功率平衡技術(shù)在游梁式抽油機(jī)中的應(yīng)用分析

鮑純豪

目前油田游梁抽油機(jī)井管理中普遍采用平衡標(biāo)準(zhǔn)是“電流平衡”，平衡合格指標(biāo)為80%~120%。抽油機(jī)不平衡可能導(dǎo)致部分抽油機(jī)減速箱受力不均勻、電機(jī)效率降低、抽油機(jī)耗電量增多等問題，經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)證明，應(yīng)用游梁抽油機(jī)的“功率平衡”，即抽油機(jī)運(yùn)行過程中，下沖程內(nèi)電機(jī)功率與上沖程內(nèi)電機(jī)功率相等，可以更好的解決上述問題。相比而言，游梁式抽油機(jī)“功率平衡”既能實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的，又能保證抽油機(jī)安全運(yùn)行。

抽油機(jī)；電流平衡；功率平衡

游梁式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，但驢頭懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)加速度較大、平衡效果較差，抽油機(jī)平衡狀態(tài)好壞直接影響抽油機(jī)四連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)性能、減速箱和電機(jī)的系統(tǒng)效率和使用壽命，對抽油桿的工作狀況影響也很大，因此抽油機(jī)使用中調(diào)平衡十分必要。目前油田在游梁抽油機(jī)管理中采用平衡標(biāo)準(zhǔn)是“電流平衡”，即抽油機(jī)下沖程最大電流與上沖程最大電流之比，平衡合格指標(biāo)為80%~ 120%。然而依靠“電流平衡”無法完全解決減速箱受力不均勻、電機(jī)效率降低、抽油機(jī)耗電量增多等問題，這些問題正逐步引起人們的重視。經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)證明，目前較為先進(jìn)的平衡標(biāo)準(zhǔn)是“功率平衡”，即抽油機(jī)運(yùn)行過程中，下沖程電機(jī)平均功率與上沖程電機(jī)平均功率相等。相比而言，抽油機(jī)“功率平衡”即能實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的，又能保證抽油機(jī)安全運(yùn)行。

1.游梁式抽油機(jī)的平衡

按照抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)組成，游梁式抽油機(jī)分成換向系統(tǒng)、平衡系統(tǒng)、支承系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)四大部分。游梁式抽油機(jī)的平衡是抽油機(jī)設(shè)計(jì)和使用中的一個(gè)極其重要的問題，平衡系統(tǒng)的性能，平衡效果的優(yōu)劣，直接影響游梁式抽油機(jī)的節(jié)能、壽命和應(yīng)用范圍。

平衡原則。電動(dòng)機(jī)在上下沖程中做功相等；上、下沖程中電機(jī)的電流峰值相等；上、下沖程中的曲柄軸峰值扭矩相等。由于目前技術(shù)條件限制，油田普遍采油第二條作為抽油機(jī)平衡標(biāo)準(zhǔn)即“電流平衡”。

游梁抽油機(jī)的三種平衡方式。游梁平衡：是將平衡重裝在游梁后端的平衡方式，適用于小型抽油機(jī)。曲柄平衡：是指平衡重裝在曲柄上的平衡方式，適用于大型抽油機(jī)。復(fù)合平衡：是以上兩種平衡方式的組合，即在曲柄上和游梁后臂上都有平衡重，使游梁平衡與曲柄平功率損耗，減小電機(jī)的壽命；抽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不平衡會(huì)使抽油機(jī)發(fā)生振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成衡形成特殊的復(fù)合平衡，翻抽油機(jī)的惡性事故，影響抽油機(jī)的壽命。適用于中型抽油機(jī)。

抽油機(jī)不平衡的危害。抽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不平衡，影響電機(jī)的工作效率，使電機(jī)的功率因數(shù)降低，加大電機(jī)的功率損耗，減小電機(jī)的壽命；抽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不平衡會(huì)使抽油機(jī)發(fā)生振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成翻抽油機(jī)的惡性事故，影響抽油機(jī)的壽命。

2.功率平衡實(shí)現(xiàn)的概念和原理

抽油機(jī)功率平衡概念：功率平衡技術(shù)是在目前平衡方式的基礎(chǔ)上，改變以往的平衡標(biāo)準(zhǔn)，以抽油機(jī)最節(jié)能和最安全為標(biāo)準(zhǔn)，確保電機(jī)在上下沖程中功率相等，使電機(jī)輸入功率的均方根值最小，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。

技術(shù)原理：“功率平衡”技術(shù)以抽油機(jī)最節(jié)能和最安全為標(biāo)準(zhǔn)，對抽油機(jī)功率曲線進(jìn)行付立葉分解，求出不平衡功率——“功率平衡”技術(shù)以抽油機(jī)最節(jié)能和最安全為標(biāo)準(zhǔn)，對抽油機(jī)功率曲線進(jìn)行付立功率曲線中的一階正弦分量。計(jì)算出最佳平衡調(diào)整量，使之正好抵消不平衡功率，使均方根功率最小，也就是均方根扭矩最小，抽油機(jī)最安全，電機(jī)發(fā)熱量最少。

葉分解，求出不平衡功率——功率曲線中的一階正弦分量。計(jì)算出最佳平衡調(diào)整量，實(shí)際上，抽油機(jī)平衡調(diào)整的終極目的有兩個(gè)，一是保證抽油機(jī)安全運(yùn)行，二是節(jié)能。保證抽油機(jī)安全運(yùn)行的角度看，調(diào)平衡就是要使減速器的輸出扭矩最小。由于減速器的扭矩有正有負(fù)，僅用平均值TP不能反映實(shí)際的載荷大小，所以一般用均方根扭矩Tf來反映減速器的載荷情況。均方根扭矩TF與平均扭矩TP之比稱為周期載荷系數(shù)FCL，它反映了載荷扭矩的波動(dòng)程度，此值越接：近1說明載荷扭。節(jié)矩越平穩(wěn)，越大說明載荷扭矩波動(dòng)得越厲害。

從保證抽油機(jī)安全運(yùn)行的角度看，調(diào)平衡就是要使減速器的輸出扭矩最小。由于瞬時(shí)扭矩，單位為kN.m；為曲柄轉(zhuǎn)角，單位為弧度(rad)。

減速器的扭矩有正有負(fù)，僅用平均值TP不能反映實(shí)際的載荷大小，所以一般用均方根，從節(jié)能的角度看，對于一臺具體的抽油機(jī)而言，機(jī)械傳動(dòng)損耗與電機(jī)的固定損耗是相對不變的，只有電機(jī)扭矩Tf來反映減速器的載荷情況。均方根扭矩TF與平均扭矩TP之比稱為周期載荷系數(shù)FCL，它反映了載荷扭矩的波動(dòng)程度，此值越接：近1說明載荷扭矩越平穩(wěn)，越大。扭矩Tf來反映減速器的載荷情況。均方根扭矩TF與平均扭矩TP之比稱為周期載荷系數(shù)FCL，它反映了載荷扭矩的波動(dòng)程度，此值越接：近1說明載荷扭矩越平穩(wěn)，越大。從節(jié)能的角度看，對于一臺具體的抽油機(jī)而言，機(jī)械傳動(dòng)損耗與電機(jī)的固定損耗。說明載荷扭矩波動(dòng)得越厲害。均方根扭矩、平均扭矩TP及周期載荷系數(shù)FCL是相對不變的，只有電機(jī)的變動(dòng)損耗與電流的平方成正比。要使抽油機(jī)最節(jié)能，就是要使電機(jī)的變動(dòng)損耗最小，也就是均方根電流最小。對于一臺具體的電動(dòng)機(jī)，電流的大小只取決于其負(fù)載扭矩，只有保證電機(jī)的負(fù)載扭矩的均方根值最小，才能保證電流的均方根值最小。而電機(jī)的負(fù)載扭矩T2i與曲柄軸扭矩Ti大體成比例關(guān)系，二者關(guān)系從節(jié)能的角度看，對于一臺具體的抽油機(jī)而言，機(jī)械傳動(dòng)損耗與電機(jī)的固定損耗是相對不變的，只有電機(jī)的變動(dòng)損耗與電流的平方成正比。

功率平衡與電流平衡的區(qū)別：曲柄轉(zhuǎn)矩與電機(jī)輸入功率大體成正比。所以本文提出抽油機(jī)最佳平衡的標(biāo)準(zhǔn)就是“使功率平衡能夠保證電機(jī)輸入功率的均方根值最小，使電機(jī)的損耗達(dá)到最低，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)電效果。

3.應(yīng)用效果和結(jié)論

實(shí)踐應(yīng)用效果：經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，功率調(diào)平衡試驗(yàn)取得了良好效果。功率調(diào)平衡后最高節(jié)電率可達(dá)25.9%左右，平均節(jié)電率約為9.68%左右。功率調(diào)平衡后電機(jī)及減速箱振動(dòng)及噪音也有了明顯下降，減少了電機(jī)及減速箱的磨損，延長了其使用壽命，減少了抽油機(jī)的維護(hù)費(fèi)用。抽油機(jī)“功率平衡”管理方法技術(shù)先進(jìn)，科學(xué)合理，節(jié)電效果良好，平均節(jié)電率約為10%左右。調(diào)整功率平衡后，改善了減速箱及曲柄銷的受力狀況，延長了減速箱及電機(jī)的使用壽命，可節(jié)約油井維護(hù)材料費(fèi)用。功率調(diào)平衡后電機(jī)及減速箱振動(dòng)及噪音也有了明顯下降，減少了電機(jī)及減速箱的磨損，延長了電機(jī)及減速箱使用壽命，減少了抽油機(jī)的維護(hù)費(fèi)用。從抽油機(jī)功率平衡調(diào)整效果分析，抽油機(jī)功率平衡度以70~140%為最佳。功率調(diào)平衡投入少，易操作，節(jié)能效果好。

制定“功率平衡節(jié)能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)”。目前在我國還沒有制定抽油機(jī)“功率平衡”標(biāo)準(zhǔn)，為了鞏固加強(qiáng)抽油機(jī)的管理工作，實(shí)現(xiàn)長久節(jié)能降耗的目的，確保功率平衡采用統(tǒng)一測試評價(jià)規(guī)范，有必要制定“功率平衡節(jié)能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)”。

應(yīng)用前景。游梁式抽油機(jī)“功率平衡”技術(shù)合理可行，對抽油機(jī)管理水平的提高有重要的作用。按照采油廠應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，該技術(shù)若在油田進(jìn)行大范圍推廣應(yīng)用，應(yīng)該具有良好節(jié)能潛力。