電動機電流在抽油機平衡調(diào)整中的理論研究

曲志冬， 劉振， 孟翔揚， 宋成， 趙東陽

（東北石油大學(xué)a.機械科學(xué)與工程學(xué)院；b.計算機與信息技術(shù)學(xué)院，黑龍江大慶163318）

0 引言

抽油機的平衡調(diào)整是油田采油設(shè)備管理中的一項重要工作。由于抽油機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)整抽油機平衡［1］。但是，學(xué)者李炳超、閻海濤、顧永強等［2-5］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周期內(nèi)的波動情況，導(dǎo)致假平衡現(xiàn)象，因此電流平衡法不能真正反映抽油機的平衡狀態(tài)。

抽油機電動機功率是反映抽油機真正平衡的有效措施，但是在實際工程操作過程中，采用測量抽油機電動機功率參數(shù)繁瑣而且存在一定的安全問題［1］。由于依據(jù)功率平衡法進行抽油機平衡調(diào)整必須要測量電動機功率，需使用昂貴的功率平衡測試儀器才能夠完成，而且也很難實現(xiàn)抽油機曲柄平衡重的量化調(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)游梁抽油機為例，建立抽油機功率平衡法和電流平衡法之間的換算關(guān)系，通過測量抽油機電流參數(shù)用實現(xiàn)抽油機真正平衡狀態(tài)。而且根據(jù)電動機的功率特性、抽油機沖次及電動機至曲柄軸傳動比關(guān)系，建立抽油機的曲柄平衡重的量化調(diào)整方法。這一理論方法的建立為油田用戶管理抽油機的平衡及調(diào)整提供了理論分析基礎(chǔ)，同時為方便抽油機電流平衡量化調(diào)整儀器的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

1 電動機工作特性分析

三相異步電動機的工作特性是指定子的電壓及頻率為額定時，電動機的轉(zhuǎn)速n、定子電流I1、功率因數(shù)cosφ、電磁轉(zhuǎn)矩Tem、電機效率η等與輸出功率P2的關(guān)系曲線。上述關(guān)系曲線相互間構(gòu)成函數(shù)關(guān)系，可以通過直接給三相異步電動機帶負(fù)載測得。下面針對游梁式抽油機常用的三相異步電動機：11kW、18.5kW、22kW、37kW及45kW進行工作特性分析。主要利用現(xiàn)役三相異步電動機工作特性，擬合各曲線與三相異步電動機輸出功率間的關(guān)系。由此可以計算得到電動機在不同負(fù)載情況下的瞬時輸出功率、功率因數(shù)、電流等。

關(guān)于各電動機的工作特性曲線擬合方法均相同，文中不對上述所有電機的曲線擬合過程進行描述，僅以Y系列22 kW三相異步電動機為例，其工作特性曲線如圖1所示。

圖1 22 kW電動機工作特性測試曲線

功率因數(shù)為

因此從上述22 kW電動機工作特性可以看出，根據(jù)所測量的電動機工作電流計算出電動機的輸出功率。

2 抽油機曲柄平衡重量化調(diào)整方法

2.1 抽油機的平衡調(diào)整

抽油機平衡狀態(tài)描述：抽油機在上、下沖程過程中，當(dāng)抽油機處于平衡狀態(tài)時，上、下沖程做功相等，反之抽油機運行將處于非平衡狀態(tài)［6-7］。如圖2所示為一抽油機在工作時的曲柄軸扭矩曲線。圖2中包括了光桿扭矩曲線、曲柄平衡重扭矩曲線及曲柄軸凈扭矩曲線。由于電動機反向發(fā)電到目前為止在油田上還不能被利用吸收，在工程實際中把這部分的反向發(fā)電作為電網(wǎng)的一個污染源進行處理，即此時認(rèn)為電機此時功率為0，因此不考慮負(fù)扭矩對抽油機量化平衡調(diào)整的影響。

圖2中已經(jīng)表明，根據(jù)抽油機平衡原理，在圖中所描述的就是以上死點為分界線，曲柄軸凈扭矩曲線與曲柄轉(zhuǎn)角所包絡(luò)的面積即為曲柄在上、下沖程所做的功。因此保證上、下沖程曲柄軸凈扭矩曲線與曲柄轉(zhuǎn)角所包絡(luò)的面積相等即實現(xiàn)了抽油機的平衡。

圖2 抽油機曲柄軸扭矩曲線

結(jié)合圖2中再進一步描述，抽油機的平衡狀態(tài)為

式中：θ1分別為上沖程曲柄軸凈扭矩0值起始點；θ3為下沖程曲柄軸凈扭矩0值終止點；θ2為上死點對應(yīng)曲柄轉(zhuǎn)角;M為曲柄軸凈扭矩曲線。

同時根據(jù)抽油機的平衡原理，光桿扭矩、曲柄平衡重扭矩及曲柄軸凈扭矩的對應(yīng)關(guān)系為

式中：M光桿為光桿扭矩；M重為曲柄平衡重扭矩。

式（6）的關(guān)系是可逆的，即當(dāng)知道了其中兩項數(shù)據(jù)，另一項數(shù)據(jù)可以根據(jù)式（6）計算得到。根據(jù)抽油機的扭矩特性，抽油機在一定工況條件下，光桿扭矩是固定不變的，曲柄軸凈扭矩將因曲柄平衡重扭矩的變化而變化，這就是抽油機曲柄平衡的調(diào)整原理。

2.2 抽油機曲柄平衡量化調(diào)整方法

根據(jù)對式（6）的分析結(jié)果，要做到對抽油機曲柄平衡的量化調(diào)整，實現(xiàn)抽油機上、下沖程做功相等，必須計算M光桿數(shù)據(jù)。

實際上，抽油機工作時，抽油機兩側(cè)平衡重重量及位置、曲柄自身峰值扭矩是已知的，由此可以得到抽油機在工作時平衡重峰值扭矩為

式中：2G柄·l柄為曲柄自身提供的峰值扭矩；為第k塊平衡重提供的峰值扭矩。

由式（3）可知，當(dāng)通過電動機測量獲得工作電流時，通過計算可以得到電動機輸出軸功率P2。當(dāng)已知電機輸出軸與曲柄軸間的傳動比i、抽油機沖次n即曲柄軸的轉(zhuǎn)速的條件下，即可換算抽油機曲柄軸的凈扭矩，計算公式為

結(jié)合式（7）～式（8），可以計算得到抽油機在一定工況條件下的光桿扭矩 M光桿。調(diào)整式（7）中的值，即平衡重的力臂l重k，獲取新的曲柄軸凈扭矩M，使其滿足式（5）的條件。此時平衡重的力臂l重k的調(diào)整量即為平衡重的量化調(diào)整數(shù)據(jù)。

3結(jié)語

本文通過對抽油機電動機的工作特性研究，實現(xiàn)了電動機電流向電動機功率轉(zhuǎn)換的計算方法。結(jié)合抽油機平衡調(diào)整方法和相應(yīng)的抽油機工況、傳動比關(guān)系，實現(xiàn)了抽油機上、下沖程做功相等的精確計算方法，實現(xiàn)了抽油機電流參數(shù)實現(xiàn)曲柄平衡重的量化平衡，為油田用戶實現(xiàn)抽油機電流平衡量化調(diào)整提供了理論基礎(chǔ)，為進一步開展相關(guān)抽油機電流平衡儀的研制提供了理論方法。

［1］ 楊胡坤，秦麗豐，盧玉，等.常規(guī)游梁式抽油機電流平衡調(diào)整方法研究［J］.石油礦場機械，2013，42（6）：1-6.

［2］ 閻海濤．用扭矩法調(diào)整曲柄平衡抽油機的平衡［J］．內(nèi)江科技，2003（4）：41-43.

［3］ 許雪云，孫景麗，付興芬，等．用電功率判斷和調(diào)整抽油機的平衡［J］．內(nèi)蒙古石油化工，2010（19）：55-56.

［4］ 史鵬飛，崔麗巖，張彥彬，等．功率法調(diào)整抽油機平衡方法初探［J］．油氣井測試，2003，12（6）：51-55.

［5］ 李麗君．抽油機功率平衡法調(diào)平衡方法研究［J］．中國城市經(jīng)濟，2011（5）：261-263.

［6］ 顧永強，周靜，李玲，等．改進抽油機井“功率平衡”測試實現(xiàn)節(jié)能降耗［J］．油氣田環(huán)境保護，2009（4）：45-47.

［7］ 李炳超．抽油機曲柄平衡的調(diào)整計算及效果預(yù)測［J］．石油礦場機械，2006,35（2）：48-51.