常規(guī)游梁式抽油機(jī)電流平衡調(diào)整方法研究

楊胡坤，秦麗豐，盧玉，王慧

（東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江大慶 163318）①

抽油機(jī)的平衡調(diào)整是油田采油設(shè)備管理中的一項(xiàng)重要工作。由于抽油機(jī)電流平衡測試儀器簡單便攜，所以各大油田一直采用電流平衡法調(diào)整抽油機(jī)平衡。但是，學(xué)者李炳超、閻海濤、顧永強(qiáng)等在各自文章中指出電流平衡度并不能全面地反映出曲柄軸扭矩在整個(gè)周期內(nèi)的波動(dòng)情況［1－4］，導(dǎo)致假平衡現(xiàn)象；提出真正判斷抽油機(jī)平衡的標(biāo)準(zhǔn)是功率平衡法。筆者研究發(fā)現(xiàn)，依據(jù)功率平衡法進(jìn)行抽油機(jī)平衡調(diào)整可以保證準(zhǔn)確性，但是，與電流平衡法相比不夠便攜。由于依據(jù)功率平衡法進(jìn)行抽油機(jī)平衡調(diào)整必須要測量電動(dòng)機(jī)功率，因此，必須使用昂貴的功率平衡測試儀器才能夠完成。油田現(xiàn)場只有少數(shù)采油隊(duì)具有功率平衡測試儀器，并且儀器操作復(fù)雜，掌握操作方法的技術(shù)人員很少，所以，大多數(shù)采油隊(duì)仍然堅(jiān)持使用電流平衡法進(jìn)行抽油機(jī)平衡調(diào)整。本文考慮到電流平衡法的便攜性與功率平衡法的準(zhǔn)確性，以常規(guī)游梁抽油機(jī)為例，通過理論計(jì)算分析和現(xiàn)場試驗(yàn)，研究電流平衡法和功率平衡法之間的關(guān)系；用電流平衡法實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)功率平衡，即真正平衡，使抽油機(jī)工作在最佳節(jié)能狀態(tài)；并研究抽油機(jī)平衡量化調(diào)整方法，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)平衡調(diào)整一步到位。

1 抽油機(jī)平衡標(biāo)準(zhǔn)

電流平衡度為抽油機(jī)下沖程電流峰值與上沖程電流峰值的比值；功率平衡度為抽油機(jī)上、下沖程平均功率的比值，以較大的作為分母，用小數(shù)表示。目前，現(xiàn)場用于判斷抽油機(jī)是否平衡的標(biāo)準(zhǔn)是電流平衡度，當(dāng)電流平衡度位于0.85～1.00區(qū)間時(shí)，就認(rèn)為抽油機(jī)處于平衡狀態(tài)［5－6］。由于電流峰值反映的是減速器扭矩峰值，所以，電流平衡度不能反映減速器扭矩在整個(gè)周期內(nèi)的波動(dòng)情況，使用電流平衡法進(jìn)行抽油機(jī)平衡調(diào)整會(huì)出現(xiàn)假平衡現(xiàn)象。因此，電流平衡法不是抽油機(jī)平衡的最佳判定標(biāo)準(zhǔn)。中國石油天然氣集團(tuán)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：抽油機(jī)平衡狀態(tài)是指抽油機(jī)減速器轉(zhuǎn)矩的均方根值最小的狀態(tài)，或者是上、下沖程減速器轉(zhuǎn)矩峰值最小的狀態(tài)。功率平衡度才是抽油機(jī)平衡的最佳判定標(biāo)準(zhǔn)，處于平衡狀態(tài)時(shí)，抽油機(jī)在上、下沖程做相等的正功，即功率平衡度等于1。

2 抽油機(jī)電參數(shù)平衡理論

2.1 抽油機(jī)減速器輸出軸轉(zhuǎn)矩分析［7－8］

減速器輸出軸扭矩是判斷抽油機(jī)平衡狀態(tài)的重要參數(shù)，其變化規(guī)律對于抽油機(jī)平衡調(diào)整有著重要意義。結(jié)合圖1進(jìn)一步分析抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷與減速器輸出軸轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，該內(nèi)容在相關(guān)資料里很容易找到，故不再贅述其推導(dǎo)過程，直接給出減速器輸出軸凈轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式為

式中：P為懸點(diǎn)載荷；θ為曲柄轉(zhuǎn)角，即曲柄從12點(diǎn)鐘位置旋轉(zhuǎn)到當(dāng)前位置所轉(zhuǎn)過的角度；B為抽油機(jī)的不平衡重，即當(dāng)連桿和曲柄斷開時(shí)，為了保持游梁處于水平位置而加在光桿上的力，這個(gè)力向上時(shí)，B取負(fù)值，向下時(shí)，B 取正值；為轉(zhuǎn)矩因數(shù)，其意義為單位懸點(diǎn)載荷在減速器輸出軸上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，可以通過圖1中的抽油機(jī)具體尺寸計(jì)算得到；Mcmax為曲柄最大平衡轉(zhuǎn)矩，即曲柄處于水平位置時(shí)曲柄自重及曲柄平衡重對曲柄軸所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩；（PB）為抽油機(jī)光桿轉(zhuǎn)矩；Mcmaxsinθ為曲柄平衡轉(zhuǎn)矩。

式中：A、C、R、α1、β1如圖1。

圖1 抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意

根據(jù)式（2）并結(jié)合實(shí)際工況參數(shù)得到抽油機(jī)轉(zhuǎn)矩因數(shù)曲線，如圖2。

圖2 抽油機(jī)轉(zhuǎn)矩因數(shù)曲線

通過分析懸點(diǎn)載荷與曲柄軸轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系并結(jié)合實(shí)際工況參數(shù)得到減速器輸出軸轉(zhuǎn)矩特性曲線，如圖3。

圖3 實(shí)際工況下減速器輸出軸轉(zhuǎn)矩曲線

2.2 電動(dòng)機(jī)功率分析

電動(dòng)機(jī)至減速箱輸出軸間的傳動(dòng)鏈關(guān)系如圖4所示，包括皮帶傳動(dòng)和減速箱傳動(dòng)。

圖4 電動(dòng)機(jī)至抽油機(jī)曲柄軸間的傳動(dòng)鏈

因此，電動(dòng)機(jī)輸出有功功率為

式中：η1為帶傳動(dòng)效率，%；η2為減速器傳動(dòng)效率，%；M為減速器輸出軸轉(zhuǎn)矩；ω為曲柄角速度。

帶傳動(dòng)屬于柔性傳動(dòng)，其傳動(dòng)效率與負(fù)載特性、預(yù)緊力密切相關(guān)。由于抽油機(jī)曲柄軸凈轉(zhuǎn)矩特性決定了η1是一個(gè)變化復(fù)雜的量，為簡化分析，取η1＝75%。減速器的傳動(dòng)效率受負(fù)載特性影響較小，僅與減速器齒輪傳動(dòng)效率、軸承效率、潤滑效率等有關(guān)，計(jì)算分析過程中取η2＝90%。

如果進(jìn)一步考慮三相異步電動(dòng)機(jī)的效率，則可計(jì)算得到抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)的裝機(jī)功率，即

式中：η3為三相異步電動(dòng)機(jī)的效率，%。

由于抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中，電動(dòng)機(jī)負(fù)載是變化的，因此η3為一變值。

2.3 三相異步電動(dòng)機(jī)工作特性

以電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家所提供的三相異步電動(dòng)機(jī)工作特性曲線為分析依據(jù)。在研究過程中，由于沒有獲得電動(dòng)機(jī)工作特性曲線數(shù)據(jù)，只有圖片文件，因此先進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)識(shí)別，讀取曲線數(shù)據(jù)，再進(jìn)行曲線擬合，獲得如下函數(shù)關(guān)系：

本文僅給出11kW 三相異步電動(dòng)機(jī)工作特性曲線，如圖5所示。采用數(shù)據(jù)擬合方法得到相關(guān)函數(shù)。

功率因數(shù)為

輸入功率為

輸入電流為

電機(jī)效率為

即，當(dāng)已知電動(dòng)機(jī)空載電流或某一負(fù)載電流時(shí)，可計(jì)算得到電動(dòng)機(jī)輸出功率和輸入功率。

圖5 11kW 電動(dòng)機(jī)工作特性測試曲線

3 電流平衡法與功率平衡法關(guān)系分析

圖6 電流平衡度與電動(dòng)機(jī)有功功率關(guān)系曲線

功率平衡度與電動(dòng)機(jī)有功功率關(guān)系曲線如圖7所示，其表現(xiàn)趨勢特征與電流平衡度相同。

圖7 功率平衡度與電動(dòng)機(jī)有功功率關(guān)系曲線

以上2種平衡法的分析結(jié)果均未考慮抽油機(jī)超轉(zhuǎn)矩現(xiàn)象，綜合考慮抽油機(jī)超轉(zhuǎn)矩及現(xiàn)場電流法判斷抽油機(jī)平衡的便易性等影響因素，得出抽油機(jī)進(jìn)行平衡調(diào)整的條件為：

4 抽油機(jī)平衡調(diào)整的量化方法

4.1 上下沖程電流峰值平衡調(diào)整方法

所謂上、下沖程電流峰值平衡調(diào)整方法是指在僅知抽油機(jī)在上、下沖程過程中的峰值電流的條件下，指導(dǎo)抽油機(jī)平衡調(diào)整的方法或措施。這一方法在工程實(shí)踐中有著重要的指導(dǎo)意義。一方面現(xiàn)有的測試儀器對抽油機(jī)上、下沖程峰值電流容易獲??；另一方面當(dāng)前測量1個(gè)周期的峰值電流對于工程技術(shù)人員來說還存在一定的技術(shù)操作難度或者現(xiàn)有儀器還不能存取1個(gè)周期的電流數(shù)據(jù)。

4.2 不同類型抽油機(jī)凈轉(zhuǎn)矩峰值

由于電機(jī)電流峰值直接反映抽油機(jī)曲柄軸凈轉(zhuǎn)矩峰值大小。因此這一方法的提出依賴抽油機(jī)曲柄軸凈轉(zhuǎn)矩峰值點(diǎn)的位置變化。不同類型的游梁式抽油機(jī)經(jīng)曲柄平衡后上、下沖程峰值凈轉(zhuǎn)矩對應(yīng)的曲柄轉(zhuǎn)角不盡相同。研究發(fā)現(xiàn)上、下扭矩峰值不僅與懸點(diǎn)載荷有關(guān)，而且抽油機(jī)轉(zhuǎn)矩因數(shù)起著關(guān)鍵性的作用。

依據(jù)圖3推導(dǎo)出常規(guī)型游梁式抽油機(jī)經(jīng)平衡后，上、下沖程對應(yīng)峰值點(diǎn)為50°和270°。因此根據(jù)電機(jī)工作特性可計(jì)算抽油機(jī)上、下沖程曲柄軸凈轉(zhuǎn)矩峰值，再根據(jù)曲柄平衡重裝置參數(shù)，進(jìn)一步計(jì)算得到光桿上、下沖程對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩。過程如下：

式中：P2為電機(jī)軸功率，kW；I為電機(jī)工作電流，A。

式（6）即對式（5）求反函數(shù)。

可以看出：根據(jù)抽油機(jī)上、下沖程峰值電流，由式（6）可以計(jì)算得到電動(dòng)機(jī)在抽油機(jī)上、下沖程過程中的電機(jī)軸功率。

對式（3）進(jìn)行變換，有

式（7）說明，在已知皮帶效率、減速器效率、電機(jī)軸功率及曲柄角速度的條件下可以反向計(jì)算曲柄軸凈轉(zhuǎn)矩。

由上文分析可知

根據(jù)對抽油機(jī)轉(zhuǎn)矩因數(shù)曲線的分析，把光桿負(fù)載轉(zhuǎn)矩的峰值點(diǎn)對應(yīng)的曲柄轉(zhuǎn)角代入式（8），有

式中：Mpu為上沖程光桿峰值轉(zhuǎn)矩，kN·m；Mpd為下沖程光桿峰值轉(zhuǎn)矩，kN·m；θu為上沖程轉(zhuǎn)矩因數(shù)峰值點(diǎn)對應(yīng)曲柄轉(zhuǎn)角，（°）；θd為下沖程轉(zhuǎn)矩因數(shù)峰值點(diǎn)對應(yīng)曲柄轉(zhuǎn)角，（°）。

4.3 平衡量化調(diào)整分析

式中：Mc1max、Mc2max為兩側(cè)平衡重裝置提供的峰值轉(zhuǎn)矩，kN·m；Wc為曲柄重力，kN；c為曲柄重心至曲柄軸中心距離，m；W1為平衡重1重力，kN；W2為平衡重2重力，kN；W3為平衡重3重力，kN；W4為平衡重4重力，kN；l1為平衡重1鎖塊重心至曲柄軸中心水平距離，m；l2為平衡重2鎖塊重心至曲柄軸中心水平距離，m；l3為平衡重3鎖塊重心至曲柄軸中心水平距離，m；l4為平衡重4鎖塊重心至曲柄軸中心水平距離，m。其中，平衡重1、平衡重2為抽油機(jī)某一側(cè)曲柄上的2個(gè)平衡重；平衡重3、平衡重4為抽油機(jī)另一側(cè)曲柄上的2個(gè)平衡重。

5 現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)分析

2011－11－09對32口油井進(jìn)行電參數(shù)采集，經(jīng)抽油機(jī)平衡調(diào)試程序計(jì)算分析，對抽油機(jī)曲柄平衡調(diào)整進(jìn)行量化指導(dǎo)。2011－11－11對調(diào)整油井的電參數(shù)重新進(jìn)行了測量，結(jié)果顯示，計(jì)算程序分析結(jié)果的準(zhǔn)確率達(dá)100%。表1給出其中7口油井措施前后測試數(shù)據(jù)。

表1 7口井措施前后效果對比

6 結(jié)論

1）本研究依據(jù)功率平衡原理，使用電流平衡法實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)功率平衡，不需要測量電功率，操作安全，易于實(shí)現(xiàn)。

2）常規(guī)游梁式抽油機(jī)在功率平衡度為1的條件下，其電流平衡度的最佳區(qū)間為0.65～0.75。

3）根據(jù)電流平衡法研究了平衡重量化調(diào)整方法，并編制了常規(guī)游梁式抽油機(jī)曲柄平衡重量化調(diào)整程序。從現(xiàn)場測試結(jié)果分析，程序分析結(jié)果正確，1次調(diào)整準(zhǔn)確率100%，調(diào)整后抽油機(jī)有功節(jié)電率達(dá)到1%以上。

4）今后研究方向：研制專用智能儀表，使其通過采集相電流，經(jīng)過抽油機(jī)平衡量化調(diào)整程序運(yùn)算，不依賴上位機(jī)，獨(dú)立完成平衡調(diào)整，實(shí)現(xiàn)常規(guī)游梁式抽油機(jī)的功率平衡。

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