游梁式抽油機新型傳動方案設計

刁海勝 王宏博

(1.長慶油田分公司第三采油廠 寧夏銀川 750006；2.燕山大學 河北秦皇島 066000)

1 前言

常規游梁式抽油系統為克服負載啟動和曲柄扭矩波動較大的缺點，常選用額定功率較大的電機來驅動，因此抽油系統穩定工作時電機的平均負載率很低，出現“大馬拉小車”的現象，造成電能的浪費。為改變上述現狀，本文提出了采用液力變矩器來改善抽油系統效率的方法，并建立了該系統的仿真模型對其啟動與運行特性進行仿真分析。

2 傳動方案設計

為降低抽油機電動機的能耗損失，提出了一種改善方法，示意圖如圖1所示。

圖1 方案示意圖

本方案主要從使用液力變矩器提高電機啟動扭矩和增加抽油機轉動慣量提高電機軸負載扭矩穩定性兩方面入手。游梁式抽油系統由于四桿機構的限制電動機負載扭矩波動較大，為了降低扭矩波動，在抽油機的傳動系統上增加一個均質平衡塊以提高傳動系統的轉動慣量。在抽油機工作過程中平衡塊上的能量交替增加與減小，從而實現降低電機軸轉速波動與扭矩波動的目的。

在小帶輪上增加平衡塊將增大抽油機的啟動扭矩，使電機啟動更為困難，為了提高電機的啟動扭矩，在電機與小帶輪之間增加一個液力變矩器，以此降低抽油機選用電動機的額定功率，并使抽油機的啟動變得更加平穩。

應用液力變矩器后，由于液力變矩器本身的能量損耗將降低抽油系統的效率，因此應用帶有鎖止離合器的液力變矩器解決此問題。在抽油系統啟動后，鎖止離合器工作，將液力傳動變為機械傳動，從而提高抽油系統的傳動效率。

3 系統運動規律的動力學仿真模型

為便于建立地面抽油機運動規律與井下桿柱振動規律的仿真模型，做如下假設和簡化：（1）忽略液力變矩器工作液體沿工作腔方向循環流動的慣性力，忽略工作液體的轉動慣量；（2）忽略油管柱與液柱的振動，僅研究抽油桿柱的縱向振動。

3.1 液力變矩器的仿真模型

在抽油機運行過程中液力變矩器的變速比是時變的，其運動規律的微分方程可以由下式表示：

式中，MBD為泵輪上的等效驅動力矩，N·m；MBH為泵輪的液力轉矩，N·m；MWH為渦輪的液力扭矩，N·m；K為變矩比，其值隨轉速比而變化；JB轉化到泵輪上的等效轉動慣量，kg·m；ωB泵輪的角速度，rad/s。

液力變矩器穩定工況下泵輪的液力轉矩為

式中，ρ為液力變矩器內油液的密度，kg/m3；λB為泵輪轉矩系數，其值隨轉速比而變化；D為液力變矩器的有效直徑。

3.2 曲柄與懸點運動規律的仿真模型

由于抽油機特性的影響，其曲柄的運動規律也是實時變化的，其運動規律的微分方程為：

式中，Med為轉化到曲柄軸處的等效驅動力矩，N·m；Mef為轉化到曲柄軸處的等效阻力矩，N·m；Je為由液力變矩器渦輪到懸點所有運動件的質量和轉動慣量轉化到曲柄軸處的等效轉動慣量，kg·m2。

4 仿真分析

表1為一常規游梁式抽油機的實際工作參數，以此為基礎進行仿真分析。

表1 抽油機井基本參數

4.1 啟動特性分析

常規游梁式抽油機為滿足系統的帶載啟動，常會選用較大額定功率的電動機來驅動抽油系統，在本方案中，為了降低電機軸上的扭矩波動在小帶輪上增加了一個較大的轉動慣量，這樣就增大了抽油機的啟動載荷，惡化了其啟動特性，但液力變矩器的特性改善了電機的啟動特性使抽油系統能夠正常啟動。

圖2為以電動機直接驅動常規機時的曲柄角速度的變化曲線，其中圖a為45kW電動機驅動抽油機正常啟動的圖像，可以發現當電機可以正常驅動抽油機啟動時，曲柄角速度在短時間內快速上升后開始穩定工作；圖b為以22kW電動機直驅抽油機無法啟動的圖像，可以發現抽油機曲柄角速度由0增大到某一值后重新減小為0，表明用22kW的電動機無法使改進后的抽油系統正常啟動。

圖2 電機直驅啟動圖像

圖3為以22kW的電動機和液力變矩器共同驅動抽油系統時曲柄角速度變化曲線，可以發現經過一段時間后曲柄角速度開始呈周期性的波動，表明應用22kW的電動機和液力變矩器可以使改進后的抽油系統正常啟動。

圖3 液力變矩器驅動啟動圖像

通過以上對比分析發現應用液力變矩器可以優化電機的啟動特性，使抽油機應用較小的額定功率的電機進行驅動。

4.2 穩定運行分析

以如下三種方案驅動游梁抽油系統，對其穩定工作時的運行狀態進行仿真分析，可得到其運動特性曲線如圖4、5所示。方案一以37kW電動機驅動的常規游梁抽油系統、方案二以22kW電動機和液力變矩器共同驅動在小帶輪上加有平衡塊的游梁抽油系統和方案三以22kW電動機和鎖止離合器共同驅動在小帶輪上加有平衡塊的游梁抽油系統。

圖4 示功圖對比

圖4為三種穩定運行狀態下的示功圖對比，從上圖中可以發現三種穩定運行狀態下的示功圖曲線基本重合，說明在小帶輪上增加轉動慣量和使用液力變矩器驅動抽油機對懸點載荷影響很小。圖5為三種穩定運行狀態下的電機軸扭矩曲線對比，從圖中可以看出應用液力變矩器和在小帶輪增加轉動慣量后，可以降低電機軸扭矩波動，改善電機的工作狀態。三種狀態求平均功率分別為12.1kW、12.3kW、10.9kW，經過對比分析可以發現雖然應用液力變矩器對電機輸出扭矩的平衡效果最好，但是由于液力變矩器本身的能耗并不能降低電機的平均輸入功率，而本文提出的新方案可以降低電機的平均輸入效率，從而達到節能降耗的目的。

圖5 電機軸扭矩曲線對比

5 結論

（1）在游梁式抽油機的小帶輪上增加一個均質平衡塊以提高抽油機整體的轉動慣量，應用此方法雖然可以降低電機負載扭矩的波動與電機的輸入功率波動，但將惡化抽油機的啟動特性；

（2）應用液力變矩器可以提高電動機的輸出扭矩從而改善電機的啟動特性，進而降低游梁式抽油機電機額定功率，但由于液力變矩器自身能量損失抽油機整體并不能達到節電的目的；

（3）抽油機正常啟動后采用鎖止離合器將液力傳動變為機械傳動將提高傳動系統的傳動效率，進而整體提高抽油系統的系統效率。

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