游梁式抽油機變速運行節(jié)能效果評價

馮子明　李　琦　丁煥煥　高啟明

（東北石油大學機械科學與工程學院，黑龍江大慶　163318）

游梁式抽油機變速運行節(jié)能效果評價

馮子明李琦丁煥煥高啟明

（東北石油大學機械科學與工程學院，黑龍江大慶163318）

抽油機變速運行技術應用于國內(nèi)多個油田，對其效果的評價也不一致?；诔橛蜋C變速耦合運行理論建立了數(shù)學模型，并對其“節(jié)能降載”效果進行了綜合評價和分析，結(jié)果表明：變速運行技術可以降低電機功率和電機扭矩，降低減速箱扭矩和懸點峰值載荷，但是“超沖程”現(xiàn)象不明顯，泵載荷增加；變速運行技術能夠較好地適應沖程、沖次、沉沒度的變化，但是在平衡效果不好的情況下會出現(xiàn)“超扭矩”的不利因素，尤其是當變速運行曲線的初始相位角有偏差時，會嚴重影響整個抽油機系統(tǒng)的綜合工作性能，造成無法啟機或突然停機。

變速運行；扭矩；峰值載荷；節(jié)能效果

游梁式抽油機一直占據(jù)機械采油設備的主導地位，但因其自身的結(jié)構(gòu)特點，抽油機由靜止狀態(tài)啟動時載荷很大，一般采用較大功率的驅(qū)動電機和大容量的變壓器使其可靠啟動，效率和功率因數(shù)明顯下降。國內(nèi)外采油工程師普遍認為變速驅(qū)動抽油機后可有效降低懸點峰值載荷、減弱交變沖擊、降低周期載荷系數(shù)和拖動裝置的裝機功率，部分井具有超沖程效果（游梁式抽油機中的地下抽油泵的沖程大于光桿沖程時，稱為超沖程），達到節(jié)能降耗、提高產(chǎn)量的目的。變速耦合最早由S. G. GIBBS 于1975年提出，建立了變角速時抽油機的運動學和動力學函數(shù)，以及求解耦合問題流程［1］。1992年沈迪成定性探討了轉(zhuǎn)差率與周期載荷系數(shù)之間的聯(lián)系和轉(zhuǎn)差率的優(yōu)化，但是沒有提供耦合計算的數(shù)學模型［2］。董世民在1996—2001年發(fā)表了多篇關于電機轉(zhuǎn)速波動預測模型及求解方法的文章［3-5］。2000年吳曉東把耦合理論應用到定向井中［6］。國內(nèi)文獻成果更偏重于理論公式的推導，沒有給出詳實的計算結(jié)果，也缺少詳細的定性定量分析。

2011—2012年陸續(xù)有關于柔性優(yōu)化運行控制技術的報道，大慶油田和吉林油田都有此項技術的應用：變速策略是在單周期運行過程中，通過改變曲柄運動的周向加速度，自適應調(diào)整曲柄軸承受的扭矩值和扭矩分布，降低扭矩峰值和峰谷差值。不用調(diào)整平衡塊和改變四連桿結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了精確電流平衡和功率平衡［7-9］。但是變速運行優(yōu)化技術根據(jù)現(xiàn)場應用回饋的數(shù)據(jù)并不理想：某采油廠應用變速運行優(yōu)化技術的抽油機井共121口，其中14.9%井的耗能增加，39.7%系統(tǒng)效率降低，43%泵效降低，57%懸點載荷增加，說明此項變速運行優(yōu)化技術需要進一步在節(jié)能機理和優(yōu)化理論上進行探索。因此本文對變速運行曲線進行了綜合效果評價與適應性分析，發(fā)現(xiàn)原始應用的速度曲線初始相位角對綜合性能影響最大，通過調(diào)整初始相位角可以有效改善該速度曲線模型的降載節(jié)能效果，為今后變速運行優(yōu)化技術的推廣應用提供理論支撐。

1　抽油機變速運行理論基礎

1.1電動機工作特性

電動機的工作特性曲線在室內(nèi)電動機測試實驗臺上實驗獲取，在瞬態(tài)變載荷工況下詳細測取了多組數(shù)據(jù)，經(jīng)過濾波數(shù)據(jù)處理和函數(shù)擬合后可獲得電機特性曲線。圖1是電動機的效率曲線。本實驗臺可以獲取電動機的電流、功率、功率因數(shù)、轉(zhuǎn)差率、效率等5條工作特性曲線，為抽油機系統(tǒng)的優(yōu)化設計和綜合評價提供可靠的計算模型。

1.2抽油機變速驅(qū)動時的運動特性與動力特性

游梁式抽油機的懸點位移S與曲柄轉(zhuǎn)角θ之間只是一種幾何關系，它只和四連桿的幾何尺寸有關，而與曲柄角速度ω是否變化無關，因此懸點位移公式不變［10］。

變速與勻速時的懸點速度v的公式在形式上沒有變化，仍可以照常使用，但是此時需要知道曲柄轉(zhuǎn)速是如何隨曲柄轉(zhuǎn)角θ變化的，當橫坐標使用時間做單位時，注意轉(zhuǎn)角θ與時間t之間的轉(zhuǎn)化關系［10］。

在曲柄變角速度的情況下，游梁擺動的角加速度由兩項組成，一項是由四連桿機構(gòu)的固有特性產(chǎn)生的游梁角加速度，第二項是曲柄角速度變化而產(chǎn)生的附加角加速度，這一項是常規(guī)勻速運行被省略的部分［10］。

懸點示功圖選用三維波動方程計算求得，三維波動方程的上邊界只與懸點速度有關，下邊界條件與泵啟閉情況有關，選用中心差分法進行迭代計算，抽油桿任意位置的示功圖均可輸出［11］。

在曲柄變角速度情況下，減速器輸出軸扭矩應當?shù)扔谳d荷扭矩、平衡扭矩、游梁慣性引起的扭矩與曲柄軸慣性扭矩之和。勻速運行時減速箱扭矩計算公式一般忽略游梁慣性和曲柄軸慣性的影響［10］。

2　綜合評價

2.1基本工況和速度曲線

實際案例的基本工況參數(shù)：抽油機型號CYJ10-3-37HB，電動機功率22 kW，沖次6 min-1，沖程為3 m，泵掛1 000 m，泵徑?57 mm，動液面600m，單級桿?22 mm，含水率為90%；電動機、曲柄軸、游梁、減速箱轉(zhuǎn)動慣量分別為1.39 kg·m2、5 330 kg·m2、2140kg·m2、2.54 kg·m2；油壓0.5 MPa，套壓0.4MPa。

圖2為變速驅(qū)動的電動機轉(zhuǎn)速曲線，其平均轉(zhuǎn)速為750 r/min，與三相異步電動機的額定轉(zhuǎn)速相當。在進行變速運行評價時，除速度曲線外所有的參數(shù)都保持相同。

圖2　變速運行電動機速度曲線

電動機速度變化幅度在-40% ~ +37%之間。周期性速度分布原則：上下死點附近內(nèi)高速，其他位置隨載荷幅值降低而減小?；竟?jié)能思想是“重載慢驅(qū)，輕載快行”，以保持盡量平穩(wěn)的輸入功率，提高電動機運行效率及提高整機系統(tǒng)的綜合性能。但由于系統(tǒng)轉(zhuǎn)動部件的轉(zhuǎn)動慣量、四連桿機構(gòu)傳動特性以及桿、管、液三維耦合動力特性等多因素之間的交互耦合影響，實際情況難以單個性能指標來評價與分析變速運行理論的節(jié)能機理和制定控制策略。

2.2變速運行與勻速運行的抽油機工作特性曲線

圖3 ~圖6是變速運行和常規(guī)勻速運行工作特性曲線的對比。懸點速度曲線被“削峰填谷”，并且上沖程加速段時間延長，都是為降低懸點受到的慣性載荷。減速箱扭矩峰值減低6.22%，負扭矩大幅消除，驢頭位于下死點附近時還有部分負扭矩沒有完全消除。電機功率曲線與扭矩曲線比較，幅值下降幅度非常大，功率的降低受益于慣性載荷和低速段的綜合作用，對于提高電動機的效率非常有效。通過對懸點示功圖的對比發(fā)現(xiàn)，變速運行后懸點載荷降低了2.75%，約1.5 kN。

圖3　懸點速度曲線

圖4　減速箱扭矩曲線

圖5　電機功率曲線

圖6　懸點示功圖

圖7　變速優(yōu)化措施前后的綜合性能對比

由圖7可以看出，電機扭矩、功率、節(jié)電率，周期載荷系數(shù)，減速箱扭矩，光桿載荷，泵位移等性能指標都有了不同程度的提高。電動機軸最大扭矩降低了14.71%，電動機最大輸出功率降低了34.96%，電動機節(jié)電率為2.91%，抽油機波動率即周期載荷系數(shù)降低了22.03%，減速箱最大輸出凈扭矩降低率為6.22%，光桿最大載荷降低率為2.75%，泵的超沖程為0.28%，泵載荷最大值升高了1.73%。其中，8項性能指標中有7項得到了改良，只有泵載荷增大，說明變速運行技術具有提升常規(guī)機工作性能的作用。

2.3變速運行敏感性分析

表1為抽油機不同平衡度γ對電動機峰值扭矩降低率Tm、電動機峰值功率降低率Pm、節(jié)電率Ω、周期載荷系數(shù)降低率FCL、減速箱扭矩降低率Tg、懸點峰值載荷降低率（光桿載荷Wr，泵載荷Wp）和泵位移降低率Sp等因素的影響對比（表2~表4數(shù)據(jù)同此）；隨著平衡度從欠平衡（0.65）到過平衡（1.2）的增大，節(jié)電效果越來越好，周期載荷系數(shù)也都降低，但是過平衡時載荷波動相對較大，并且減速箱會出現(xiàn) “超扭矩”（扭矩增加了1.14%）的現(xiàn)象，對抽油機的啟動和平穩(wěn)運行都不利。泵沖程增加了0.28%，效果并不明顯。懸點載荷降低了2.75%，但是泵載荷卻增加了1.73%。因此，變速運行能夠提高抽油機的綜合性能，但要注意在進行變速運行前進行平衡度的調(diào)整，以免出現(xiàn)減速箱“超扭矩”的現(xiàn)象。

表2為變速運行對沖程適應性的統(tǒng)計結(jié)果：不同沖程下，電機扭矩、電機功率、波動率、減速箱扭矩、懸點載荷都有明顯改善，但是效果有變化。沖程為3 m時節(jié)電效果最好，沖程小于2.5 m時沒有節(jié)電效果。不同沖程下，泵都有較小的“超沖程”現(xiàn)象，泵載荷在3 m沖程時增加了1.73%。

表3為變速運行對沖次適應性的統(tǒng)計結(jié)果：沖次為3次/min時不節(jié)能，沖次為6次/min或者9 次/min時，節(jié)電效果越來越好。不同沖次時，變速運行都能降低載荷波動率。沖次越大，凈扭矩降低的越多。隨著沖次增加，泵沖程增加，這有利于泵效的提高，不利影響是泵載荷隨著沖次增加而增加。電機峰值扭矩和峰值功率、減速箱峰值扭矩、周期載荷系數(shù)都有不同程度降低，這有利于抽油機平穩(wěn)運行。說明變速運行能夠適應沖次的變化，而且更適合高沖次的工況。

表4為沉沒度對變速運行的影響：隨著沉沒度的增加，電機峰值扭矩和峰值功率增加，電機節(jié)電率為1.61%，周期載荷系數(shù)降低，減速箱峰值扭矩降低，泵沖程增加，懸點光桿峰值載荷降低，以上指標從多個指標表明變速運行更適應較大沉沒度。但是泵峰值載荷增加，有可能造成泵出口處桿斷。

表1　平衡度γ對抽油機綜合性能的影響

表3　沖次n對抽油機綜合性能的影響

表2　沖程S對抽油機綜合性能的影響

表4　沉沒度H對抽油機綜合性能的影響

如圖8所示，電機速度曲線初始相位角后移10°后，重新進行變速運行理論分析，并與原始速度曲線計算數(shù)據(jù)對比，結(jié)果如圖9所示。電機峰值扭矩增大了33.82%，電機峰值功率增大了56.52%，耗電增加18.2%，不但沒有起到節(jié)能的作用，反而消耗了更多的電量。扭矩曲線波動率增大11.8%，說明抽油機系統(tǒng)的運行平穩(wěn)性變差。減速箱扭矩增大45.64%，出現(xiàn)“超扭矩”情況，極易出現(xiàn)斷齒事故。光桿載荷和泵載荷分別增大了15.64%和47.99%，很有可能出現(xiàn)過載斷桿事故。唯一的有利影響是泵有“超沖程”現(xiàn)象。從整體性能上看，不恰當?shù)某跏枷辔唤菚乐貝夯橛蜋C系統(tǒng)的綜合工作性能。

圖8　改變變速運行曲線的初始相位角

圖9　初始相位角對變速運行的影響數(shù)據(jù)

3　結(jié)論

（1）建立了變速運行條件下抽油機井的運動計算模型、動力計算模型和扭矩計算模型，進行抽油機變速運行綜合性能預測計算，并對計算結(jié)果分析。

（2）變速運行技術可以降低電動機的峰值扭矩和峰值功率，提高電動機的節(jié)電率，即降低了電動機所承受的交變沖擊載荷，可以降低電動機額定功率。

（3）變速運行技術可以降低減速箱的峰值扭矩，降低抽油機的周期載荷系數(shù)，即降低抽油機所承受的交變沖擊扭矩，增加抽油機的運行平穩(wěn)性，使得抽油機更安全可靠地運行。

（4）變速運行技術可以降低懸點峰值載荷，增加泵沖程，即降低抽油桿所承受的交變拉壓應力，提高桿柱壽命，增加泵效率。

（5）變速運行技術可以對沖程、沖次和沉沒度變化適應性較好，但過平衡時會出現(xiàn)“超扭矩”現(xiàn)象，特別是變速曲線的初始相位角的影響非常明顯。

（6）建議加強變速運行抽油機的日常管理，措施前調(diào)整好平衡度，當峰值電流或峰值功率增加較多時應及時調(diào)整變速。變速運行優(yōu)化技術是目前應用于游梁式抽油機的較先進技術，若解決以上問題，本節(jié)能技術會有更廣闊的市場前景和經(jīng)濟效益。

符號說明：

S為懸點位移，m；θ為曲柄與縱軸夾角，°；ω為曲柄角速度，rad/s；A為游梁前臂長，m；Ψb為游梁后臂與基桿最大夾角，°；Ψ為游梁后臂與基桿夾角，°；v為懸點速度，m/s；R為曲柄半徑，m；C為游梁后臂長度，m；α為基桿與縱坐標夾角，°；β為基桿與兩支點連線間夾角，°；ac為懸點加速度，m/s2；K為基桿長度，m；P為連桿長度，m；TF為扭矩因數(shù)；ρr為抽油桿密度，kg/m3；Ar為抽油桿截面積，m2；vr為桿速度，m/s；fr為桿內(nèi)力，N；t為時間，t；Fr為液體受阻力，N/m；Er為抽油桿剛度，N/ m2；Ah為油管外徑面積，m2；At為油管內(nèi)徑面積，m2；ρt為油管密度，kg/m3；Ft為油管受的阻力，N/ m2；Et為油管剛度，N/m2；vt為管速度，m/s；ft為管內(nèi)力，N；ρf為液體密度，kg/m3；vf為液柱速度，m/ s；Pf為液體壓力，N/m2；Ff為桿受阻力，N/m；g為重力加速度，m/s2；Ef為液柱剛度，N/m2；Tnh為減速箱輸出軸凈扭矩，kN·m；ηbm為四連桿傳遞效率，無量綱；W為懸點載荷，kg；B為游梁不平衡重，kg；Jb為游梁轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；εb為游梁角加速度，rad/ s2；為扭矩因數(shù)，無量綱；M為平衡扭矩，kN·m；τ為曲柄偏置角，°；Jp3為曲柄軸上全部轉(zhuǎn)動件的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；ε為曲柄角加速度，rad/s2。

［1］GIBBLS S G . Computing gearbox torque and motor loading for beam pumping units with consideration of inertia effects［J］. Journal of Petroleum Technology, 1975, 27（9）: 1153-1159.

［2］沈迪成. 超高轉(zhuǎn)差電機驅(qū)動游梁抽油機參數(shù)的最優(yōu)化［J］. 石油學報，1992，13（3）：133-140.

［3］董世民，崔振華，馬德坤. 電動機轉(zhuǎn)速波動的有桿抽油系統(tǒng)預測技術［J］. 石油學報，1996，17（2）：138-145.

［4］董世民，馬德坤. 有桿抽油系統(tǒng)動態(tài)特性的計算機仿真［J］. 實驗力學，1996，11（3）：277-284.

［5］董世民，馬德坤，李學豐. 游梁式抽油系統(tǒng)動態(tài)參數(shù)仿真的綜合數(shù)學模型［J］. 石油機械，2001，29（6）：46-56.

［6］吳曉東，李兆文，郜云飛，等. 抽油機井系統(tǒng)數(shù)學仿真技術［J］. 石油學報，1997，21（5）：95-98.

［7］張再祥，閆偉. 抽油機井柔性自動調(diào)參裝置應用效果淺析［J］. 石油石化節(jié)能，2011，27（4）：34-35.

［8］魏延富，陳祥光，孫大奎，等. SURF抽油機運行優(yōu)化控制技術節(jié)能測試研究［J］. 石油石化節(jié)能，2012，28（1）：4-5.

［9］趙菁菁. 游梁式抽油機SURF系統(tǒng)優(yōu)化與柔性運行技術探討［J］. 內(nèi)蒙古石油化工，2012，22（10）：82-84.

［10］鄔亦炯，劉卓均，趙貴祥，等. 抽油機［M］. 北京：石油工業(yè)出版社，1994.

［11］余國安. 有桿泵抽油井的三維振動［J］. 石油學報，1988，9（3）：37-41.

（修改稿收到日期2015-04-16）

〔編輯李春燕〕

Evaluation on energy saving effect of variable speed operation of beam-pumping unit

FENG Ziming, LI Qi, DING Huanhuan, GAO Qiming
（College of Mechanical Science & Engineering, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China）

The variable speed operation technology of the pumping unit is used in a number of domestic oilfields, and evaluation on its efficiency also varies. A mathematic model has been built based on the variable speed coupling running theory of the pumping unit, and its “energy-saving and load-reduction” effectiveness was comprehensively evaluated and analyzed. The result shows that the variable speed operation technique can reduce the motor power and motor torque, reduce the reduction gearbox torque and peak load on suspension point; however, the “over-stroke” phenomenon is not obvious, and the pump load increases. The variable speed operation technique can favorably adapt to the changes of strokes, stroke frequency and submergence, but under poor balance effectiveness, the unfavorable element of “over-stroke” may occur, esp. when the initial phase angle of variable speed operation curve has deviation, then it will heavily affect the overall working performance of the entire pumping system, leading to failure of startup or sudden shutdown.

variable speed operation; torque; peak load; energy saving effect

TE933.1

A

1000 – 7393（ 2015 ） 03 – 0066 – 05

10.13639/j.odpt.2015.03.015

黑龍江省自然科學基金“機采裝置變速運行力學特性及節(jié)能機理研究”（編號：E201412）；黑龍江省教育廳基金“游梁抽油機與電機耦合運行及合理匹配理論研究”（編號：XN2014104）；東北石油大學培養(yǎng)基金“變速驅(qū)動機-桿-泵耦合動力學行為及優(yōu)化運行節(jié)能機理研究”（編號：XN2014104）。

馮子明，1973年生?，F(xiàn)主要從事機械采油節(jié)能技術及葉輪機械流體力學的研究，副教授。電話：0459-6503121。E-mail：xueyuanfzm@163.com。

引用格式：馮子明，李琦，丁煥煥，等.游梁式抽油機變速運行節(jié)能效果評價［J］.石油鉆采工藝，2015，37（3）：66-70.