抽油機(jī)與拖動裝置一體化加載試驗(yàn)系統(tǒng)

馮曉輝，徐 浩，杜 業(yè)

（渤海石油裝備（天津）新世紀(jì)機(jī)械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

據(jù)不完全統(tǒng)計，目前國內(nèi)油井?dāng)?shù)量約25 萬口，其中游梁式抽油機(jī)井占70%以上，其無故障運(yùn)行時間的長短，直接影響到油田的管理成本和運(yùn)行成本，甚至影響到油田的產(chǎn)量。以往抽油機(jī)制造廠在對抽油機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)時，多是在驢頭位置懸掛重砣進(jìn)行試驗(yàn)，無法模擬抽油機(jī)現(xiàn)場交變載荷的工況；而少數(shù)科研院所對抽油機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)時，采用的是水井+水循環(huán)系統(tǒng)加載進(jìn)行試驗(yàn)，但存在投資大、工藝復(fù)雜、占地面積大等問題，無法進(jìn)行推廣。抽油機(jī)拖動裝置制造商在對拖動裝置進(jìn)行試驗(yàn)時有兩種情況：一是拖動裝置重新設(shè)計或更改工藝時進(jìn)行型式試驗(yàn)；二是常規(guī)出廠試驗(yàn)，只對常規(guī)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。為了能夠?qū)崿F(xiàn)抽油機(jī)加載和拖動裝置一體化試驗(yàn)，介紹一種抽油機(jī)與抽油機(jī)拖動裝置一體化的加載試驗(yàn)系統(tǒng)，以滿足模擬油田工況的情況下，對抽油機(jī)和拖動裝置同時進(jìn)行試驗(yàn)，保證設(shè)備的質(zhì)量。

1 系統(tǒng)原理

試驗(yàn)系統(tǒng)由加載系統(tǒng)（液壓馬達(dá)及液壓油源）、無線角位移傳感器、無線負(fù)載傳感器、RTU（Remote Terminal Unit，遠(yuǎn)程終端單元）（或PLC）、主控制器、振動檢測儀、溫度檢測儀等組成，如圖1 所示。通過載系統(tǒng)來模擬油田現(xiàn)場的實(shí)際工況，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)的交變載荷，并可模擬現(xiàn)場負(fù)荷減少、負(fù)荷增加、卡井等突發(fā)工況；通過一體化控制系統(tǒng)可以監(jiān)測抽油機(jī)的沖程、沖次、懸點(diǎn)載荷、平衡度、振動等參數(shù)，同時可以監(jiān)測拖動裝置的運(yùn)行電壓、電流、溫度、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等參數(shù)；遠(yuǎn)程傳輸裝置和中控試驗(yàn)臺，可以對拖動裝置的遠(yuǎn)程啟停、遠(yuǎn)程故障報警、示功圖顯示等功能進(jìn)行檢測。

2 系統(tǒng)組成

2.1 加載系統(tǒng)

鋼絲繩滾筒通過支架用地錨固定在地基上，鋼絲繩滾筒通過軸承在支架上滾動來收緊或放松鋼絲繩。通過液壓伺服馬達(dá)給滾筒施加力矩載荷，給鋼絲繩施加拉力載荷（圖2）。伺服壓力控制單元給馬達(dá)提供精確的液壓壓力，光電碼盤檢測位置及速度，實(shí)現(xiàn)模擬油田現(xiàn)場交變載荷的工況；通過伺服控制單元還可以隨時增加或減小液壓壓力，模擬油田現(xiàn)場載荷不均勻和軟卡的工況，使試驗(yàn)條件接近油田現(xiàn)場運(yùn)行工況。

圖1 一體化加載試驗(yàn)系統(tǒng)組成

圖2 加載系統(tǒng)（液壓馬達(dá)）

2.2 抽油機(jī)檢測

（1）沖次檢測。RTU 通過角位移傳感器采集數(shù)據(jù)，通過計算顯示抽油機(jī)運(yùn)行沖次并上傳至主控制器。

（2）沖程檢測。RTU 通過角位移傳感器采集數(shù)據(jù)，通過計算顯示抽油機(jī)運(yùn)行沖程并上傳至主控制器，主控制器程序?qū)?shí)際沖程和設(shè)計沖程進(jìn)行對比，并判定是否合格。

（3）懸點(diǎn)載荷。RTU 通過載荷傳感器采集數(shù)據(jù)，通過計算顯示抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷并上傳至主控制器。

（4）平衡度檢測。RTU 通過電量采集模塊采集電流信號，通過角位移傳感器采集上下行信號，通過對上下行電流的計算顯示抽油機(jī)的平衡度并上傳至主控制器。

（5）振動檢測。通過振動傳感器將抽油機(jī)的實(shí)際振動值上傳至主控制器，主控制器程序?qū)?shí)際振動值和設(shè)計值進(jìn)行對比，并判定是否合格。

（6）根據(jù)不同的需求，還可以增加減速箱凈扭矩、調(diào)平衡電機(jī)（自動調(diào)平衡抽油機(jī)）相關(guān)參數(shù)等項目的檢測。

2.3 拖動裝置檢測

（1）過壓、欠壓保護(hù)。通過調(diào)壓變壓器對電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，模擬油田現(xiàn)場過壓、欠壓的工況。拖動裝置通過對電壓的監(jiān)測，與內(nèi)設(shè)保護(hù)限值（一般為額定電壓依20%）對比，高于保護(hù)限值則為過壓保護(hù)，反之為欠壓保護(hù)，通過拖動裝置是否進(jìn)行保護(hù)動作判定是否合格。

（2）過載保護(hù)。通過調(diào)整液壓馬達(dá)加載系統(tǒng)，模擬現(xiàn)場卡井或負(fù)載超過電動機(jī)額定負(fù)載的工況。拖動裝置實(shí)時監(jiān)測電流，當(dāng)出現(xiàn)電流突變且超出電動機(jī)設(shè)定保護(hù)電流值時，進(jìn)行過載保護(hù)，通過拖動裝置是否進(jìn)行保護(hù)動作判定是否合格。

（3）缺相保護(hù)。在主電源任意一相安裝一個接觸器，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)或帶自鎖的按鈕開關(guān)控制接觸器線圈，實(shí)現(xiàn)模擬缺相的工況。拖動裝置通過對三相電源的監(jiān)測，當(dāng)出現(xiàn)某相無電壓（電流）或電壓（電流）過低時，則缺相保護(hù)，通過拖動裝置是否進(jìn)行保護(hù)動作判定是否合格。

（4）過熱保護(hù)。對拖動裝置過熱保護(hù)端子短接，在短接線上連接一個兩位轉(zhuǎn)換開關(guān)或帶自鎖按鈕開關(guān)，通過開關(guān)的通斷來模擬過熱保護(hù)繼電器通斷（電動機(jī)是否過熱）的工況。當(dāng)斷開轉(zhuǎn)換開關(guān)或按下自鎖按鈕后，過熱保護(hù)，通過拖動裝置是否進(jìn)行保護(hù)動作判定是否合格。

（5）主電機(jī)運(yùn)行參數(shù)。數(shù)字化節(jié)能控制器檢測主電機(jī)運(yùn)行電流、電壓，通過RTU（或PLC）上傳主控制器，主控制器通過對電動機(jī)運(yùn)行電流、電壓進(jìn)行計算，實(shí)現(xiàn)有功功率、無功功率、功率因數(shù)等參數(shù)的監(jiān)測。

2.4 遠(yuǎn)程監(jiān)控

抽油機(jī)拖動裝置與遠(yuǎn)程傳輸裝置進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)中控室對抽油機(jī)、拖動裝置、調(diào)平衡電動機(jī)（自動調(diào)平衡抽油機(jī)）運(yùn)行情況的遠(yuǎn)程監(jiān)控，中控室主控臺顯示抽油機(jī)整體的各種數(shù)據(jù)參數(shù)（電壓、電流、沖程、沖次、平衡度、懸點(diǎn)載荷、示功圖等），并可通過遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備檢測拖動裝置的遠(yuǎn)程啟停、故障報警等功能，同時可以檢測抽油機(jī)運(yùn)行情況遠(yuǎn)程傳輸、調(diào)平衡電機(jī)的遠(yuǎn)程啟停、示功圖上傳等功能。

2.5 對比試驗(yàn)設(shè)計

為了實(shí)現(xiàn)兩種不同型號電機(jī)拖動同一臺抽油機(jī)時的對比試驗(yàn)，并且排除電機(jī)拆卸、更換過程中對工況的改變因素，可以在試驗(yàn)臺電機(jī)位置延伸出另一個電機(jī)的安裝位置，2 臺電機(jī)采用特制的靠背輪式皮帶輪連接，一臺電機(jī)停機(jī)后啟動另一臺電動機(jī)，根據(jù)主控制器采集數(shù)據(jù)進(jìn)行對比試驗(yàn)。需要注意：2 臺電機(jī)在控制上必須進(jìn)行互鎖保護(hù)，保證同一時間內(nèi)只有一臺電機(jī)通電運(yùn)行。

3 結(jié)束語

抽油機(jī)與拖動裝置一體化加載試驗(yàn)系統(tǒng)，是在模擬油田現(xiàn)場工況的情況下對抽油機(jī)和拖動裝置進(jìn)行整體試驗(yàn)，使抽油機(jī)制造廠和拖動裝置制造廠能夠取得更加貼近油田現(xiàn)場的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對于產(chǎn)品的的設(shè)計優(yōu)化具有重要意義，同時能有效提高抽油機(jī)和拖動裝置運(yùn)行的可靠性，保證油田的生產(chǎn)運(yùn)行。