功率平衡技術在游梁式抽油機中的應用分析

鮑純豪

目前油田游梁抽油機井管理中普遍采用平衡標準是“電流平衡”，平衡合格指標為80%~120%。抽油機不平衡可能導致部分抽油機減速箱受力不均勻、電機效率降低、抽油機耗電量增多等問題，經(jīng)現(xiàn)場試驗證明，應用游梁抽油機的“功率平衡”，即抽油機運行過程中，下沖程內電機功率與上沖程內電機功率相等，可以更好的解決上述問題。相比而言，游梁式抽油機“功率平衡”既能實現(xiàn)節(jié)能目的，又能保證抽油機安全運行。

抽油機；電流平衡；功率平衡

游梁式抽油機結構簡單，工作可靠，但驢頭懸點運動加速度較大、平衡效果較差，抽油機平衡狀態(tài)好壞直接影響抽油機四連桿機構運動性能、減速箱和電機的系統(tǒng)效率和使用壽命，對抽油桿的工作狀況影響也很大，因此抽油機使用中調平衡十分必要。目前油田在游梁抽油機管理中采用平衡標準是“電流平衡”，即抽油機下沖程最大電流與上沖程最大電流之比，平衡合格指標為80%~ 120%。然而依靠“電流平衡”無法完全解決減速箱受力不均勻、電機效率降低、抽油機耗電量增多等問題，這些問題正逐步引起人們的重視。經(jīng)現(xiàn)場試驗證明，目前較為先進的平衡標準是“功率平衡”，即抽油機運行過程中，下沖程電機平均功率與上沖程電機平均功率相等。相比而言，抽油機“功率平衡”即能實現(xiàn)節(jié)能目的，又能保證抽油機安全運行。

1.游梁式抽油機的平衡

按照抽油機的結構組成，游梁式抽油機分成換向系統(tǒng)、平衡系統(tǒng)、支承系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)四大部分。游梁式抽油機的平衡是抽油機設計和使用中的一個極其重要的問題，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的節(jié)能、壽命和應用范圍。

平衡原則。電動機在上下沖程中做功相等；上、下沖程中電機的電流峰值相等；上、下沖程中的曲柄軸峰值扭矩相等。由于目前技術條件限制，油田普遍采油第二條作為抽油機平衡標準即“電流平衡”。

游梁抽油機的三種平衡方式。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。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。復合平衡：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，減小電機的壽命；抽油機運轉不平衡會使抽油機發(fā)生振動，嚴重時會造成衡形成特殊的復合平衡，翻抽油機的惡性事故，影響抽油機的壽命。適用于中型抽油機。

抽油機不平衡的危害。抽油機運轉不平衡，影響電機的工作效率，使電機的功率因數(shù)降低，加大電機的功率損耗，減小電機的壽命；抽油機運轉不平衡會使抽油機發(fā)生振動，嚴重時會造成翻抽油機的惡性事故，影響抽油機的壽命。

2.功率平衡實現(xiàn)的概念和原理

抽油機功率平衡概念：功率平衡技術是在目前平衡方式的基礎上，改變以往的平衡標準，以抽油機最節(jié)能和最安全為標準，確保電機在上下沖程中功率相等，使電機輸入功率的均方根值最小，實現(xiàn)節(jié)能目的。

技術原理：“功率平衡”技術以抽油機最節(jié)能和最安全為標準，對抽油機功率曲線進行付立葉分解，求出不平衡功率——“功率平衡”技術以抽油機最節(jié)能和最安全為標準，對抽油機功率曲線進行付立功率曲線中的一階正弦分量。計算出最佳平衡調整量，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，抽油機最安全，電機發(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。計算出最佳平衡調整量，實際上，抽油機平衡調整的終極目的有兩個，一是保證抽油機安全運行，二是節(jié)能。保證抽油機安全運行的角度看，調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，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(shù)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。節(jié)矩越平穩(wěn)，越大說明載荷扭矩波動得越厲害。

從保證抽油機安全運行的角度看，調平衡就是要使減速器的輸出扭矩最小。由于瞬時扭矩，單位為kN.m；為曲柄轉角，單位為弧度(rad)。

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，從節(jié)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而言，機械傳動損耗與電機的固定損耗。說明載荷扭矩波動得越厲害。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，只有電機的變動損耗與電流的平方成正比。要使抽油機最節(jié)能，就是要使電機的變動損耗最小，也就是均方根電流最小。對于一臺具體的電動機，電流的大小只取決于其負載扭矩，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，二者關系從節(jié)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。

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

3.應用效果和結論

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

制定“功率平衡節(jié)能評價標準”。目前在我國還沒有制定抽油機“功率平衡”標準，為了鞏固加強抽油機的管理工作，實現(xiàn)長久節(jié)能降耗的目的，確保功率平衡采用統(tǒng)一測試評價規(guī)范，有必要制定“功率平衡節(jié)能評價標準”。

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