抽油機(jī)功率平衡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

畢業(yè)論文抽油機(jī)功率平衡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)系別自動(dòng)化工程系專業(yè)名稱測(cè)控技術(shù)與儀器班級(jí)學(xué)號(hào)5061025姓名任姍指導(dǎo)教師金偉2010年6月15日抽油機(jī)功率平衡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要我國(guó)的油田多為低滲透的低能、低產(chǎn)油田，大部分油田要靠注水壓油入井，再靠抽油機(jī)把油從地層中提升上來(lái)。以水換油、以電換油是我國(guó)油田的現(xiàn)實(shí)，電費(fèi)在我國(guó)的石油開采中占了很大比例。因此石油行業(yè)十分重視節(jié)能。在我國(guó)石油開采中，機(jī)械采油井占絕大多數(shù)，其中有桿采油占總機(jī)械采油的90以上，所以研究有桿抽油設(shè)備的節(jié)能對(duì)于減少能耗具有重大意義。由于抽油機(jī)載荷的不平衡性，使電機(jī)大多數(shù)情況下處于輕載狀態(tài)，電能的利用率低，能耗增加，因此抽油機(jī)的平衡對(duì)于節(jié)能降耗十分重要。本文詣在通過(guò)調(diào)整抽油機(jī)的平衡提高電能利用率，減少能耗。首先，在有桿抽油系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，根據(jù)抽油機(jī)的平衡條件和平衡準(zhǔn)則，對(duì)油田在役的常規(guī)抽油機(jī)進(jìn)行平衡分析和計(jì)算。然后，在對(duì)游梁式抽油機(jī)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)的力學(xué)原理，將整個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)化為一個(gè)等效動(dòng)力學(xué)模型，分析扭矩變化情況。當(dāng)抽油機(jī)的改變平衡點(diǎn)時(shí)，可在扭矩變化的基礎(chǔ)上重新調(diào)整抽油機(jī)的平衡。最后，組建了一個(gè)監(jiān)測(cè)抽油機(jī)運(yùn)行情況的系統(tǒng)，該系統(tǒng)以捷尼特為核心器件，可以監(jiān)測(cè)抽油機(jī)的電流、電壓、功率因數(shù)、功率等參數(shù)，根據(jù)測(cè)得參數(shù)可以查看抽油機(jī)的工作狀態(tài)，當(dāng)抽油機(jī)的工作狀態(tài)不平衡時(shí)，可以根據(jù)上述的扭矩變化情況來(lái)重新調(diào)整它的平衡。整個(gè)設(shè)計(jì)的核心是平衡的計(jì)算，在不增加成本的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)整平衡塊的質(zhì)量和半徑，使抽油機(jī)處于平衡狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能增效。因此，本成果對(duì)調(diào)整抽油機(jī)平衡有很強(qiáng)的實(shí)際意義，成本不變的同時(shí)增加了其可行性。關(guān)鍵詞抽油機(jī)，平衡，功率，扭矩THEDESIGNOFPUMPINGUNITPOWERBALANCESYSTEMAUTHORRENSHANTUTORJINWEIABSTRACTTHEOILFIELDSINOURCOUNTRYARELOWPRESSANDLOWYIELDINGINMOSTCASES,THEOILENTERSINTOTHEWELLUNDERTHEPRESSPRODUCEDBYWATER,ANDTHENELEVATEDFROMTHESTRATUMUPTOTHEGROUNDTHEREALITYOFCHINASOILFIELDSISTHATWEOBTAINOILPRODUCTIONBYMEANSOFINJECTINGWATERANDCONSUMINGALOTOFELECTRICITY,SOELECTRICITYFEETAKESALARGEPROPORTIONSOTHEOILINDUSTRYATTACHESGREATIMPORTANCETOENERGYCONSERVATIONINTHEPETROLEUMEXPLOITATIONOFCHINA,THEOVERWHELMINGMAJORITYOFOILPRODUCTIONWELLSISMECHANICALTHEQUANTITYOFRODHAVINGPUMPUNITISOVEROVERNINETYPERCENTOFTHEWHOLEQUANTITYOFTHEEQUIPMENTSOFOILEXTRACTIONINOILFIELDTHEREFORETHESTUDYOFPUMPINGEQUIPMENTTOREDUCEENERGYCONSUMPTIONPLAYSANIMPORTANTROLEASTHEPUMPINGLOADISOUTOFBALANCE,INMOSTCASESTHEMOTORISINLIGHTLOADCONDITION,SOITISOFLOWEREFFICIENCYANDHIGHERELECTRICITYCONSUMPTIONRATETHEBALANCEOFPUMPINGUNITSISVERYIMPORTANTFORENERGYSAVINGTHISARTICLEISAIMEDATINCREASINGTHEPUMPINGPOWERUTILIZATIONRATEANDREDUCINGENERGYCONSUMPTIONTHROUGHTHEADJUSTMENTOFTHEPUMPINGUNITSFIRSTOFALL,ONTHEBASISOFRODHAVINGPUMPSYSTEMSSTRUCTUREANDWORKINGPRINCIPLEWECOMPLETETHEBALANCEOFTHECONVENTIONALPUMPINGANALYSISANDCALCULATIONACCORDINGTOTHEBALANCECONDITIONSANDBALANCESTANDARDTHEN,WESIMPLIFYTHEWHOLESYSTEMASANEQUIVALENTDYNAMICMODELTOANALYZETHETORQUECHANGESONTHEBASISOFTHEBEAMPUMPINGUNITFORDYNAMICANALYSISANDTHEMECHANICSPRINCIPLEOFMECHANICALSYSTEMWHENTHEPUMPINGUNITCHANGESTHEBALANCEPOINT,WEREADJUSTTHEBALANCEOFPUMPINGUNITSONTHEBASISOFTHETORQUECHANGEFINALLY,WESETUPAMONITORINGSYSTEMPUMPINGOPERATION,THECOREDEVICEOFWHICHISJIENITEANDWECANMONITORTHEPUMPINGUNITOFCURRENT,VOLTAGE,POWERFACTOR,POWERANDOTHERPARAMETERSBYTHESYSTEMBASEDONTHEMEASUREDPARAMETERSWECANOBSERVETHEPUMPINGUNITSWORKINGSTATEWHENTHEWORKINGSTATEISOUTOFBALANCE,WECANREADJUSTITSBALANCEACCORDINGTOTHETORQUECHANGETHECOREOFTHEDESIGNISTHEBALANCECOMPUTATION,ANDWITHOUTADDITIONALCOSTTHEBALANCECANATTAINBYADJUSTINGTHEDISTANCEFROMTHECRANKPINTOTHEBALANCEBLOCKSTHENWEACHIEVETHEGOALTHUS,THERESULTFORTHEADJUSTMENTSOFTHEPUMPINGUNITBALANCEISOFGREATPRACTICALSIGNIFICANCEWITHCOSTSUNCHANGEDANDITSFEASIBILITYINCREASEDKEYWORDSPUMPINGUNIT,BALANCE，POWER,TORQUE目錄1緒論111抽油技術(shù)的工業(yè)背景及發(fā)展112調(diào)節(jié)抽油機(jī)功率平衡的意義413國(guó)內(nèi)外抽油機(jī)功率平衡研究現(xiàn)狀514本文設(shè)計(jì)的目的及方法72基于工作原理的功率平衡方法821游梁式抽油機(jī)8211游梁式抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)8212游梁式抽油機(jī)工作原理822無(wú)游梁式抽油機(jī)9221無(wú)游梁抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)9222無(wú)游梁式抽油機(jī)工作原理1023平衡調(diào)節(jié)方式113抽油機(jī)的平衡分析與計(jì)算1431抽油機(jī)平衡準(zhǔn)則1432抽油機(jī)靜態(tài)平衡分析計(jì)算1633游梁式抽油機(jī)扭矩平衡分析計(jì)算1834抽油機(jī)曲柄平衡的調(diào)節(jié)214抽油機(jī)功率平衡的調(diào)節(jié)系統(tǒng)2341數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件簡(jiǎn)介24411MICROLOGIX1100簡(jiǎn)介24412捷尼特簡(jiǎn)介2542系統(tǒng)軟件簡(jiǎn)介27421RSLOGIX500編程軟件27422RSLINXCLASSIC28423GRIDVIS軟件簡(jiǎn)介28424MSG指令簡(jiǎn)介30425數(shù)據(jù)采集編程實(shí)現(xiàn)3243功率平衡調(diào)節(jié)實(shí)例32結(jié)論35致謝36參考文獻(xiàn)37附錄39附錄A39附錄B53附錄C541緒論11抽油技術(shù)的工業(yè)背景及發(fā)展隨著人類對(duì)石油研究的不斷深入，到了21世紀(jì)，石油不僅成為現(xiàn)代社會(huì)最重要的能源，而且其五花八門的產(chǎn)品已經(jīng)深入列人們生活的各個(gè)角落，所以，石油被人們稱為“黑色的金子”、“現(xiàn)代工業(yè)的血液”，極大地推動(dòng)了人類現(xiàn)代文明的進(jìn)程2。采油方法有自噴采油方法和人工舉升采油方法兩種。自噴采油法的特點(diǎn)是利用地層本身的能量來(lái)舉升原油，是最經(jīng)濟(jì)的采油方法。但是隨著油田的不斷開發(fā)，地層能量逐漸消耗，即使在注水開發(fā)的油田，它的中后期也出現(xiàn)了水淹和強(qiáng)水淹的現(xiàn)象。為了保證原油穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)，這些油田就不能用自噴法開采。同時(shí)，由于油層的地質(zhì)特點(diǎn)，有一些油井一開始就不能自噴對(duì)于上述這些不能自噴的油井，就必須人為地用機(jī)械設(shè)備給油井內(nèi)液體補(bǔ)充能量，才能將原油從井內(nèi)舉升到地面，這種開采方法稱為人工舉升采油3。在我國(guó)大部分原油開采過(guò)程是采用人工舉升法，抽油技術(shù)也逐漸得到發(fā)展。國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的抽油設(shè)備是游梁式抽油機(jī)，或稱作有桿抽油設(shè)備。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、可靠性高、耐久性好、維護(hù)方便，適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)工況條件等優(yōu)點(diǎn)，所以長(zhǎng)期使用，經(jīng)久不衰，在石油機(jī)械中占有無(wú)可取代的地位。在今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)將具有強(qiáng)大的生命力和廣闊的發(fā)展前景4，在該種抽油機(jī)中最常用平衡方式是機(jī)械平衡。隨著井深和產(chǎn)量的不斷增加，同時(shí)隨著油井開采復(fù)雜條件經(jīng)常出現(xiàn)如高粘、多蠟、多砂、多氣、水淹和強(qiáng)腐蝕性等條件，采油工藝對(duì)有桿抽油設(shè)備提出了長(zhǎng)沖程、低沖次、大泵、深抽等要求，游梁式抽油機(jī)不能滿足要求。首先，游梁式抽油機(jī)減速箱輸出軸扭矩與沖程長(zhǎng)度成正比，加大沖程，抽油機(jī)外形尺寸增大，換大扭矩減速箱，都造成整機(jī)重量急劇增加，制造成本上升，經(jīng)濟(jì)上不能接受；其次，游梁式抽油機(jī)四連桿機(jī)構(gòu)，決定了驢頭運(yùn)動(dòng)的不均勻性，懸點(diǎn)產(chǎn)生較大的加速度，為了避免加速度過(guò)大，四連稈機(jī)構(gòu)的游梁擺角和曲柄連桿比都不能過(guò)大。當(dāng)增加沖程長(zhǎng)度時(shí)，四連桿機(jī)構(gòu)尺寸也隨之加大，整機(jī)輪廓尺小和至量顯著增加，當(dāng)沖程超過(guò)6M時(shí)，抽油機(jī)體積和重量增長(zhǎng)將成為推廣應(yīng)用的致命障礙5。為了減輕抽油機(jī)的重量，采用無(wú)游梁式抽油機(jī)。它分為機(jī)械式無(wú)游梁抽油機(jī)和液壓式無(wú)游梁抽油機(jī)即液壓式抽油機(jī)兩種6。它們的共同特點(diǎn)是保留了抽油桿，維持有桿抽油設(shè)備的工作方式。無(wú)游梁抽油機(jī)，特別是液壓式抽油機(jī)的采用，可以降低抽油桿柱中的應(yīng)力和改善它的工作條件，因而擴(kuò)大了有桿抽油設(shè)備的使用范圍。目前采用了幾種不同類型的無(wú)游梁式抽油機(jī)機(jī)械式無(wú)游梁抽油機(jī)包括鏈條式和曲柄連桿式；液壓式抽油機(jī)包括用油管柱做平衡重的液壓是抽油機(jī)；鋼繩式長(zhǎng)沖程抽油機(jī)等。為了減少抽油桿事故和克服抽油泵排量降低的缺點(diǎn)，徹底改變有桿抽油設(shè)備的工作方式，近年來(lái)，大力發(fā)展了無(wú)桿抽油設(shè)備。無(wú)桿抽油設(shè)備的特點(diǎn)是取消抽油桿，把發(fā)動(dòng)機(jī)移到井下，直接帶動(dòng)抽油泵抽油。目前，廣泛應(yīng)用無(wú)桿抽油設(shè)備有水力活塞泵和點(diǎn)動(dòng)潛油離心泵；正在小規(guī)模推廣的有電動(dòng)潛油單螺桿泵和射流泵。無(wú)桿抽油設(shè)備的主機(jī)組要放到井下去，即放到套管柱中去，所以它們的外徑受到套管內(nèi)徑的限制，直徑要小；同時(shí)為了從很深的油井中抽出一定產(chǎn)量的原油，所有長(zhǎng)度要大。因此，外徑尺寸的細(xì)長(zhǎng)是無(wú)桿抽油設(shè)備共同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。此外，位于井下的主要機(jī)組，它所抽汲的是多相混合液，每一相都對(duì)無(wú)桿抽油設(shè)備的特性產(chǎn)生不同的影響。由于主要機(jī)組在井下，他們的起下涉及到繁重的修井工作，所以對(duì)它們的工作可靠行和使用壽命要求更高。總之，結(jié)構(gòu)細(xì)長(zhǎng)，輸液上的多相和使用上的耐久，這三個(gè)特點(diǎn)是無(wú)桿抽油設(shè)備的特點(diǎn)。一百多年以來(lái)，隨著采油設(shè)備技術(shù)研究的深入，設(shè)計(jì)和制造水平的提高，抽油機(jī)在最初的雛形上得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，其技術(shù)發(fā)明有數(shù)百種7?？v觀全局，抽油機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)是81朝著大型化方向發(fā)展隨著世界油氣資源的不斷開發(fā),開采油層深度逐年增加,石油含水量也在不斷增多,采用大泵提液采油工藝和開采稠油等,都要求采用大型抽油機(jī)。2朝著低能耗方向發(fā)展為了減少能耗,提高采油經(jīng)濟(jì)效益,近年來(lái)國(guó)外研制與應(yīng)用了許多節(jié)能型抽油機(jī)，例如異相型抽油機(jī)節(jié)電1535，前置式抽油機(jī)節(jié)電3618。3朝著高適應(yīng)性方向發(fā)展現(xiàn)代抽油機(jī)應(yīng)具有較高的適應(yīng)性,以便拓寬使用范圍。例如適應(yīng)各種自然地理和地質(zhì)構(gòu)造條件抽油的需要，適應(yīng)各種成分石油抽汲的需要。4朝著精確平衡方向發(fā)展近年來(lái)國(guó)外很重視改進(jìn)和提高抽油機(jī)的平衡效果,使抽油機(jī)得到更精確平衡。5朝著長(zhǎng)沖程無(wú)游梁抽油機(jī)方向發(fā)展9近年來(lái)國(guó)外研制與應(yīng)用了多種類型長(zhǎng)沖程抽油機(jī),其中包括增大沖程游梁抽油機(jī)、增大沖程無(wú)游梁抽油機(jī)和長(zhǎng)沖程無(wú)游梁抽油機(jī)。6朝著自動(dòng)化和智能化方向發(fā)展近年來(lái)抽油機(jī)技術(shù)發(fā)展的顯著標(biāo)志是自動(dòng)化和智能化10。美國(guó)BAKER提升系統(tǒng)公司、DELTAX公司、APS公司等均研制了自動(dòng)化抽油機(jī),具有保護(hù)和報(bào)警功能,實(shí)時(shí)測(cè)得油井運(yùn)行參數(shù),及時(shí)顯示與記錄并通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行綜合計(jì)算分析,推出最優(yōu)工況參數(shù),進(jìn)一步指導(dǎo)抽油機(jī)以最優(yōu)工況抽油?？偠灾橛蜋C(jī)將朝著節(jié)能降耗并具有自動(dòng)化，智能化，長(zhǎng)沖程，大載荷，精確平衡等方向發(fā)展。12調(diào)節(jié)抽油機(jī)功率平衡的意義我國(guó)的油田多為低滲透的低能、低產(chǎn)油田，不像中東的油田那樣具有很強(qiáng)的自噴能力，大部分油田要靠注水壓油入井，再靠抽油機(jī)把油從地層中提升上來(lái)11。以水換油、以電換油是我國(guó)油田的現(xiàn)實(shí)，電費(fèi)在我國(guó)的石油開采成本中占了很大比例。因此，石油行業(yè)十分重視節(jié)約電能。保持抽油機(jī)的較高平衡度，可以達(dá)到較好的節(jié)能。根據(jù)在水力模型井上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪出了如圖11所示的曲線。從曲線可以看出，平衡度為80100時(shí)耗能最低，且欠平衡較過(guò)平衡省電12。這樣調(diào)節(jié)抽油機(jī)的平衡就很重要了，不僅可以節(jié)省電資源，也可以使抽油機(jī)壽命更長(zhǎng)。實(shí)耗功率KW平衡度圖11抽油機(jī)平衡度與耗能的關(guān)系曲線在我國(guó)的石油開采中，機(jī)械采油井占絕大多數(shù)，其中有桿采油有桿抽油井占總機(jī)械采油的90以上。全國(guó)產(chǎn)油量70以上靠有桿抽油機(jī)來(lái)完成。其能耗已占油田能耗的三分之一。全國(guó)每年耗電約四十二億人民幣。由于各油田每年要有幾千口新井投入生產(chǎn)，連同原有設(shè)備更新，每年要新增幾千臺(tái)抽油機(jī)。抽油機(jī)在我國(guó)石油開采有重要的地位13。游梁式抽油機(jī)在整個(gè)工作循環(huán)內(nèi)負(fù)載是不均勻的。從凈載來(lái)說(shuō)，上沖程是需提起抽油桿和油柱，這是電機(jī)要付出很大能量，到下沖程是抽油桿依靠自重就可以下落，不需電動(dòng)機(jī)付出能量，反而對(duì)電機(jī)做功，使電機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，因此，電機(jī)在上下沖程的載荷是非常不均勻的，而懸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度和加速度又加劇了這種不均勻性，載荷的不均勻性嚴(yán)重的影響了四連桿機(jī)構(gòu)，減速器和電機(jī)的壽命14。抽油機(jī)的平衡正是在這種基礎(chǔ)上提出來(lái)的，主要有以下兩個(gè)重要意義。1提高電網(wǎng)質(zhì)量，減小對(duì)電網(wǎng)影響。這主要集中在供電企業(yè)對(duì)電網(wǎng)質(zhì)量要求較高的場(chǎng)合，為避免電網(wǎng)質(zhì)量的下降，其主要目的就是減小抽油機(jī)工作過(guò)程對(duì)電網(wǎng)的影響。2節(jié)能。油田抽油機(jī)為克服大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，采用的電動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際所需功率，工作時(shí)電動(dòng)機(jī)利用率一般為2030，最高不會(huì)超過(guò)50，電動(dòng)機(jī)常處于輕載狀態(tài)，造成資源浪費(fèi)。13國(guó)內(nèi)外抽油機(jī)功率平衡研究現(xiàn)狀人們已普遍認(rèn)為游梁式抽油機(jī)工作效率不高的主要原因是其載荷特性與其所用的普通三相異步電動(dòng)機(jī)的工作特性不匹配15。因?yàn)槌橛蜋C(jī)懸點(diǎn)載荷在減速器曲柄軸上的扭矩曲線與曲柄平衡的正弦曲線不吻合,使得曲柄軸上的凈扭矩曲線波動(dòng)很大,甚至出現(xiàn)負(fù)值。而普通三相異步電動(dòng)機(jī)所輸出的轉(zhuǎn)速和扭矩基本上是恒定不變的,這樣就造成了游梁式抽油機(jī)長(zhǎng)期的工作效率低、耗能高的客觀存在，因此國(guó)內(nèi)外對(duì)于抽油機(jī)節(jié)能的研究十分重視，節(jié)能的核心是使抽油機(jī)工作在平衡狀態(tài)，調(diào)節(jié)抽油機(jī)的平衡主要包括幾下幾個(gè)方面16。1改進(jìn)抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)主要是通過(guò)對(duì)抽油機(jī)四桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)改變抽油機(jī)曲柄軸凈扭矩曲線的形狀和大小,使其波動(dòng)變得平坦,減少負(fù)扭矩的存在。從而減小抽油機(jī)的周期載荷系數(shù),提高電動(dòng)機(jī)的工作效率,達(dá)到抽油機(jī)節(jié)能的目的。比如異相曲柄平衡抽油機(jī)的推廣應(yīng)用和二次平衡方式的出現(xiàn)就是對(duì)抽油機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和改進(jìn)的結(jié)果。異相曲柄平衡抽油機(jī)就是通過(guò)改變上、下沖程時(shí)間的比例和曲柄平衡的相位角,使曲柄軸的凈扭矩曲線變得平坦并降低了峰值扭矩。2改變動(dòng)力機(jī)的工作特性由于抽油機(jī)的負(fù)載是周期性的，波動(dòng)范圍大，并且要求啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，故在運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常是“大馬拉小車”，使電機(jī)處于輕載狀態(tài)，造成電機(jī)效率低，耗能大，故改變它的工作特性也就十分重要了。改變動(dòng)力機(jī)工作特性的主要辦法是用高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)和超高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)代替常規(guī)轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)。它們的主要特點(diǎn)是啟動(dòng)扭矩大,其輸出轉(zhuǎn)速隨著承受扭矩的變化而有較大范圍的變化,能有效地適應(yīng)游梁式抽油機(jī)的載荷特性,對(duì)波動(dòng)很大的承載扭矩具有良好的動(dòng)能均衡作用,能較大幅度地降低曲柄軸最大扭矩和扭矩變化范圍,同時(shí)也改善了抽油機(jī)系統(tǒng)的受力狀況。3調(diào)整抽油機(jī)的平衡。游梁式抽油機(jī)在整個(gè)工作循環(huán)內(nèi)載荷是不均勻的，因此，電動(dòng)機(jī)在上、下沖程的載荷是非常不均勻的，而懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度和加速度的變化有加劇了這種不均勻性，載荷的不均勻性影響了電能的利用率，使耗能增加，因此合理的解決平衡問(wèn)題，使能量充分利用達(dá)到節(jié)能的目的。平衡方式主要有機(jī)械平衡和氣動(dòng)平衡。氣動(dòng)平衡主要是前置式抽油機(jī)。4推廣使用無(wú)游梁抽油機(jī)游梁式有桿抽油機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,使用、維護(hù)方便,可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。但是,在開采稠油、高凝油、深層油、特別是高含水油田時(shí),使用常規(guī)游梁式抽油機(jī)已無(wú)法實(shí)現(xiàn)更經(jīng)濟(jì)、有效地開采。對(duì)游梁式抽油機(jī)進(jìn)行增大行程的改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí),存在著造價(jià)高,外形尺寸大,使用中消耗功率多等問(wèn)題。按照采油工藝的要求,國(guó)內(nèi)外都在研制長(zhǎng)沖程,大載荷,低沖次,高效節(jié)能的抽油機(jī)8。其中鏈條抽油機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,質(zhì)量輕,耗能少,沖次低,沖程長(zhǎng),懸點(diǎn)加速度變化小,慣性載荷小,運(yùn)行平穩(wěn),減速器額定扭矩小和易于安裝等特點(diǎn),因此得到了普遍發(fā)展。5采用變頻調(diào)速技術(shù)在油井開采前期儲(chǔ)油量大，供液足，為提高功效可采用工頻運(yùn)行，保證較高產(chǎn)油量；在中后期，由于石油儲(chǔ)量減少，易造成供液不足，電動(dòng)機(jī)若仍工頻運(yùn)行，勢(shì)必浪費(fèi)電能，造成不必要損耗，這時(shí)須考慮實(shí)際工作情況，適當(dāng)降低電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，減少?zèng)_程，有效提高充盈率。使用變頻器可以提高油井的產(chǎn)量和泵效，根據(jù)油井的實(shí)際供液能力，動(dòng)態(tài)調(diào)整抽取速度，節(jié)約了電能又增加了原油產(chǎn)量；提高了電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)；真正實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)無(wú)沖擊；操作方便，不需停產(chǎn)即可任意調(diào)節(jié)速。14本文設(shè)計(jì)的目的及方法經(jīng)過(guò)實(shí)際考察發(fā)現(xiàn)大多數(shù)在役抽油機(jī)都存在不平衡的問(wèn)題，長(zhǎng)期以來(lái)人們都在不斷調(diào)整抽油機(jī)平衡，但實(shí)際效果并不理想。抽油機(jī)的不平衡使能耗增加，電能的利用率下降。上述調(diào)節(jié)平衡的方式中，通過(guò)調(diào)節(jié)平衡塊的質(zhì)量和位置的方式，無(wú)需增加成本，容易實(shí)現(xiàn)，增大了其可行性。本文通過(guò)分析電機(jī)的功率和抽油機(jī)的扭矩，調(diào)整平衡塊質(zhì)量與位置，使上下沖程中電動(dòng)機(jī)的功率平衡，充分利用電機(jī)所提供的動(dòng)能，減少耗電量，提高抽油機(jī)的效率。1通過(guò)深入的學(xué)習(xí)和調(diào)研，知道了目前最常用的判斷抽油機(jī)不平衡的方法是根據(jù)電流，用鉗式電流表測(cè)量電機(jī)電流，根據(jù)電流的比值來(lái)確定抽油機(jī)是否工作在平衡狀態(tài)。但由于電流沒(méi)有方向，而電動(dòng)機(jī)可能會(huì)工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，故根據(jù)電流值得到的結(jié)論并不真實(shí)?；谝陨显?，本文提出了平衡準(zhǔn)則，根據(jù)在上下沖程中電動(dòng)機(jī)所做的功相同，來(lái)調(diào)節(jié)平衡塊的位置。2在功率平衡的基礎(chǔ)上，提出了抽油機(jī)扭矩平衡，計(jì)算抽油機(jī)在工作過(guò)程中的扭矩，用抽油機(jī)的出廠參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)的示功圖，繪制抽油機(jī)的扭矩曲線，根據(jù)扭矩峰值來(lái)判斷抽油機(jī)的工作狀態(tài)，并在此基礎(chǔ)上給出了應(yīng)用扭矩峰值來(lái)進(jìn)一步調(diào)節(jié)抽油機(jī)的平衡的計(jì)算公式，對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)具有知道意義。3在完成上述理論分析后，用羅克韋爾公司的MICROLOGIX1100控制器和捷尼特UMG103設(shè)計(jì)了一套在線測(cè)量抽油機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)，為抽油機(jī)平衡的調(diào)節(jié)提供數(shù)據(jù)。這樣，本設(shè)計(jì)提供以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)在上下沖程中功率平衡的方法來(lái)調(diào)節(jié)抽油機(jī)平衡，根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，計(jì)算其扭矩峰值來(lái)進(jìn)一步調(diào)整抽油機(jī)的平衡。在實(shí)際中簡(jiǎn)單易行，并不需要增加成本，增大了其可行性。2基于工作原理的功率平衡方法21游梁式抽油機(jī)211游梁式抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)該系統(tǒng)由三個(gè)部分組成15一是地面部分游梁式抽油機(jī)，它是有電動(dòng)機(jī)、減速箱和四連桿機(jī)構(gòu)包括曲柄、連桿和游梁等組成；二是井下部分抽油泵包括吸入閥、泵筒、柱塞和排出閥等，它懸掛在套管中油管的下端，可分為桿式泵和管式泵；三是聯(lián)接地面抽油機(jī)和井下抽油泵的中間部分抽油桿柱，它是由一種或幾種直徑的抽油桿和接箍組成。如圖21。1電動(dòng)機(jī)2減速器3四連桿機(jī)構(gòu)4抽油桿柱5油管6套管7抽油泵8游動(dòng)閥9固定閥圖21游梁式抽油機(jī)裝置簡(jiǎn)圖212游梁式抽油機(jī)工作原理電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，再經(jīng)過(guò)減速箱兩次減速后，利用四連桿機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)驢頭、懸繩器、光桿、抽油桿帶動(dòng)深井泵抽油。運(yùn)動(dòng)形式的轉(zhuǎn)換過(guò)程如下當(dāng)曲柄作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，驢頭弧面以中軸承為圓心，以前臂長(zhǎng)為半徑的圓弧，而且懸繩器又是用毛辮子與驢頭軟連接，因此其切點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律是垂直直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)16。抽油泵是抽油系統(tǒng)井下設(shè)備，主要由工作筒外筒和襯套、柱塞及游動(dòng)閥排出閥和固定閥吸入閥組成，其上、下沖程過(guò)程見(jiàn)圖22。上沖程下沖程1游動(dòng)閥2柱塞3襯套4固定閥圖22抽油泵工作過(guò)程當(dāng)懸點(diǎn)抽油桿處于上沖程時(shí)，抽油桿柱帶動(dòng)抽油泵活塞上行，抽油泵的游動(dòng)閥受閥的自重和油管內(nèi)液柱壓力的作用而關(guān)閉，并提升柱塞上部的液體。與此同時(shí)柱塞下面的泵筒空間里的壓力降低，當(dāng)其壓力低于套管壓力時(shí)，該空間的液體將頂開油泵固定閥而進(jìn)入抽油泵活塞上沖程所讓開的泵筒空間；當(dāng)柱塞下行時(shí)，油泵的固定閥靠自重下落而關(guān)閉，泵筒內(nèi)的液體受到壓縮，在柱塞繼續(xù)下行過(guò)程中，泵內(nèi)的壓力不斷增高，當(dāng)泵內(nèi)壓力增至超過(guò)油管內(nèi)液柱壓力時(shí)，將頂開抽油泵的游動(dòng)閥使泵筒內(nèi)的液體進(jìn)入油管內(nèi)。由于抽油泵柱塞在抽油機(jī)的帶動(dòng)下，連續(xù)做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，因而抽油泵的固定閥和游動(dòng)閥也將交替地關(guān)閉與打開，完成抽油泵的抽吸工作循環(huán)。概括地說(shuō)上沖程時(shí)，將柱塞之上的液體排入輸油管線，將泵外的液體吸入泵內(nèi)下沖程時(shí)，將柱塞之下油泵內(nèi)的液體吸入柱塞之上的油管內(nèi)。22無(wú)游梁式抽油機(jī)221無(wú)游梁抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)無(wú)游梁抽油機(jī)以其節(jié)能、重量輕、易實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)沖程、慣性載荷小等優(yōu)點(diǎn)得到了發(fā)展。目前使用最多的是鏈條式抽油機(jī)。鏈條抽油機(jī)是我國(guó)自行研制的一種結(jié)構(gòu)獨(dú)特的無(wú)游梁抽油機(jī)。其結(jié)構(gòu)如圖23所示由五個(gè)系統(tǒng)組成151動(dòng)力轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)，包括電動(dòng)機(jī)、皮帶傳動(dòng)裝量、減速箱、主動(dòng)鏈輪、上鏈輪、軌跡鏈條和主軸銷等。2換向系統(tǒng)，即往返架總成，包括往返架、滑套、滑塊和滾輪等。3平衡系統(tǒng)包括平衡鏈平衡鏈條、平衡缸及其柱塞、儲(chǔ)氣包、補(bǔ)氣壓縮機(jī)、潤(rùn)滑油泵及其油氣管線等。4懸重系統(tǒng)，包括天車輪、輪架、鋼絲繩和懸繩器等。5機(jī)架底座系統(tǒng)，包括機(jī)架、導(dǎo)軌、底座和油底殼等。1底座2電動(dòng)機(jī)3減速箱4光桿5懸繩器6鋼絲繩7天車輪8機(jī)架9軌道10上鏈輪11往返架12滑塊13特殊鏈節(jié)14軌跡鏈條15主動(dòng)鏈輪16皮帶輪17柱塞18平衡鏈條19平衡鏈輪20油底殼21平衡缸圖23鏈條抽油機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖222無(wú)游梁式抽油機(jī)工作原理鏈條抽油機(jī)工作原理是電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速箱減速后驅(qū)動(dòng)主動(dòng)鏈輪，帶動(dòng)主動(dòng)鏈輪和從動(dòng)鏈輪之間的軌跡鏈條上下運(yùn)動(dòng)。軌跡鏈條上有一個(gè)特殊鏈節(jié)，其上裝有主軸銷，通過(guò)滑套和滑塊帶動(dòng)往返架沿機(jī)架導(dǎo)軌作垂直運(yùn)動(dòng)。當(dāng)軌跡鏈條上的特殊鏈節(jié)在鏈輪上作環(huán)形運(yùn)動(dòng)時(shí)，主軸銷帶動(dòng)滑塊沿滑杠移動(dòng)，完成往返架的換向動(dòng)作。繞在天車輪上的鋼絲繩端連在往返架的上部，另一端與懸繩器相連。往返架的垂直往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通道鋼絲繩和懸繩器帶動(dòng)光桿、抽油桿和深井泵實(shí)現(xiàn)抽汲任務(wù)。往返架的下部連有平衡鏈條，繞過(guò)平衡鏈輪固定在機(jī)架上。平衡鏈輪與平衡氣缸中的活塞相連，利用氣體壓縮產(chǎn)生的壓力變化和推力滿足抽油機(jī)平衡的需要。23平衡調(diào)節(jié)方式在我國(guó)石油開采中，機(jī)械采油占絕大多數(shù)，其中有桿采油有桿抽油井占總機(jī)械采油的90以上。研究有桿抽油機(jī)的平衡對(duì)于節(jié)約電能具有重要意義。上述中我們介紹了各種抽油機(jī)的工作原理，下面我們基于它們的工作原理來(lái)調(diào)節(jié)抽油機(jī)的平衡，說(shuō)明它們的平衡原理，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。一、游梁式抽油機(jī)1、機(jī)械平衡1、游梁平衡游梁平衡是最簡(jiǎn)單的一種平衡方法，就是在游梁的尾端裝設(shè)荷重。平衡重位置不可調(diào)，大小可調(diào)。該種情況下，當(dāng)沖程次數(shù)相當(dāng)大時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)將發(fā)生相當(dāng)大的動(dòng)載荷。2、旋轉(zhuǎn)平衡將荷重加于曲柄的延長(zhǎng)部分上，荷重與曲柄軸連為一體，跟曲柄軸一同旋轉(zhuǎn)。在該種平衡條件下，因?yàn)榻撬俣裙潭?，所以轉(zhuǎn)子的加速度為零，因而轉(zhuǎn)子的質(zhì)量對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)載荷不給予直接影響。法線加速度將產(chǎn)生沿曲柄方向的離心力，該力由曲柄軸的軸承承擔(dān)。3、復(fù)合平衡若抽油機(jī)的平衡，一部分用旋轉(zhuǎn)平衡，而另一部分用游梁平衡，則這種平衡就稱為復(fù)合平衡。這種方法常用于中等載荷的抽油機(jī)中。圖24為復(fù)合平衡的游梁式抽油機(jī)。在游梁尾端和曲柄上都裝了平衡重。在懸點(diǎn)下沖程時(shí)，要把這些平衡重從低處抬到高處，就增加了平衡重的位能。為了抬高平衡重，除了依靠抽油桿柱下落所放出的位能外，還要電動(dòng)機(jī)付出部分能量，所以消除了下沖程時(shí)電動(dòng)機(jī)反而接受能量的現(xiàn)象。而上沖程時(shí)平衡重由高處下落，把下沖程時(shí)儲(chǔ)存的位能釋放出來(lái)，幫助電動(dòng)機(jī)去提升抽油桿柱和油柱，這就減小了電動(dòng)機(jī)在上沖程時(shí)需要給出的能量。如果平衡重選擇得合適，那么就可以使電動(dòng)機(jī)上沖程時(shí)給出的能量等于下沖程時(shí)給出的能量，也就是電動(dòng)機(jī)在懸點(diǎn)上、下沖程所作的功相等。1剎車裝置2馬達(dá)3減速箱皮帶輪4減速箱5動(dòng)力輸入軸6中間軸7輸出軸8曲柄9連桿10支架11曲柄平衡塊12連桿13橫船軸14橫船15游梁平衡塊16游梁17支架軸18驢頭19懸繩器20底座圖24游梁式抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)2、氣動(dòng)平衡該平衡就是把一個(gè)裝有活塞的氣缸與抽油機(jī)固定在一起。用氣體的可壓縮性，儲(chǔ)存當(dāng)下沖程時(shí)和放出當(dāng)上沖程時(shí)能量，從而使電動(dòng)機(jī)上、下沖程作功相等。在下沖程時(shí)，活塞向下對(duì)氣體作功，抽油桿下落所放出的位能與電動(dòng)機(jī)給出的能量以氣體的壓能形式貯存起來(lái)。到下沖程時(shí)，氣體膨脹推動(dòng)活塞，幫助電動(dòng)機(jī)作功。對(duì)于一定的氣缸面積，只要?dú)飧變?nèi)的壓力比較合適，同樣可以使電動(dòng)機(jī)上、下沖程作功相等。1電動(dòng)機(jī)2皮帶3減速器4曲柄5連桿6游梁7驢頭8氣動(dòng)平衡圖25氣動(dòng)平衡抽油機(jī)二、無(wú)游梁抽油機(jī)鏈條式抽油機(jī)的平衡裝置是“液封柱塞氣平衡”。其特點(diǎn)是應(yīng)用柱塞并在動(dòng)密封處有密封液。它是一種利用氣體壓縮儲(chǔ)能、膨脹放能的裝置。調(diào)整方便，平衡效果好。而游梁抽油機(jī)不可能達(dá)到理想的平衡，因?yàn)橛瘟菏匠橛蜋C(jī)是利用質(zhì)量回轉(zhuǎn)式平衡。為了得到最大平衡切線力，就要有一定重量的平衡塊。曲柄平衡只有曲柄轉(zhuǎn)角在時(shí)，平衡重才能得到充分利用。鏈條式抽油機(jī)的鏈條滑道機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性，32或特別是由于采用“液封柱塞氣平衡”裝置，取得了良好的平衡效果，在調(diào)整合理的情況下，鏈條式抽油機(jī)的減速器扭矩曲線、電動(dòng)機(jī)的電流曲線幾乎是一條直線，僅在換向段波動(dòng)一下，這一瞬間的波動(dòng)也因各旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)件的慣性飛輪作用而得以緩解。鏈條式抽油機(jī)的懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)大段的工作行程是勻連的，使抽油機(jī)避免慣性載荷的作用，這對(duì)“三抽”系統(tǒng)的工作狀況極有好處。減速器和電動(dòng)機(jī)的工作是平穩(wěn)的，而且減速器扭矩和重量成倍下降，可以使用銘牌功率小得多的電動(dòng)機(jī)?？梢栽趹尹c(diǎn)的任何位置停機(jī)而不必剎車，可以在任何位置啟動(dòng)電機(jī)而沒(méi)有困難。氣動(dòng)平衡可靠、效能高，易于調(diào)節(jié)。電動(dòng)機(jī)效率高，功率因數(shù)高，可以大大地節(jié)省電能。由此可見(jiàn)，抽油機(jī)的各種平衡的基本原理是一樣的，即下沖程時(shí)，以某種方式把抽油桿住所放出的能量和電機(jī)給出的能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，到上沖程時(shí)再放出來(lái)幫助電動(dòng)機(jī)作功。3抽油機(jī)的平衡分析與計(jì)算抽油機(jī)在實(shí)際生產(chǎn)中存在功率不平衡問(wèn)題，通過(guò)分析知道游梁式抽油機(jī)功率不平衡是由于懸點(diǎn)載荷的復(fù)雜性，在上沖程中，電機(jī)要提起抽油桿和原油，需要付出很大的能量，而在下沖程中，抽油桿靠自重下落，此時(shí)，電動(dòng)機(jī)不但不需要付出能量，還會(huì)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，這種情況下，在上下沖程中，電機(jī)載荷不同，功率因數(shù)低，電能利用率低。為了克服這種情況，在實(shí)際生產(chǎn)中抽油機(jī)加入平衡塊，在下沖程中存儲(chǔ)能量，在上沖程中釋放能量，保證電動(dòng)機(jī)在上下沖程中做相等的正功。這樣可以提高電能利用率，減少能耗，因此抽油機(jī)的平衡對(duì)于節(jié)能具有重大意義。下面提出了調(diào)節(jié)抽油機(jī)平衡的平衡準(zhǔn)則。31抽油機(jī)平衡準(zhǔn)則準(zhǔn)則一、抽油系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)上下沖程做功相等3首先根據(jù)電動(dòng)機(jī)上下沖程做功相等這以準(zhǔn)則求出下沖程對(duì)機(jī)械平衡或氣動(dòng)平衡裝置所對(duì)應(yīng)儲(chǔ)存能量的大小或上沖程時(shí)抽油機(jī)下落是所釋放的能量的大小。在下沖程中，電機(jī)和下沖程懸點(diǎn)載荷一起對(duì)平衡重做功，把重物升高儲(chǔ)存位能31WDMA則得到電機(jī)在下沖程中做得功為32MDWD在上沖程中平衡重釋放能量，幫助電機(jī)懸點(diǎn)做功33UWMUA則得電機(jī)在上沖程中做的功為34MUW平衡條件是在下沖程中把能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，在上沖程中利用儲(chǔ)存的能量來(lái)幫助電動(dòng)機(jī)做功，從而是電動(dòng)機(jī)在上下沖程中都做相等的正功。35MUDA連立上述32、34、35式得到362UDWA由以上知，為了使抽油機(jī)平衡，在下沖程中需要儲(chǔ)存的能量或上沖程中需要釋放的能量應(yīng)該是懸點(diǎn)載荷在上下沖程中所做功之和的一半。當(dāng)只考慮靜載荷做功時(shí)，懸點(diǎn)在上沖程做的功為37URLAWS下沖程做功為38DR由前式得理論上需要的平衡功為3922UDLWRAS如果有抽油機(jī)靜力示功圖，可根據(jù)示功圖進(jìn)行計(jì)算圖31靜力示功圖31002LRWAS準(zhǔn)則二、懸點(diǎn)上下沖程中減速箱曲柄峰值扭矩相等。這一準(zhǔn)則多用于運(yùn)動(dòng)中抽油機(jī)平衡狀態(tài)的檢驗(yàn)和調(diào)整。由于電動(dòng)機(jī)的輸入電流和功率與減速箱曲柄扭矩成正比，其變化規(guī)律也相同，又因?yàn)闇p速箱輸出軸扭矩難以測(cè)量，所以常用電流法和功率法來(lái)代替準(zhǔn)則二。電流法在抽油機(jī)懸點(diǎn)上、下沖程中，電動(dòng)機(jī)的最大工作電流相等。若上沖程最大工作電流大于下沖程最大工作電流，表示抽油機(jī)平衡不夠，需加大平衡重的數(shù)量或加大曲柄平衡重的平衡半徑；若上沖程最大電流小于下沖程最大電流，表示平衡重過(guò)大，即屬于過(guò)平衡。在油田實(shí)際使用中，一般規(guī)定電流平衡度在85以上。功率法功率法與電流法的原理相同。值得說(shuō)明的是在用電流法檢測(cè)抽油機(jī)的平衡時(shí)應(yīng)注意假像平衡。因?yàn)樗鶞y(cè)的是電流值沒(méi)有正負(fù)，可能是電動(dòng)機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的電流，而功率法檢驗(yàn)則可以避免。扭矩法在懸點(diǎn)上、下沖程中，曲柄軸扭矩峰值相等。雖然直接測(cè)量減速箱曲柄扭矩比較困難，但根據(jù)實(shí)測(cè)的光桿示功圖及扭矩因數(shù)便可較方便的繪出扭矩曲線。在抽油機(jī)出廠時(shí)，制造廠家已經(jīng)給出了曲柄每轉(zhuǎn)時(shí)的扭矩因數(shù)和相應(yīng)的光桿位置15TF從下死點(diǎn)算是，以懸點(diǎn)位移占沖程的比例表示即，那么根據(jù)實(shí)測(cè)示功PRCSCSPR圖就能繪出曲柄扭矩曲線。32抽油機(jī)靜態(tài)平衡分析計(jì)算應(yīng)用準(zhǔn)則一進(jìn)行抽油機(jī)平衡的計(jì)算，如下圖32所示，計(jì)算如下OL游WAQ游R曲R曲Q曲OCRL圖32抽油機(jī)簡(jiǎn)化分析在下沖程時(shí)，驢頭懸點(diǎn)向下走完沖程長(zhǎng)度S，游梁支點(diǎn)O左邊的游梁后臂及游梁平衡重都提高，把能量?jī)?chǔ)存起來(lái)。游梁平衡重提高的距離為儲(chǔ)存的能量為，游梁部件自2LALSRC2LRQC游重抬高的距離為,儲(chǔ)存的能量為。曲柄平衡重抬高的距離為，儲(chǔ)存的2LRC游LQ游游R曲能量為，曲柄自重抬高的距離為，儲(chǔ)存的能量為。所以平衡裝置儲(chǔ)存RQ曲曲2R曲2RQ曲曲的能量為0A31102LLARQRRQRC游曲曲游游曲曲上式中實(shí)際上是抽油機(jī)結(jié)構(gòu)不平衡重的重量，若將其轉(zhuǎn)化到懸點(diǎn)，就是抽油機(jī)Q游結(jié)構(gòu)不平衡重B，其值等于連桿與曲柄銷脫開時(shí)，為了保持游梁處于水平位置而需要加在光桿上的力。此力向下時(shí)B取正值；向上時(shí)取負(fù)值，即。LBQA游游則上式簡(jiǎn)化為312022LAARQRRC曲曲游曲曲如果利用靜力示功圖進(jìn)行計(jì)算，即將帶入上式02LLRRWASC中，則可得到不同機(jī)械平衡方式時(shí)的平衡重計(jì)算公式。1、對(duì)于復(fù)合平衡方式31312LRCQWBAQRQRLR游曲曲曲曲或314LRLR曲游曲曲曲31512LRALBRQQRQC曲游曲曲曲對(duì)于單獨(dú)曲柄平衡31612LRWRQR曲曲曲曲或31712LRWARBRQQC曲曲曲曲對(duì)于單獨(dú)游梁平衡31812LRAQRL游曲曲33游梁式抽油機(jī)扭矩平衡分析計(jì)算抽油機(jī)工作時(shí)，由懸點(diǎn)載荷及平衡重在曲柄軸減速箱輸出鈾上造成的扭矩與電動(dòng)機(jī)輸給曲柄的扭矩相平衡。因此通過(guò)懸點(diǎn)載荷及平衡來(lái)計(jì)算曲柄軸扭矩，不僅可以檢查減速箱是否在超扭矩條件下工作，而且可以用來(lái)檢查和計(jì)算電動(dòng)機(jī)功率及功率利用情況19。一定型號(hào)的抽油機(jī)所配減速箱都有允許的最大扭矩。在一定條件下，它即限制著油井生產(chǎn)時(shí)所采用的最大抽汲參數(shù)，同時(shí)又限制這為了保證大參數(shù)生產(chǎn)所需要的電動(dòng)機(jī)功率。下面以復(fù)復(fù)合式抽油機(jī)為研究對(duì)象，分析其受力情況。圖33圖33復(fù)合平衡抽油機(jī)受力分析為其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。圖中各量如下W懸點(diǎn)載荷，N；曲柄平衡塊重量，N；Q曲曲柄平衡塊重心到曲柄旋轉(zhuǎn)中心的距離，M；R曲曲柄自重，N；Q曲曲柄重心到曲柄旋轉(zhuǎn)中心的距離，M；R曲游梁平衡重重量，N；Q游桿桿所受的拉力，N；P連T連桿力在曲柄切向上的分力，沿曲柄旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎?，N；連M減速箱曲柄功輸出扭矩，沿曲柄旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎?，NMACKJR曲P切P法RTP連PWQ曲L圖33復(fù)合平衡抽油機(jī)受力分析為了便于分析，將曲柄平衡塊重量及曲柄自重折算至曲柄銷處20，這種折Q曲Q曲算保證折算前后對(duì)曲柄旋轉(zhuǎn)中心的力矩不變，折算后的等效載荷用來(lái)表示。0Q3190SINSINSINRRR曲曲曲曲首先取游梁為研究對(duì)象，將諸力對(duì)游梁旋轉(zhuǎn)中心取力矩可得連桿力為P連32021COSSINQALLAWCGAPC游游連為游梁平衡重繞游梁支點(diǎn)所產(chǎn)生的慣性力矩為2QLAGCA游321MJ游式中，J游梁平衡質(zhì)量的慣性矩，；游梁傳動(dòng)角加速度，2QLG游。AA則連桿力在曲柄切向上的分力T為P連3222SINCOSCQKALATWCGA游游取曲柄為研究對(duì)象，為提升油井內(nèi)的抽油桿柱和油柱，減速箱曲柄軸輸出扭矩M曲柄平衡塊重量與曲柄自重的等效載荷所產(chǎn)生的扭矩共同克服切向力所產(chǎn)生的扭矩，由曲柄平衡條件3230SINMQRT32432520SINCOSSIALLAWRQRCGCA游游3260IISLLQ游上式中的第一項(xiàng)表示懸點(diǎn)載荷P在曲柄上所產(chǎn)生的扭矩，稱為油井負(fù)荷扭矩327SINAMRWC式327中的只取決于抽油機(jī)的幾何尺寸和曲柄轉(zhuǎn)角，其意義為單位懸SINARC點(diǎn)載荷在曲柄上所產(chǎn)生的扭矩，將其稱之為扭矩因數(shù)，用表示TF328SINATFRC式326中的為曲柄自重及曲柄平衡重在曲柄軸上所產(chǎn)生的扭矩稱之為曲0SINQR柄平衡扭矩，用表示，而則為游梁平衡重在曲柄上產(chǎn)生的扭CMCOSLLATAG游矩，稱為游梁平衡扭矩，用表示，則、為YYMC329C0SINQRMAXSI330YCOLLTFAG游式中為曲柄最大平衡扭矩，即曲柄處于水平位置時(shí)和時(shí)曲柄自MAXM90O27O重及曲柄平衡重對(duì)曲柄所產(chǎn)生的扭矩。由上述簡(jiǎn)化后，326式可以寫成331MAXCOSSINLLAWQTFMAG游在上式中未考慮抽油機(jī)游梁、驢頭、連桿和橫梁等結(jié)構(gòu)部件的自重。當(dāng)考慮抽油機(jī)本身的結(jié)構(gòu)不平衡性時(shí)，式331可以寫成3322MAXCOSSINLLAMQBQTFAG游游式中B抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)不平衡重，B值可以實(shí)測(cè)也可以根據(jù)抽油機(jī)部件的重量計(jì)算。在式332中，由于考慮了游梁擺角的影響及游梁平衡重的慣性力矩，因而公式比較復(fù)雜。為簡(jiǎn)化計(jì)算，可忽略上述兩項(xiàng)的影響19計(jì)算誤差一般不超過(guò)10最大扭矩計(jì)算誤差小于5，則可得如下簡(jiǎn)化計(jì)算公式對(duì)復(fù)合平衡抽油機(jī)333MAXSINLMTFWBQMA游對(duì)曲柄平衡抽油機(jī)MAXSI334對(duì)游梁平衡抽油機(jī)335LMTFWBQA游34抽油機(jī)曲柄平衡的調(diào)節(jié)在大多數(shù)油田中使用的平衡大多數(shù)為曲柄平衡，因此研究曲柄平衡有重大意義。根據(jù)得到的扭矩曲線可以計(jì)算抽油機(jī)的平衡率，上沖程和下沖程最大功率的百分比大于85，則認(rèn)為是平衡的；反之，認(rèn)為不平衡。當(dāng)不平衡時(shí)可用扭矩峰值調(diào)整曲柄塊平衡半徑為336SINIUDBTRW式中,平衡塊的位移量，M；R上沖程的峰值扭矩，；UTNM下沖程的峰值扭矩，；D平衡塊重，N；BW對(duì)應(yīng)于上沖程中峰值扭矩的曲柄轉(zhuǎn)角，；U對(duì)應(yīng)于下沖程中峰值扭矩的曲柄轉(zhuǎn)角，。D由電機(jī)功率與扭矩的關(guān)系式為3379740TNP式中，電機(jī)功率，；PKWN抽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中的光桿沖數(shù)，；/MIN皮帶減速箱的傳動(dòng)效率，由實(shí)際測(cè)定。在上沖程中的峰值功率和峰值扭矩分別帶入337中，有3389740UTNP在下沖程中的峰值功率和峰值扭矩分別帶入337中，有3399740D338339得3409740UDUDTNP由340中解出，并帶入336，得UDT341SINIUDBRWN4抽油機(jī)功率平衡的調(diào)節(jié)系統(tǒng)現(xiàn)以大慶油田中井為例。該井抽油機(jī)型號(hào)為11348HB。抽油參數(shù)為泵3109J徑95MM，沖程3米，沖次12次/MIN，泵深11855M，平衡塊重，平衡半徑21730N為15M為了測(cè)量抽油機(jī)的參數(shù)包括電壓、電流、功率等，我們組建了一套實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)抽油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)以捷尼特UMG103為核心，對(duì)抽油機(jī)的電流、電壓和功率因數(shù)等參數(shù)，進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)MODBUS通信協(xié)議與AB公司的MICROLOGIX1100進(jìn)行通信，對(duì)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析，來(lái)確定抽油機(jī)的工作狀態(tài)。41數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件簡(jiǎn)介系統(tǒng)組成如下圖41，其接線圖見(jiàn)附錄B。圖41監(jiān)測(cè)系統(tǒng)411MICROLOGIX1100簡(jiǎn)介在本次實(shí)驗(yàn)中，MICROLOGIX1100的主要作用是與捷尼特進(jìn)行通訊同時(shí)收集捷尼特采集上來(lái)的抽油機(jī)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲(chǔ)。首先介紹一下MICROLOGIX1100的通訊方式23。MICROLOGIX1100控制器有兩個(gè)通訊口，通道0為RS232/485通訊端口，通道1為以太網(wǎng)端口。通道0支持以下通訊協(xié)議DH485DF485通訊協(xié)議DF1FULLDUPLEXDF1全雙工協(xié)議DF1HALFDUPLEXMASTERANDSLAVEDF1半雙工主從協(xié)議DF1RADIOMODEMDF1無(wú)線調(diào)制解調(diào)器MODUSMASTERANDSLAVEMODUS主從協(xié)議ASCIIASCII通訊協(xié)議以太網(wǎng)通訊通道通道1使控制器可以連接到本地網(wǎng)絡(luò)傳輸率為10MBPS/100MBPS的各種設(shè)備上。由于捷尼特只有MODBUS從通訊方式，需把MICROLOGIX1100組態(tài)成MODBUS主通訊方式。故使用通道0，并組態(tài)成MODBUS通信協(xié)議，用以與捷尼特進(jìn)行通訊。用通訊口1完成程序的上載和下載。MODBUS是一種半雙工、主從通訊協(xié)議。MODBUS網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點(diǎn)讀寫線圈和寄存器。MODBUS協(xié)議允許一個(gè)主節(jié)點(diǎn)與最多247個(gè)從節(jié)點(diǎn)通訊24。下面對(duì)MICROLOGIX1100的通訊組態(tài)進(jìn)行介紹。在RSLOGIX500編程軟件中，選擇CHANNELCONFIGURATION，出現(xiàn)CHANNELCONFIGURATION對(duì)話框，如下圖42所示圖42通道組態(tài)由于捷尼特只能做從機(jī)，于是把CHANNEL0組態(tài)成MODBUSRTU主協(xié)議，設(shè)置通訊速率與奇偶校驗(yàn)方式。412捷尼特簡(jiǎn)介它主要用于測(cè)量和計(jì)算電氣參量，例如電壓、電流、功率、電功、諧波組成等等，應(yīng)用于建筑設(shè)施、配電屏、開關(guān)和總線線槽系統(tǒng)。UMG103可以永久地安裝在控制柜內(nèi)或小配電箱內(nèi)，并且可以安裝在任何位置。測(cè)量得出的結(jié)果將通過(guò)RS485接口被讀出。在本設(shè)計(jì)中它主要用于接收來(lái)自電流互感器的電流，及通過(guò)電機(jī)的三相電壓，用UMG103把進(jìn)入電機(jī)的電流電壓采集上來(lái)，同時(shí)還可以得到有效功率，無(wú)功功率，電壓和，電流和，功率因數(shù)等參數(shù)。捷尼特UMG103的外觀如下圖43所示圖43捷尼特外觀圖中的RS485接口用來(lái)傳送捷尼特采集上來(lái)的數(shù)據(jù)，編碼開關(guān)可以設(shè)置捷尼特的設(shè)備地址，我們選擇了默認(rèn)地址為1，上面還有兩個(gè)LED燈，這兩個(gè)指示燈用來(lái)反映UMG103的工作狀態(tài)，其含義如下表41表41指示燈說(shuō)明綠燈亮所有的測(cè)量電路和電源電壓都位于運(yùn)行電壓的范圍內(nèi)之內(nèi)設(shè)備正處于運(yùn)行之中LED每5分鐘熄滅05秒紅燈綠燈同時(shí)亮設(shè)備已經(jīng)準(zhǔn)備好但是至少有一個(gè)測(cè)量電路和電源電壓小于運(yùn)行電壓范圍綠燈閃亮正在使用RS485接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送紅燈綠燈同時(shí)閃亮正在使用RS485接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，但是傳送存在錯(cuò)誤紅燈亮設(shè)備存在致命性錯(cuò)誤，設(shè)備必須送回生產(chǎn)廠進(jìn)行查看紅燈閃亮至少一個(gè)電流或電壓測(cè)量輸入存在過(guò)載例如，測(cè)量范圍超標(biāo)紅燈綠燈交替閃亮存在一個(gè)固件檢錯(cuò)驗(yàn)和錯(cuò)誤，設(shè)備為準(zhǔn)備好投入使用，執(zhí)行一個(gè)固件升級(jí)另外，GRIDVIS編程軟件可以對(duì)UMG103進(jìn)行設(shè)置以及數(shù)據(jù)的讀取等操作。為了讓UMG103可以和MICRO1100進(jìn)行通訊，我們首先要用GRIDVIS軟件對(duì)UMG103進(jìn)行設(shè)置，具體的操作參見(jiàn)軟件部分。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如下圖44所示斷路器電流互感器MMICRO10RS23/RS485UMG103MODBUS協(xié)議交流380V圖44系統(tǒng)組成框圖42系統(tǒng)軟件簡(jiǎn)介421RSLOGIX500編程軟件RSLOGIX500軟件是針對(duì)SLC500和MICROLOGIX處理器，以32位WINDOWS操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)的梯形圖編程軟件。RSLOGIX500軟件包括1方便靈活的梯形圖編輯器2功能強(qiáng)大的工程校驗(yàn)器3拖放式編輯功能，用戶能夠在數(shù)據(jù)文件直接快速移動(dòng)數(shù)據(jù)元素4尋址向?qū)Э梢苑奖愕妮斎氲刂?查詢和替換功能，能夠快速改變特定地址或符號(hào)的值6樹形結(jié)構(gòu)工程目錄為點(diǎn)擊式界面，可方便訪問(wèn)工程目錄內(nèi)所有文件夾和文件7用戶數(shù)據(jù)監(jiān)視功能，能夠獨(dú)立顯示數(shù)據(jù)元素8為監(jiān)視和顯示過(guò)程數(shù)據(jù)提供趨勢(shì)圖和柱狀圖功能應(yīng)用該軟件對(duì)MICROLOGIX1100進(jìn)行配置和編程，控制數(shù)據(jù)的采集和保存。422RSLINXCLASSIC用戶程序在SLC500或者M(jìn)ICROLOGIX控制器中運(yùn)行，就需要采用一些方式建立計(jì)算機(jī)與控制器的連接，RSLOGIX500的通訊是通過(guò)RSLINXCLASSIC這一軟件實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)不同的需要選擇不同的驅(qū)動(dòng)，可選的驅(qū)動(dòng)如圖45所示圖45驅(qū)動(dòng)選擇在本實(shí)驗(yàn)中我們使用通道1進(jìn)行程序下載程序，故選擇的驅(qū)動(dòng)設(shè)備為ETHERNETDEVICES。在設(shè)置中輸入MICROLOGIX1100的IP地址，可在組態(tài)中可以進(jìn)行查看，為1921681106。423GRIDVIS軟件簡(jiǎn)介使用該軟件，通過(guò)捷尼特本身的RS485通訊口對(duì)其進(jìn)行配置，配置完成后，在進(jìn)行下載時(shí)需要注意通訊口的轉(zhuǎn)換。打開該軟件之后，出現(xiàn)圖46所示對(duì)話框。圖46捷尼特配置點(diǎn)擊添加設(shè)備，彈出如下圖47對(duì)話框圖47設(shè)置新增設(shè)備設(shè)備類型選擇UMG103，連接類型選擇MODBUSRTURS485,通訊端口選擇COM1，波特率設(shè)為38400，設(shè)備地址選擇1。這些參數(shù)的設(shè)置一定要和MICRO1100中設(shè)置的一致，否則通訊將不成功。進(jìn)行好配置后，連接測(cè)試，如果連接正常，在設(shè)備列表中會(huì)出現(xiàn)UMG103點(diǎn)擊配置設(shè)備，彈出如下圖48對(duì)話框圖48完成配置在這里可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行各種設(shè)置。配置完成后，點(diǎn)擊傳送，就會(huì)把設(shè)置的信息傳送到UMG103中。424MSG指令簡(jiǎn)介該指令為輸出指令，用于控制器間的通訊，當(dāng)梯級(jí)條件由假變真時(shí)，指令執(zhí)行一次。該指令用MG文件來(lái)記錄指令的執(zhí)行情況。該文件包含24個(gè)子元素，根據(jù)所選擇的消息傳遞方式不同，會(huì)包含不同的子元素。雙擊SETUPSCREEN，出現(xiàn)如下圖49設(shè)置對(duì)話框。圖49MSG指令配置THISCONTROLLER在通道組態(tài)時(shí)把通道0組態(tài)成MODBUS通信方式時(shí)，MODBUSCOMMAND選項(xiàng)卡就可以進(jìn)行操作，并出現(xiàn)可以進(jìn)行的相關(guān)的操作。01READCOILSTATUS0XXXX02READINPUTSTATUS1XXXX03READHOLDINGREGISTERS4XXXX04READINPUTREGISTERS3XXXX05WRITESINGLECOIL0XXXX06WRITESINGLEREGISTE