剪树旭

抽油机机械式软启动装置研制与应用

剪树旭

（辽河油田分公司钻采工艺研究院，辽宁盘锦124010）①

介绍了抽油机机械式软启动装置的结构原理、技术参数及实现功能。该装置在一定程度上解决了抽油机电动机存在着启动电流大、运转不平稳、耗电量大等问题。现场应用表明：该装置改善了电机启动性能，可采用比常规低5～15 k W的电机，同时也改善了传动系统的软特性。该装置是机械装置，不产生高次谐波污染电网，安装简单，工作可靠，维护容易，使用寿命长。

抽油机；软启动；节能

目前国内各油田提升原油的主要设备大多采用抽油机，其在使用过程中要克服抽油杆柱和液柱的重力及传动系统的各种载荷。为了能顺利启动，需要匹配比稳定运转所需功率大得多的电动机，但启动完毕进入稳定运转后所匹配的功率又远大于所需功率，造成“大马拉小车”［1］的状况，为此研制出抽油机机械式软启动装置。该装置零部件少，结构紧凑，安装调整方便，资金投入小，实现了电机的小电流启动，具有运转平稳，节电并可明显改善电网运行质量［2］；也实现了对电机和皮带过载保护的功能，防止电机和皮带被烧损［3］。

1　结构及原理

1.1结构

抽油机机械式软启动装置的结构如图1所示。

图1　抽油机机械式软启动装置结构

1.2原理

1.2.1技术分析

该装置力传导媒介为钢球，将其置于皮带轮右端的壳体与铸造叶轮所形成的6个空间内。

钢球所受离心力［4］为

式中：m 为钢球质量，kg；n 为电机轴转速，r／min；r为钢球体离心运动半径，m。

钢球与壳体内圆柱面间摩擦转矩［4］为

式中：f为钢球与壳体内圆柱面间摩擦因数；R为壳体内圆柱面的半径。

由摩擦转矩公式可知，装置皮带轮所传递的摩擦转矩T与壳体内圆柱面的半径R及钢球的质量m成一次方正比，与电机轴转速n成二次方正比。因此，在电机转速和装置外形尺寸确定的情况下，可通过充填不同数量的钢球产生不同的转矩来适应抽油机各种工作制度。同样也可设计壳体内圆柱面的不同半径尺寸产生不同的转矩来适应抽油机各种工作制度。

1.2.2工作原理

将直径为1～5 mm的铬钢钢球置于皮带轮右端的壳体与铸造叶轮所形成的6个空间内，并按比例加入定量的丹粉以增加钢球间的摩阻，铸造叶轮与电机主轴为过盈配合连接，通过键传递电机主轴的动力，电机主轴与铸造叶轮同步进行旋转。铸造叶轮推动6个空间内钢球进行旋转，钢球可自身无序滚动并与皮带轮右端的壳体内圆柱面产生滑动，此时摩擦转矩为滑动摩擦转矩。因此电机轴所需功率仅用于克服滑动摩擦转矩，此转矩值较小，电动机近似于空载启动。随着电机轴转速增高，钢球所受离心力亦随之增加，此离心力导致钢球与壳体内圆柱面间摩擦转矩亦随之增大，壳体与铸造叶轮以钢球为力传导媒介，转速逐渐趋于一致，最终叶轮与壳体之间不存在转速差，为同步运行状态［4］。从启动到皮带轮与电动机主轴达到同步转速所需时间一般不超过数秒，皮带轮是平缓的等加速启动，实现了电动机的软启动。当钢球与壳体内圆柱面间摩擦转矩小于抽油机负荷所产生的阻力矩时，钢球与壳体内圆柱面重新处于滑动状态，防止皮带、电动机的烧损，实现了抽油机的过载保护［5-6］。

主要技术参数［7］如表1。

表1　主要技术参数

2　实现功能

1）具有空载启动的功能。电动机启动时，皮带轮右端壳体内圆柱面与钢球处于滑动状态，电机主轴空转，随着电机轴转速提高，装置上的皮带轮可实现与电机主轴速度的同步。

2）具有过载保护的功能。当钢球与壳体内圆柱面间摩擦转矩小于抽油机负荷所产生的阻力矩时，钢球与壳体内圆柱面重新处于滑动状态，限制了电机功率的增加，防止电机因堵转而导致的烧损。同时在此滑动状态下，亦可有效地防止皮带与皮带轮的打滑，防止皮带的烧损。

3）具有调节传递功率的功能。在不超过电机堵转转矩的前提下，通过放置不同数量的钢球以产生不同的转矩来适应抽油机的各种工作制度。

4）具有柔性缓冲及减振的功能。钢球相互间的弹性运动可吸收传动系统的振动，降低对整个系统的刚性冲击，起到柔性缓冲的作用，这一功能可有效延长抽油机系统的使用寿命。

5）具有降低能耗的功能。由于实现了电机的空载启动，启动电流微弱，因而可采用比常规低5～15 kW 的电机。在设备正常运转时，该装置可以削弱峰值电流3～5 A。抽油机所用电动机功率一般为实际运行功率的2.5倍左右，使用该装置后可将电动机功率降为实际运行时所需功率的1.3～1.5倍，可达到节能的目的。

6）具有改善电网的功能。该装置为机械装置，不产生高次谐波，因而不会对电网产生污染，同其他节电装置相比更加安全可靠。

7）具有安装简单、工作可靠、维护容易、投资少、使用寿命长的特点。单人即可进行装置的拆装工作。

3　现场应用

试验井为辽河油田高采采油一区的2455C2生产井，根据该井具体工况，并出于节约成本的考虑，现场采用的是45 k W电机，造成启动困难且运转时皮带易打滑，尤其是雨天，电机基本不运转。2012-08-06，安装了机械式软启动装置，选用37 k W电机，成功运转1 a，该井后改捞油。装置运行期间取得的试验数据［8］如表2。

表2　机械式软启动装置在2455C2井的试验数据

4　结论

1）研制的机械式软启动装置较好地解决了抽油机电动机“大马拉小车”的状况。

2）该装置改善了电动机启动工况，启动电流可下降1／2～2／3，节电率10%～24%。

3）该装置可采用比常规低5～15 kW 的电动机，因而可使设备投入减少。

4）现场施工工艺简单，为安全环保节能产品，具有较好的推广前景。

［1］王钊，秦英，李权，等.抽油机节能电机的应用分析［J］.石油矿场机械，2007，36（8）：58-61.

［2］金峰.抽油机加装超越离合器实现节能［J］.石油机械，1998，26（6）：34-36.

［3］程学碧，应华素.节能安全联轴器在抽油机上的应用［J］.石油机械，2007，35（9）：17-20.

［4］田兴凯.提高氧化铝回转窑运转周期技术研究［D］.济南：山东大学，2006.

［5］成大先.机械设计手册：第2卷［K］.北京：化学工业出版社，2012.

［6］成大先.机械设计手册：第3卷［K］.北京：化学工业出版社，2012

［7］JB／T 5987—1992，钢球式节能安全联轴器［S］.

［8］阮晶琦，梁宏宝，郑应伟.不同工况下抽油机能耗规律研究［J］.石油矿场机械，2014，43（7）：8-12.

Development and Application of Mechanical Soft Start Device for Pumping Unit

JIAN Shuxu
（Drilling Technology Research Institute，Liaohe Oilfield Branch，Panjin 124010，China ）

The structure principle of mechanical soft start device，technical parameters and realize the function are introduced，the device solved the problems to a certain extent，which exist in pump motor，such as high motor start current and unsmooth run，which are large power consumption.Field application shows that the device improves the motor startup performance，about 5～15 k W less than previous motor，and the soft characteristics in the transmission is improved.The device is a mechanical device，no higher harmonic pollution in power grid produce；easy installation，reliable operation，easy maintenance，and long service life.

pumping unit；soft start；energy saving

TE933.1

B

10.3969／j.issn.1001-3482.2015.10.023

1001-3482（2015）10-0092-03