抽油機平衡的研究與分析

張 波，王小麗，張亞利，馮 輝

（中國石油長慶采油一廠測試實驗大隊，陜西 延安 716000）

本文探討一種抽油機功率曲線傅里葉分解方法，這種方法在對抽油機的電耗測試以后，只需知道平衡塊數目、重量及目前的安裝位置三個參數，就能計算出平衡塊的最佳位置，并能對調整后的電能參數、扭矩曲線及節能情況進行預測。

一、曲柄扭矩分析

減速器的扭矩有正有負，僅用平均值Tp不能反映實際的載荷大小，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FCL，它反映了載荷扭矩的波動程度，此值越接近1說明載荷扭矩越平穩，越大說明載荷扭矩波動越大。均方根扭矩Tf、平均扭矩Tp及周期載荷系數FCL均按曲柄旋轉一周(2π)計算，如公式1、2、3所示。

式中：Ti——瞬時扭矩，kN·m；

φ——曲柄轉角，rad。

從節能的角度看，對于一臺具體的抽油機而言，機械傳動損耗與電機的固定損耗是相對不變的，只有電機的變動損耗與電流的平方成正比。要使抽油機最節能，就是要使電機的變動損耗最小，即均方根電流最小。電動機電流的大小只取決于負載扭矩，只有保證電機的負載扭矩的均方根值最小，才能保證電流的均方根值最小。而電機的負載扭矩T2i與曲柄軸扭矩Ti大體成比例關系，二者關系如公式4所示。

式中：n——從電機軸到曲柄輸出軸的總減速比；

μc——從電機軸到曲柄軸的傳動效率。

從上面的分析可以看出，只要保證曲柄扭矩的均方根值最小，就能保證電機負載扭矩均方根值及電機電流的均方根值最小。平衡調整對抽油機的安全運行與節能這兩個目標的作用是一致的，只要能保證抽油機最節能，就同時保證了抽油機最安全，反之亦然。

由于電機的負載扭矩不易測量，但電機的功率是易于測量的。常規電機的轉差不大，轉速變化很小，在這種情況下，可以認為電機轉速及曲柄軸角速度是一個常數，曲柄轉矩與電機輸入功率大體成正比。所以抽油機最佳平衡的標準就是使電機輸入功率的均方根值最小。

式中：Ti——瞬時曲柄扭矩，kN·m；

Pi——瞬時電機輸入功率，kW；

μd——電機效率；

μc——皮帶及減速器的傳動效率；

ω——曲柄角速度，rad/s。

二、最佳平衡位置的計算

抽油機的功率曲線是一個以沖程周期為周期的連續函數。從數學分析知道，每一個周期性的非正弦量，只要滿足狄利赫里（Dirichlet）條件，就可以分解成一系列的三角級數。抽油機的功率曲線函數能滿足狄利赫里條件，所以可以展開成傅里葉級數。

公式6所示的級數稱為傅里葉級數，其中的ω稱為非正弦周期信號基波的角頻率，在這里就是曲柄軸的角速度，單位是rad/s，它與沖程周期T(單位是s)及沖次N(單位1/min)的關系如公式7所示。

在公式(6)中的待定常數有

公式8表示的是功率函數的恒定分量或直流分量，是一個周期的平均值，也就是平均功率；公式9表示的是功率曲線各次諧波的正弦部分幅度；公式10表示的是功率曲線各次諧波的余弦部分幅度。在公式8、9和10中T是沖程周期(單位是s)；a0anbn的單位均為kW。

按均方根功率的定義，再考慮到三角函數的正交特性，均方根功率Pf可以按公式11計算。

抽油機曲柄平衡塊是靠重力起作用的，如果從平衡塊重心位于曲柄軸的最上方開始(12點鐘位置)，平衡塊的平衡功率Pp可表示成公式(12)。

式中：ω——曲柄角速度，rad/s；

G——平衡塊的總重量，kN；

L——平衡塊重心半徑，m；

Pp——平衡功率，kW。

對照公式11和式12可知，Pp只對應于功率曲線的一階正弦分量b1，調整抽油機平衡塊的位置，只能改變公式11中一階正弦分量b1的大小。要使均方根功率最小，就只能使式11的一階正弦分量b1為零。調整平衡塊的重心位置，使PP增加或減小，如果PP增加或減少的量△PP與當前的b1大小相等符號相反，就可以消除公式11中的一階正弦分量b1。由此可以得到公式13，進而推出平衡塊調整量的計算公式14。

式中：△L——平衡塊的移動量，m。符號為正時表示向外移，符號為負時表示向內移。

三、抽油機平衡調整效果的評價

電動機如果不過載，在供電電壓U(V)穩定的情況下，其無功功率變化很小，可以認為平衡調整前后無功功率Q(t)不變。

有功功率P(t)按公式15或公式16預測，公式16P(t)源中是平衡調整前的功率曲線值：

視在功率S (t) 按公式17預測：

電機電流I(t)按公式(18)預測：

電機功率均方根值Pf可按式19預測，式中Pf源是平衡調整之前的電機功率均方根值：

節能效果的評價如下。對于負功率明顯的抽油井，由于電動機將電能轉換成平衡塊位能（機械能）的效率一般為70%～80%，平衡塊的位能（機械能）再帶動電機發出電能，效率一般也在70%～80%。這樣電能轉換成機械能再轉換成電能的總效率約為50%～65%。在抽油機光桿功率不變的情況下，通過調整平衡塊位置，減小了電機功率的均方根值，也就是減少了電能與機械能之間的來回轉換，減少了由于能量轉換而產生的能耗，從而節約了電能。在這種情況下調整平衡的節能潛力可按電機功率均方根值減少量的35%～50%估計，可按40%估算。對于沒有明顯負功率的井，節能潛力約為均方根功率減少量的15%～35%，可按25%計算，調平衡節能的精確值需通過實際測試決定。

四、結論

1.在抽油機光桿功率不變的情況下，通過合理調整平均塊位置，減小了電機功率的均方根值，也就是減少了電能與機械能之間的來回轉換，減少了由于能量轉換而產生的能耗，從而節約了電能。但均方根功率的減少量并不是節約能量。

2.平衡調整并不能消除所有的負功現象。平衡調整只對功率曲線的一階(基波)正弦分量起作用，對一階余弦分量不起作用。對于負功出現在光桿行程上下死點附近的井，只能采用更換新型的抽油機或對該抽油機進行改造，采用異相曲柄才能解決。

[1]鄔亦炯，劉卓均.有桿抽油設備與技術叢書之《抽油機》分冊[M]，石油工業出版社.

[2]張曉玲，于海迎.抽油機節能技術概述[J].機械工程師，2006（8）.

[3]李金華，華偉棠，李鐵.游梁式抽油機節能新技術探討[J].石油機械.2001（12）.