偏轮与游梁中心支架之间增设推杆；#在 游梁尾部、横梁、推杆与偏轮之间用轴承连接。它 打破常规机四连杆机构框架，以游梁尾部的偏轮为 中心，形成一独特的六连杆体系，被誉为“国内首 创、国际先进水平”的机型。偏轮机杆件均为刚性 连接，保持了常规机的特点，节能 ’,- . &$- 。 偏轮机利用了变矩节能原理。当曲柄旋转时， 依次带动连杆、横梁、偏轮和游梁运动。偏轮相对 游梁摆动，摆动规律由推杆确定。正是由于偏轮摆 动的作用，使游梁后臂的有效长度和游梁摆动的角 速度均随着曲柄转角的变化而变化，游梁后臂的变 化规律与悬点载荷的变化规律基本一致，接近正弦 规律且与曲柄平衡扭矩相对应，从而使曲柄轴净扭 矩波动较小。 偏轮机利用“慢提快放”的节能机理。偏轮机 的极位角可达到 ’,*，改变了抽油机的运动和动力 特性，速度、加速度、扭矩因数等均比异相机小 ’$- . (,- 。另外，常规机游梁摆角达 到 ,%* 时， 减速器的输出扭矩就会变得很不合理，但偏轮机由 于偏轮和推杆的调节作用，游梁摆角最大可达到 /(*，改善了整机的受力状况，使减速器输出扭矩 变得平缓，这是该机型节能的另一个主要原因。 ( 0 改变平衡方式实现节能 ［"］ （’）异相曲柄平衡 它是指曲柄平衡块重心 与曲柄轴中心连线和曲柄销中心与曲柄轴中心连线 之间构成一定的夹角!，称为平衡相位角。这种抽 油机的曲柄均顺时针旋转，因此曲柄平衡重总是滞 后一个相位角!。
# 苏德胜，高级工程师，生于 !"+! 年，!"#’ 年毕业于江汉石油学院石油矿场机械专业，现从事石油机械产品研究与开发工作。地址： （))$(("）江苏省扬州市。电话： （($!*）,,+(*()。
（收稿日期：)((( - !! - ),；修改稿收到日期：)((! - (’ - !"）
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石
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" 蓄能器飞轮的转动惯量为 !’+1 ・ ； !’ 型抽油机蓄 2 " 能器飞轮的转动惯量为 !$+1 ・ 2。 ［#］ 可控硅调压是根据电动 （#）调压节能装置
节
能
机
理
! % 电动机节能原理 如果电动机运行在额定负荷附近，则电动机属 于经济运行。实际上，抽油机的电动机多数以轻 载，即“大马拉小车”的工况运行。目前我国有近 & 万 台 抽 油 机 井，电 动 机 平 均 负 荷 率 为 "’( ) #’( ，部分电动机负荷率更低，造成能源的极大浪 费。对于抽油机的电动机，节能的关键是提高其负 荷率