抽油機傳動效率試驗分析與應用

張德實，馮子明，邵守軍，王新民

抽油機傳動效率試驗分析與應用

張德實1，馮子明2，邵守軍3，王新民1

（1．大慶油田有限責任公司采油工程研究院，黑龍江大慶163453；2．東北石油大學機械科學與工程學院，黑龍江大慶163318；3．大慶油田有限責任公司第一采油廠，黑龍江大慶163111）

為獲得抽油機各傳動部件的精確傳動效率模型，分別在室內電動機工作性能試驗臺和模擬試驗井上模擬實際工況，進行試驗測試與研究。通過對測試的電參數、轉矩和轉速的擬合處理，獲得了電動機、皮帶、減速箱和四連桿等部件的傳動效率函數，并使用本函數計算了各部件在特定工況下的瞬態傳動效率曲線，為抽油機優化設計與綜合評價提供技術支持。

抽油機；傳動效率；試驗分析；擬合模型

常規游梁式抽油機井進行抽汲設計、優化運行、節能評價時，在滿足工程應用要求的前提下，可以將抽油機的各傳動部件效率按固定值處理，這樣可以簡化設計時的計算難度，提高工作效率［1-2］。隨著對機械采油方式的要求更加精細化、高效化，有必要獲得抽油機各傳動部件的效率-功率曲線的精確表達式。現有抽油機傳動效率的文獻沒有給出精確的傳動效率函數［3-6］，本文通過電動機工作特性試驗臺進行抽油機用電動機的特性測試，利用試驗模擬井進行游梁式抽油機各傳動部件的效率特性測試，并擬合成效率公式。

1　抽油機傳動效率試驗方法

本試驗在大慶油田采油工程研究院的試驗模擬井上進行，以C YJ10-3-37 H B型常規抽油機為試驗機型，基本工況按油田實際工作參數來確定。測試節點包括電動機輸入端、電動機輸出軸、皮帶輪輸出軸、減速箱輸出軸和光桿。抽油機地面設備測試結構簡圖如圖1所示。

圖1　抽油機地面設備測試節點分布

利用油井液面測試儀測試動液面深度；利用功圖智能測試儀測試懸點位移和載荷；利用3169型電參數多功能測試儀測試電動機輸入電參數（如圖2），包括電流、電壓、有功功率、無功功率和功率因數等；利用速度傳感器同步測試電機輸出軸、皮帶輪輸出軸、減速箱輸出軸的角速度；利用應變片測試轉矩（如圖3），可以同步測試電機軸、減速箱輸入軸和減速箱輸出軸轉矩。一般情況下，分析抽油機井傳動部件的效率時，分別測試傳動部件的輸入和輸出兩端的轉矩和速度，進而算出功率，通過對應功率做比較便可求出傳動效率。

圖2　功率測試儀

圖3　轉矩測試應變片

電動機工作特性在東北石油大學的室內電動機特性試驗臺上進行，如圖4所示。電機試驗臺主要由電源柜、測量柜、電動感應式調壓機、轉矩轉速傳感器、電渦流測功機等組成。可以連續測試變負載工況下的相關參數，電動機輸入電流、電壓、有功功率、無功功率、功率因數、輸出軸轉矩和轉速。

圖4　電動機工作特性測試臺

2　數據處理及分析

表1為22kW三相異步電動機在2．5～46．4kW輸入功率工況下，連續測得的相關電參數數據和轉矩、轉速數據。通過數據分析處理軟件Origin對數據進行函數擬合，獲得如圖5所示的5條電機特性曲線和如表2所示的5個擬合函數。表3為皮帶、減速箱和四連桿傳動效率公式，其效率曲線如圖6～8所示。

表1　電動機工作特性測試數據

圖5　電動機工作特性曲線

表2　Y225 M-8電機工作特性函數

表2中：Sw為電動機滑差率；η′2為22 k W三相異步電動機效率；P1為電機輸入功率，k W；P2為電機輸出功率，k W；cosφ為功率因數；I1為電機輸入電流，A。

圖6　抽油機用皮帶傳動效率

圖7　減速箱傳動效率

圖8　四連桿傳動效率

表3　抽油機部件傳動效率公式

3　應用分析

以表4內的抽油機型號和抽汲參數為基礎，按前文試驗數據擬合出的函數進行抽油機多節點瞬態效率曲線計算。計算結果如圖9a～9d所示，分別表示電動機、皮帶、減速箱和四連桿的傳動效率，通過這4條曲線可以深入了解抽油機周期性運動規律及能耗隨時間的變化規律，為抽油機的節能降耗和技術改造提供可靠的理論基礎。

表4　抽油機變速優化基本運行參數

圖9　抽油機各部件瞬態傳動效率曲線

4　結論

根據室內電動機工作特性試驗臺測試數據和模擬試驗井測試數據，擬合出抽油機傳動部件的傳動效率模型，包括電動機、皮帶、減速箱和四連桿部件的傳動模型，可以用來精確計算瞬態效率曲線，為抽油機設計、優化運行和綜合評價提供有力的技術支持。

［1］ 高宗海，程世英．抽油機系統效率微機綜合測試系統［J］．石油儀器，1996（3）：25-27，47．

［2］ 白連平，張順增，邵保林，等．抽油機電動機運行效率現場測試方法研究［J］．石油機械，2007（4）：64-66．

［3］ 孔政，沈曉翔．抽油機地面機械效率同步檢測技術研究與應用［J］．復雜油氣藏，2009（1）：57-60，64．

［4］ 邢明明，董世民．游梁式抽油機傳動系統的扭轉振動與傳動效率［J］．中國石油大學學報（自然科學版），2014 （1）：111-116．

［5］ 馮子明，張金東，顧慧彬，等．抽油機用電動機節電特性試驗研究［J］．石油礦場機械，2013，42（7）：55-58．

［6］ 阮晶琦，梁宏寶，鄭應偉．不同工況下抽油機能耗規律研究［J］．石油礦場機械，2014，43（7）：8-12．

Experimental Analysis and Application of Pum ping Unit Transmission Efficiency

ZHANG Deshi1，FENG Ziming2，SHAO Shoujun3，WANG Xin min1
（1.Petroleu m Engineering Research Institute，Daqing Oilfield Com pany Ltd.，Daqing163453，China；2.School of M echanical Science and Engineering，N ortheast Petroleu m Uniuersity，Daqing163318，China；3.N o.1Oil Production Com pany，Daqing Oilfield Com pany Ltd.，Daqing163111，China）

In order to obtain the precise transmission efficiency m odel of each drive disk assem bly of pu m ping unit，sim ulation measurement and study w ork were conducted in the indoor m otor test rig and sim ulation text well respectively．By means of fitting test data of electrical parameter，torque and rotate speed，the transmission efficiency m odels of m otor，belt，gearbox and four-bar were achieved．Using these mathematic m odels，the transient transmission efficiency curves could be draw n，such as m otor efficiency curve，belt efficiency curve，gearbox efficiency curve and fourbar efficiency curve．This study results can provide the basic foundation to optimization design and co m prehensive assessment for pu m ping unit．

pu m ping unit；transmission efficiency；experimental analysis；fitting m odel

T E933．107

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．01．012

1001-3482（2015）01-0048-04

2014-07-23

黑龍江省自然科學基金項目（E201412）

張德實（1979-），男，黑龍江拜泉人，工程師，碩士，主要從事抽油機舉升工藝技術研究。