游梁式抽油機(jī)平衡計(jì)算分析與優(yōu)化調(diào)整

路海濤 李興華 楊繼峰 樸哲 龔兵

摘 要：游梁式抽油機(jī)的平衡方式是通過調(diào)整平衡塊來消減抽油機(jī)上下沖程的負(fù)載差異，抽油機(jī)平衡狀況直接影響抽油機(jī)四連桿機(jī)構(gòu)、減速箱和電機(jī)的效率與壽命，對(duì)抽油機(jī)的工作狀況亦影響很大。目前油田廣泛應(yīng)用電流法調(diào)整平衡，當(dāng)電流平衡比在85 %-100%之間為平衡，但通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，電流平衡井耗電并非最低，而且現(xiàn)場(chǎng)平衡調(diào)整只能定性調(diào)整操作。為此開展抽油機(jī)平衡調(diào)整技術(shù)研究，通過理論研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，確定抽油機(jī)最佳節(jié)能范圍，編制平衡調(diào)整程序，定量實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)平衡調(diào)整，提高游梁式抽油機(jī)平衡調(diào)整管理水平，提高工作效率、系統(tǒng)效率，降低舉升單耗。

關(guān)鍵詞：游梁式抽油機(jī)；平衡調(diào)整；標(biāo)準(zhǔn)；技術(shù)對(duì)策

1游梁式抽油機(jī)平衡調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)

油田游梁式抽油機(jī)現(xiàn)場(chǎng)平衡標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中抽油機(jī)平衡中平衡電流法，平衡計(jì)算根據(jù)原則：上、下沖程中減速器曲柄的最大凈扭矩相等。而在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)，電流平衡井耗電并非最低。如根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)抽油機(jī)平衡中平均功率法，平衡計(jì)算根據(jù)原則使上、下沖程

電動(dòng)機(jī)做功相等，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果相比電流平衡井耗電低。

根據(jù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《游梁式抽油機(jī)平衡及操作規(guī)范》中抽油機(jī)的平衡狀態(tài)指減速器扭矩均方根值最小的狀態(tài)，平衡計(jì)算原則根據(jù)抽油機(jī)的平衡中的均方根扭矩最小法則或上、下沖程中最大扭矩相等的法則確定。通過平衡調(diào)整，使平衡扭矩?cái)M合懸點(diǎn)載荷扭矩的鏡像，從而減少減速器扭矩的波動(dòng)，使減速器的扭矩最小化。平衡調(diào)整應(yīng)優(yōu)先保證減速器扭矩的峰值不超過減速器額定扭矩，在此基礎(chǔ)上盡量使減速器扭矩的均方根值最小。

2游梁式抽油機(jī)平衡調(diào)整技術(shù)

2.1電流平衡法

由電流平衡法定義可知，當(dāng)確定抽油機(jī)在上、下沖程過程中電流峰值的比值為某一

值時(shí)，可以判斷抽油機(jī)的平衡度，其表達(dá)式為： ，目前現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為當(dāng)電流

平衡度在0.85-1之間時(shí)認(rèn)為抽油機(jī)平衡、工作正常。采用電流平衡法時(shí)，當(dāng)IBF=1時(shí)，反映了抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)在上、下沖程過程中電動(dòng)機(jī)負(fù)載峰值相等，或間接反映曲柄軸凈扭矩在上、下沖程過程中峰值扭矩相等。

2.2功率平衡法

功率平衡度PBF表示抽油機(jī)在上、下沖程過程中輸出功率之比，如 ，標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為PBF < 0.5時(shí)抽油機(jī)運(yùn)行不平衡，應(yīng)進(jìn)行平衡調(diào)整。功率法與電流法類似，當(dāng)功率平衡度PBF>1時(shí)，抽油機(jī)處于過平衡狀態(tài)；反之認(rèn)為抽油機(jī)處于欠平衡狀態(tài)。當(dāng)0.85

3抽油機(jī)功率平衡調(diào)整計(jì)算分析

抽油機(jī)平衡調(diào)整目標(biāo)有兩個(gè)：一是保證抽油機(jī)安全運(yùn)行；二是節(jié)能。從保證抽油機(jī)安全運(yùn)行的角度看，調(diào)平衡就是要使減速器曲柄軸輸出扭矩最小。由于減速器的扭矩有正有負(fù)，僅用平均值 不能反映實(shí)際負(fù)載的變化特性，一般用均方根扭矩 來反映減速器的載荷情況。均方根扭矩與平均扭矩TP之比稱為周期載荷系數(shù) ，它反映了載荷扭矩的波動(dòng)程度，該比值越接近1說明載荷扭矩越平穩(wěn)，越大說明載荷扭矩波動(dòng)得越厲害。均方根扭矩、平均扭矩及周期載荷系數(shù)均按曲柄旋轉(zhuǎn)1周（2n）計(jì)算，公式如下：

式中：

Tf一為瞬時(shí)扭矩，KN.m； e一曲柄轉(zhuǎn)角，rad

由此分析可以看出，對(duì)游梁式抽油機(jī)進(jìn)行平衡的實(shí)質(zhì)目的是使抽油機(jī)曲柄軸均方根

扭矩 最小，同時(shí)盡量保證周期載荷系數(shù) 接近1。從節(jié)能的角度看，對(duì)于一臺(tái)具體的抽油

機(jī)，機(jī)械傳動(dòng)損耗與電動(dòng)機(jī)的固定損耗是相對(duì)不變的，只有電動(dòng)機(jī)的變動(dòng)損耗與電流平方成正比。要使抽油機(jī)最節(jié)能，就是要使電動(dòng)機(jī)的變動(dòng)損耗最小，也就是均方根電流最小。對(duì)于一臺(tái)具體的電動(dòng)機(jī)，電流的大小取決于其負(fù)載扭矩，只有保證電動(dòng)機(jī)的負(fù)載扭矩的均方根值最小，才能保證電流的均方根值最小。而電機(jī)軸負(fù)載扭矩Tz，與曲柄軸扭矩T，成比例關(guān)系，二者關(guān)系如式 ，式中：i一電動(dòng)機(jī)軸到曲柄輸出軸的總減速比； ：一電動(dòng)機(jī)軸到曲柄軸的傳動(dòng)效率。從上面的分析可以看出，抽油機(jī)平衡的關(guān)鍵是對(duì)減速器曲柄軸扭矩進(jìn)行平衡，使得減速器曲柄軸均方根扭矩達(dá)到最小，但是另一方面應(yīng)當(dāng)滿足抽油機(jī)上、下沖程電機(jī)做功相等的平衡原則。

對(duì)抽油機(jī)減速器曲柄扭矩進(jìn)行平衡計(jì)算在理論上相對(duì)較易，但在工程中測(cè)量曲柄軸扭矩存在實(shí)際困難，因此在工程角度通過測(cè)量減速器曲柄軸扭矩進(jìn)行抽油機(jī)平衡設(shè)計(jì)計(jì)算不現(xiàn)實(shí)。電機(jī)在負(fù)載條件下在輸入端測(cè)量其工作特性曲線相對(duì)比較簡(jiǎn)單，但是不能直接測(cè)量電機(jī)軸功率。根據(jù)討論分析電機(jī)工作特性曲線所建立各種函數(shù)關(guān)系，可以建立電機(jī)軸功率與其他電機(jī)特性曲線間的關(guān)系，為實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)電機(jī)工作特性平衡奠定了基礎(chǔ)。關(guān)于功率平衡技術(shù)的原理及計(jì)算過程如下：如判斷當(dāng)前抽油機(jī)上、下沖程電機(jī)平均有功功率不符合功率平衡法條件，則采用反向計(jì)算方法，在研究電機(jī)工作特性曲線基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)功率平衡。<1）測(cè)量電機(jī)在抽油機(jī)上、下沖程過程中有功功率曲線；<2）利用電動(dòng)機(jī)工作特性曲線，確定電機(jī)在上、下沖程過程中的電流曲線、有功功率曲線、效率曲線、功率囚數(shù)等與電機(jī)軸功率間的關(guān)系，推到電機(jī)軸功率； <3）計(jì)算抽油機(jī)在當(dāng)前平衡條件下的曲柄軸凈扭矩；<4）根據(jù)抽油機(jī)曲柄平衡重的實(shí)際測(cè)量位置，計(jì)算曲柄平衡重裝置峰值轉(zhuǎn)矩，利用平衡扭矩與光桿負(fù)載扭矩平衡疊加原則，計(jì)算光桿負(fù)載扭矩；<5）通過調(diào)整計(jì)算平衡重的安裝位置，反向計(jì)算，使抽油機(jī)平衡滿足功率平衡法要求。

通過以上過程的計(jì)算和分析，可實(shí)現(xiàn)游梁式曲柄平衡抽油機(jī)的精確平衡，使抽油機(jī)

在安全、節(jié)能的狀態(tài)下運(yùn)行。

4 結(jié) 論

理論研究表明，在不超扭矩和電機(jī)額定功率的前提下，常規(guī)機(jī)電流平衡率70%時(shí)能耗最低，調(diào)整區(qū)間65%-75%，異相機(jī)電流平衡度為95%時(shí)能耗最低，調(diào)整區(qū)間90%一100%.<2）應(yīng)用電流平衡調(diào)整法實(shí)現(xiàn)功率平衡調(diào)整法的效果，實(shí)現(xiàn)平衡量化且單組調(diào)整，有效提高工作效率和平衡調(diào)整的準(zhǔn)確率，同時(shí)也可計(jì)算抽油機(jī)減速箱輸出軸的峰值扭矩。

參考文獻(xiàn)：

[1]張學(xué)魯?shù)?，游梁式抽油機(jī)技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：石油工業(yè)出版