抽油機平衡計算本講稿

1、四、抽油機平衡計算問題提出： (1)為什么要研究抽油機平衡問題（或不平衡所帶來的后果）。（2）如何計算或檢查抽油機的平衡。1 從前面的懸點載荷計算，可知：當抽油機不加平衡裝置時， 上沖程：懸點承受最大載荷，電動機做功（正功）提升負荷。 下沖程：懸點在抽油桿的自重作用下克服浮力下行，即電動機不僅不需要對外做功，反而是抽油桿帶動電動機轉(zhuǎn)動，電動機做負功。 這就造成了抽油機在上下沖程中的不平衡。2 抽油機運動不平衡的后果： （1）電動機的負荷不均勻，造成功率的浪費和效率降低。 （2）由于由于這種不平衡使抽油機發(fā)生振動，容易引起事故，影響抽油機裝置的壽命。 （3）破壞曲柄旋轉(zhuǎn)適度的均勻性，影響抽油桿和

2、泵的正常工作。 所以抽油機必須安裝平衡裝置。3 （一）平衡原理 敘：解決問題的思路： 1）假定安裝了一平衡裝置后，使得電機上、下沖程中都做正功，并且相等。即安裝的平衡裝置在下沖程中能夠把能量儲存起來，而在上沖程中利用儲有能量幫助電動機一起做功提升負荷。 2）研究各種平衡方式實質(zhì)上就是如何計算所加的平衡重，假設(shè)在抽油機后梁上加一重物，在下沖程中讓抽油桿自重和電動機一起對重物做功，則：43）平衡原理 在下沖程中能夠把能量儲存起來，而在上沖程中利用儲有能量幫助電動機一起做功提升負荷，使得電機上、下沖程中都做相等的正功。 下沖程：Amd Aw Ad (AW=Ad+Amd)上沖程： AmuAuAW (A

3、uAWAm) 平衡條件 AmuAmd 即 AwAdAuAw2duwAAA3-595 Ad-抽油桿柱對重物所做的功（即懸點 在下沖程所做的功）； Amd-電動機在下沖程中對重物作的功； Aw-重物增加的位能（即重物的位能升 高了） Au-重物和電動機對懸點所作的 總功； Amu-上沖程電動機作的功； 6 理解：上式說明要抽油機運轉(zhuǎn)平衡，在下沖程中需要儲存的能量為上沖程中懸點所作功之和的一半，這是平衡計算的依據(jù)。 （二）平衡方式 敘：為了把下沖程中抽油桿自重作的功和電動機輸出的能量儲存起來，可以采用不同的形式來儲存能量，即所謂不同的平衡方式。目前采用的有氣動平衡和機械平衡。7 1、氣動平衡 如圖3

4、-50所示，下沖程中通過游梁帶動活塞壓縮氣缸中的氣體，把下沖程中作的功儲存成為氣體的壓縮能；上沖程中被壓縮的氣體膨脹，將儲存的壓縮能轉(zhuǎn)換成膨脹能幫助電動機做功。 氣動平衡多采用于大型抽油機。這種平衡方式不僅可以大量節(jié)約鋼材，而且可以改善抽油機的受力系統(tǒng)，但平衡系統(tǒng)的加工系統(tǒng)的加工制造質(zhì)量要求高。8 2、機械平衡 在上沖程中，以增加平衡重塊的位能來儲存的能量；在上沖程重平衡重降低位能來幫助電動機做功。機械平衡方式有三種： 1）游梁平衡：在游梁尾部加平衡重，適用于小型抽油機。 2）曲柄平衡（旋轉(zhuǎn)平衡）：平衡重加在曲柄上，這種平衡方式便于調(diào)節(jié)平衡，并且避免在游梁上造成過大的慣性力，適用于大型抽油機。

5、 3）復(fù)合平衡（混合平衡）：在游梁尾部和曲柄上都加有平衡重，是上述兩種方式的組合，多用于中型抽油機。9 （三）平衡計算 上沖程中懸點作的功： 下沖程中懸點作的功： （注）：由于慣性載荷，在上下沖程中，所作的功等于零，所以在Au和Ad中沒有考慮慣性力，若按四連桿機構(gòu)分析計算，作正功和作負功正好抵消，所以為零。 將Au和Ad代入（3-59）得：22rLrdwwWSWWAAASWASWWArdlru)(10 -（5-60） 分析：也可以寫成 其中： 當L、d、D改變后，Aw的值也變化了，所以需要重新調(diào)節(jié)平衡。SWWALrw2SLgfLgfALpLsrw2124dfr24Dfp11 1、游梁平衡 下沖

6、程平衡重Wb被抬高的距離為： Sc:S=C:a 平衡重塊儲存的位能（對重物所做功） aCSScbbcwWacSWSA12 在平衡條件下： 則： （3-61） 式中：wb達到平衡所需要加的平衡重量。 當考慮抽油機本身重量的不平衡時，則：SWWWScrbc2caWWWcrb)2(cLrbxcaWWW)2(13 式中： 抽油桿本身的不平衡值，是折算到游梁重心位置的附加平衡力，可查抽油機出廠說明書（具體計算見魏一書p65） 2、曲柄平衡 下沖程中儲存的位能：cxbBccbwXSRWRWA22平衡重位能曲柄重位能抽油機不平衡附加位能bcccbrXWRRW22214 式中： R曲柄平衡半徑，m； wcb曲

7、柄平衡塊重量，N; Rc曲柄本身的重心到曲柄軸心的距離，m; Wc曲柄自重，N; SBB點的最大位移，SB=2r r曲柄銷離曲柄軸心的距離稱為曲柄半徑，m（取決于采用的懸點沖程） xb抽油機本身的不平衡值，是折算到尾軸承處的附加平衡力，N。15 在平衡條件下： 將 代入上式，并進行整理可得，達到平衡所需的平衡半徑的計算公式： （3-62）bLccbLrxWRRWSWW222)2(barS2cbcccbbcbLrWWRWxrWrbaWWR)2(16 表達式說明：曲柄平衡通常是通過改變平衡半徑R來調(diào)節(jié)平衡。 注：對某一型號的抽油機a、b、Wcb、Wc、Q、xb均為已知常數(shù)，將這些數(shù)值代入式（3-6

8、2）就可得該型抽油機的計算公式。（見書P105例題） 3、復(fù)合平衡 如圖所示：復(fù)合平衡是上述兩種平衡方式的組合，也可用同樣的方法得到其計算公式：17 下沖程儲存的位能： 而： 在平衡條件下： （3-63） 式中符號同前。)(22cbcccbwxWSRWRWAbcracbaracSSc22cbcccbbuccblrWWRWrbcWXWrbaWWR)()2()(2222)2(cbcccbLrxWbcrWRRWbarWW18 提示：上面介紹的只是以上下沖程中電動機做的功相等作為平衡標準進行計算的方法。在實際工作中都不便于按此標準檢驗和調(diào)整平衡。為此，作為檢驗和調(diào)整平衡時，大多采用上下沖程的扭矩或電流

9、峰值相等作為平衡條件。 （四）抽油機平衡檢驗方法 敘：抽油機在生產(chǎn)過程中，不會一直是平衡的（平衡是指一段時間內(nèi)），因受地層情況（ps 造成 L 增加 ）油井情況（）及油井工作制度的改變（F、S、n配合）都會破壞抽油機原來的平衡，因而要定時檢查，及時調(diào)整19 1、觀察法 即用眼觀察抽油機啟動是否順利，電動機是否有“鳴”的怪叫聲，通常平衡的抽油機比較容易啟動，無怪叫聲。 2、測量驢頭上下沖程的時間： Tu=Td 平衡 T一上或下沖程所用時間 TuTd 平衡過輕 則應(yīng)增大平衡重或平衡半徑R.20 3、測量上、下沖程的電流（可用鉗形電流表來測量） 抽油機在平衡條件下工作時，上、下沖程的電流峰值應(yīng)該相等

10、。 Iu=Id 平衡 IuId 平衡過輕，則應(yīng)增大平衡重或增大平衡半徑R. IuId 平衡過重，則應(yīng)減小平衡重或減小平衡半徑R. 實際中，要使上下沖程電流強度絕對相等是困難的，一般規(guī)定最小電流與最大電流之比大于或等于70%，即認為抽油機是平衡的。21 五、曲柄軸扭矩計算 敘：抽油機工作時，由懸點負荷及平衡重在曲柄軸上造成的扭矩與電動機輸給曲柄軸的扭矩相平衡。因此，通過懸點負荷及平衡重來計算曲柄軸的扭矩，不僅可以檢查減速箱是否在超扭矩條件下工作，而且可以檢查計算電動機的功率及功率的利用情況。 抽油機所配的減速箱都允許的最大扭矩，它既限制油井生產(chǎn)時所采用的最大抽汲系數(shù)Fp 、S、n及L，同時又限制

11、著為了保證大參數(shù)生產(chǎn)所需要的電動機功率，因此了解抽油機在運轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的最大扭矩，是分析抽油機設(shè)備工作狀況的重要內(nèi)容。下面介紹在實際工作中所采用的扭矩計算法扭矩近似計算法。22 目的： 1）檢查抽油機減速機和電動機的工作狀況。 2）選擇合適的電動機。 （一）基本公式 近似計算是把抽油桿的四連桿運動簡化為簡諧運動，略去抽油機幾何特性的影響，另外還忽略了游梁平衡塊所產(chǎn)生的慣性力，此時計算曲柄軸扭矩的公式為：23 式中：M-曲柄軸扭矩，Nm S-光桿沖程，m p -懸點負荷，N -曲柄轉(zhuǎn)角。 Ce-平衡值，表示被平衡重平衡了的懸點負荷。其理論需要值Ce=Wr+WL/2 （ 即是為了保持平衡，理論上需

12、要的平衡值）sin)(2ecpsM3-6424 （二）計算最大扭矩的近似公式 敘：從式（3-64）中可看出，如果上沖程和下沖程中，懸點載荷P若為一常數(shù)（即示功圖為一長方形）時，扭矩M為隨力而邊的正弦曲線（如圖2-38所示，P105）,實際上在上沖程和下沖程中懸點載荷并不是常數(shù)，而是隨而變化。因此，實際扭矩雖然也隨而變，但不是正弦函數(shù)。對我們來說，感興趣的問題是求的扭矩的最大值。25 假定懸點最大載荷發(fā)生在=90，即p90=pmax，則由公式（3-64）可得： 考慮到動載荷的影響時上式進行修正： a、b為修正系數(shù)，可根據(jù)懸點最大負荷發(fā)生的位置（可由實測和理論計算得到），位置從下死點算起，用占沖程

13、長度的百分數(shù)來表示，及用沖程查表3-10，見P107 例題：見書P107。)(2maxmaxecPsM)(2maxmaxebcaPsM26例：某井在抽油機平衡工作條件下，Pmax為73520N，抽油桿柱重Wr為51234N，液柱重Wl為18346N，最大載荷位置為35%，s為1.8米，計算減速箱的最大扭矩。（a、b校正系數(shù)分別為1.05、0.9）解：已知Pmax=73520N， Nce604072183465123427604079 . 07352005. 128 . 1maxMMN 7 .2054628 六、電動機的選擇和功率計算 敘：抽油機的動力： 絕大多數(shù)：電動機 正在少量試用：天然氣發(fā)

14、動機 多數(shù)油田都是以抽油井為主，用于抽油的電能消耗就很大。因此抽油裝置的電動機的選擇，一方面直接關(guān)系到電能的利用效率，另外一方面將關(guān)系到能否充分發(fā)揮抽油設(shè)備和油層生產(chǎn)能力的問題。29 游梁式抽油裝置的特點： （1）負荷是脈沖的，而且變化大； （2）啟動條件困難，要求有大的啟動轉(zhuǎn)矩。 （3）所用的電動機功率不太大，一般不超過40千瓦，小的只有幾千瓦，但總的數(shù)量大。 （4）在露天工作，要求電動機維護簡單，工作可靠。30 類型不確定：為了滿足以上要求，目前抽油機所用電動機都是封閉式鼠籠型異步電動機。 該電動機特點：構(gòu)造簡單，堅固，易于修理。 電動機選擇的內(nèi)容：1）確定適合于抽油機工作特點的類型。2）

15、確定適合于各型抽油機工作能力的電動機的容量（即功率）。 （下面就著重討論2）問題。）31 1、電動機功率與傳到減速箱曲柄軸的扭矩關(guān)系式為： 式中：M電動機傳給曲柄軸上的扭矩，Nm; Nr電動機功率，KW; 傳動效率， = 1 2 1 皮帶輪傳動效率 2 減速箱傳動效率 n 曲柄轉(zhuǎn)速（沖數(shù)）（減速箱輸出軸上的轉(zhuǎn)速），轉(zhuǎn)/分。rNM95459545MnNr（3-67）（3-67）32 2、計算電動機功率 實際應(yīng)用時，一般是利用抽油機等值扭矩來計算功率。 原因：在交變載荷作用下曲柄扭矩在整個工作過程中是變化的，而只是在上下沖程的某一瞬時達到最大值。因此，電動機選擇不能根據(jù)瞬時最大扭矩來計算，否則電動

16、機在大部分時間不能滿載工作，其效率和功率因素都不高，電能的利用就不充分，而應(yīng)該用等值扭矩來計算功率。33 等值扭矩：以一個不變化的固定扭矩，代替變化的實際扭矩，使其電動機的發(fā)熱條件相同（消耗的電量相同），則此固定扭矩，即為實際變化的扭矩的等值扭矩。 式中： Nr 需要的電動機功率（即需要選用的電動機額定功率），千瓦（KW） Me曲柄軸上的等值扭矩。 其余符號同前。9545nMNer（3-68）34 計算抽油機等值扭矩 等值扭矩與最大扭矩之間有一定關(guān)系，設(shè)抽油機運動為簡諧運動，而使扭矩呈正弦規(guī)律變化時， 但實際扭矩不是呈正弦規(guī)律變化的，考慮到抽油機運轉(zhuǎn)不平衡性，參考一些實際扭矩分析資料，一般采用

17、：max707.0MMe max6 .0MMe 35 從而得： 如果取=0.9，則： 上式就是利用曲柄扭矩確定電動機功率的簡化公式，公式中的Mmax用前面的修正公式計算。95456 .0maxnMNr14318maxnMNr（3-69）36 分析上式可知：Nr與抽油機的沖數(shù)成正比，而出廠時所配電動機功率是根據(jù)減速箱的允許扭矩和抽油機的最低沖數(shù)時配備的電動機。雖然，在高沖數(shù)下生產(chǎn)時，出廠所選擇的電動機限制了抽油機的最大生產(chǎn)能力，因此出廠后在油田上實際使用過程中，當抽油機在高載荷下用大沖程、大沖數(shù)生產(chǎn)時，就需要更換大的電動機，其原則是加在抽油機驢頭負荷和曲柄扭矩不能超過抽油機的允許值。37 例題：某型號抽油