QSY型抽油機智能平衡調(diào)整裝置的設(shè)計

曾亞勤，王林平，劉一山 （中石油長慶油田分公司油氣工藝技術(shù)研究院，陜西西安710018）

QSY型抽油機智能平衡調(diào)整裝置的設(shè)計

曾亞勤，王林平，劉一山 （中石油長慶油田分公司油氣工藝技術(shù)研究院，陜西西安710018）

常規(guī)游梁式抽油機在工作幾年后，由于井身結(jié)構(gòu)或者地層原油的不斷開采造成產(chǎn)量和動液面的變化等原因，抽油機整個系統(tǒng)將會變得不平衡，并且該抽油機的平衡配重也不能夠繼續(xù)調(diào)節(jié)，而更換抽油機設(shè)備也不現(xiàn)實，因此研究一種經(jīng)濟而高效的自動調(diào)節(jié)抽油機平衡的裝置就顯得非常必要。結(jié)合功率法平衡診斷技術(shù)，利用智能功率檢測模塊檢測抽油機一個沖程周期的有功功率，從而得到抽油機的平衡度，據(jù)此平衡度來調(diào)節(jié)抽油機的平衡性。設(shè)計了相對應(yīng)的QSY型抽油機平衡調(diào)整的機械裝置和電氣自動控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場試驗表明，該裝置能夠全智能執(zhí)行抽油機平衡診斷和調(diào)節(jié)，運行穩(wěn)定、安全可靠。

游梁式抽油機；功率法；平衡調(diào)整；智能化

在油田的日常生產(chǎn)工作中，衡量游梁式抽油機能耗和使用壽命的一個重要指標(biāo)是抽油機的平衡狀況，而抽油機在一個工作循環(huán)內(nèi)載荷是不均勻的，抽油機在工作過程中或多或少會處在不平衡的狀態(tài)下運行［1］，對于已無法通過自身平衡配置來進行平衡調(diào)節(jié)的在役抽油機，則會通過在抽油機上安裝平衡調(diào)節(jié)裝置的方式來繼續(xù)調(diào)節(jié)平衡。在油田的實際應(yīng)用中，目前主要有3種平衡診斷的方法：電流法、扭矩法和功率法［2］。綜合分析對比后可知電流法測平衡方法簡單，但有可能診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性不夠［2］；扭矩法中沒有直接測量扭矩的儀器，其實用性不夠［3］；而功率法計算的平衡度所采用的公式是根據(jù)嚴(yán)格的理論定義推導(dǎo)出來的，它綜合考慮了反映抽油機平衡的各個要素，能夠真實地反映抽油機的平衡狀況［4］，而且功率法應(yīng)用簡單，實用性較強。因此采用功率法來診斷平衡性或指導(dǎo)調(diào)平衡，是設(shè)計該游梁式抽油機自動調(diào)平衡裝置所依據(jù)的原理。功率法測平衡是目前多數(shù)文獻所推崇的方法，在實際測平衡中常采用，2009年已形成了中國石油天然氣集團公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，即Q／SY1233－2009標(biāo)準(zhǔn)，《游梁式抽油機平衡及操作規(guī)范》，它主要是利用抽油機上、下沖程中所消耗的有功功率平均值來定義抽油機的平衡度，先檢測得到上、下沖程的平均功率，并以較大值為分母，得到平衡度，即，當(dāng)比值大于50%即可認(rèn)為抽油機處于平衡狀態(tài)，否則抽油機處于不平衡狀態(tài)。

經(jīng)調(diào)研分析，近十幾年來，很多油田都研制了各種調(diào)平衡裝置和工具來對在役常規(guī)游梁抽油機進行平衡調(diào)整以便節(jié)能和增加抽油機的使用壽命，而這些調(diào)平衡裝置僅僅局限于機械方面的實現(xiàn)和調(diào)平衡工具的優(yōu)化，平衡調(diào)節(jié)仍需要人工操作來完成。針對該情況，依據(jù)力矩平衡原理和游梁式抽油機的平衡調(diào)節(jié)技術(shù)，結(jié)合機械理論和電氣控制理論，研制了QSY型抽油機智能化平衡調(diào)整裝置。該裝置有效地提高了平衡調(diào)節(jié)的效率，實現(xiàn)了智能、安全、高效且精確的抽油機平衡調(diào)節(jié)，經(jīng)過現(xiàn)場試驗達到了良好的平衡調(diào)節(jié)效果，很大程度地減輕了抽油裝置的負擔(dān)，延長了它們的壽命。

1 裝置原理及結(jié)構(gòu)描述

1．1 工作原理

根據(jù)力矩平衡原理，通過抽油電機的功率監(jiān)測模塊，實時地獲取抽油機上、下沖程的電流及電功率，運算控制電路根據(jù)電流或電功率計算得到游梁式抽油機的平衡度，找出油井的不平衡性程度，適當(dāng)微調(diào)具有正、反轉(zhuǎn)特性的電機進行旋轉(zhuǎn)，從而帶動配重在游梁上移動，通過改變配重的平衡力臂，使平衡扭矩變化曲線最大限度地符合負載扭矩曲線，從而得到平穩(wěn)、低峰值的凈扭矩曲線，使抽油機達到相對平衡的狀態(tài)。裝置由電氣控制系統(tǒng)和機械執(zhí)行系統(tǒng)兩部分組成，電氣控制系統(tǒng)一方面診斷抽油機平衡狀態(tài)，另一方面智能調(diào)節(jié)配重在游梁臂上的力矩，機械執(zhí)行系統(tǒng)根據(jù)電氣控制系統(tǒng)所選擇的調(diào)節(jié)方式進行配重的調(diào)節(jié)。

1．2 機械結(jié)構(gòu)

裝置的機械系統(tǒng)主要部件有帶滑輪的平衡塊和滾筒支撐座，裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1）支撐座 滾筒支撐座后視圖如圖2所示。電機轉(zhuǎn)動帶動滾筒旋轉(zhuǎn)，進而帶動纏繞在滾筒上的鋼絲繩運轉(zhuǎn)來拉動平衡塊。如圖3所示，滾筒一側(cè)的中心孔插入圓柱銷固定，另一側(cè)插入電機連接銷固定，整個滾筒就可以在固定垂直平板中嵌入的2個軸承上滾動，電機轉(zhuǎn)軸嵌入電機連接銷孔內(nèi)，讓電機軸不承受縱向壓力，圓柱銷與電機連接銷細節(jié)圖如圖4所示，連接銷側(cè)面的固定孔用于將連接銷與滾筒相互固定而不產(chǎn)生相對滑動。

圖1 裝置結(jié)構(gòu)圖

圖2 滾筒支撐座后視圖

圖3 滾筒結(jié)構(gòu)圖

圖4 圓柱銷與電機連接銷結(jié)構(gòu)圖

圖5 滑輪支撐座后視圖

圖6 平衡塊結(jié)構(gòu)圖

滑輪支撐座由一個鐵銷將滑輪固定在支撐座的垂直固定平板之間，鋼絲繩可以沿滑輪軌道隨滑輪的轉(zhuǎn)動而移動，滑輪支撐座的后視圖如圖5所示。

滾筒支撐座和滑輪支撐座上分別有2個對稱的光桿穿孔，光桿依次穿過滾筒支撐座光桿穿孔、平衡塊上的光桿穿孔、滑輪支撐座光桿穿孔，兩側(cè)分別用螺絲鎖緊，這樣既能夠固定2個支撐座，也能作為平衡塊的運行軌道，使其按軌道方向運行而不會產(chǎn)生側(cè)偏，保證平衡塊始終在游梁臂上運行。

2）平衡塊 平衡塊上部2個對稱的光桿穿孔用于穿入光桿以固定平衡塊運行方向以及固定2個支撐座；根據(jù)實際情況需要更改平衡塊個數(shù)時，可以將絲杠穿入2個對角的平衡塊連接孔將多塊平衡塊固定在一起；鋼絲繩穿孔用于穿入鋼絲繩將其兩頭固定在平衡塊兩側(cè)以雙向拉動平衡塊，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

1．3 有限元分析

由于裝置的機械系統(tǒng)處在高空運行，因此有必要對機械系統(tǒng)的安全性進行分析。一方面，機械系統(tǒng)依靠電機的轉(zhuǎn)動帶動8mm的鋼絲繩來拉動平衡塊在游梁臂上面前后移動；另一方面，整個機械系統(tǒng)約200kg的重量完全支撐在游梁臂上，而游梁全由抽油機支架支撐，因此，對鋼絲繩拉動平衡塊和在游梁上安裝機械系統(tǒng)這兩方面是否會對抽油機產(chǎn)生安全影響進行了有限元分析。

應(yīng)用ANSYS軟件建立簡化的鋼絲繩有限元模型，選擇8節(jié)點實體單元Solid45進行自由網(wǎng)格劃分，實體共劃分為4536個節(jié)點，57286個單元，如圖7所示。經(jīng)有限元分析模型可得結(jié)論：該裝置應(yīng)用的直徑為8mm的6×7IWS鋼絲繩最大破斷拉力為31kN，完全滿足提升需要。對CYJY6－2．5－26H型抽油機進行有限元分析［5］，根據(jù)抽油機支架的實際工作情況，選用三維beam189計算單元，網(wǎng)格大小采用手動控制，將結(jié)構(gòu)模型劃分為10242個節(jié)點，31057個單元，有限元模型如圖8所示，經(jīng)有限元模型分析可知：在抽油機的游梁上最大能安裝4．3t的重量，因此，在抽油機的游梁上安裝200kg的平衡裝置是足夠安全的，不會造成支架的損壞和疲勞。

圖7 鋼絲繩有限元模型

圖8 抽油機支架有限元網(wǎng)格模型

2 數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

該裝置設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用的是EDA三相電參數(shù)采集模塊，在抽油機上、下沖程中各采集50個點的功率，將所采集到的100個點的功率值傳遞給控制模塊進行處理。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用的是力創(chuàng)EDA9033D三相電參數(shù)采集模塊，該模塊是一智能型三相電參數(shù)數(shù)據(jù)綜合采集模塊；應(yīng)用三表法能夠準(zhǔn)確測量三相三線制或三相四線制交流電路中的三相電壓、三相電流（真有效值）、總的及各單相的有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)等等。該模塊能夠滿足功率采集的需要。

上、下沖程的平均功率大小不同，平衡塊移動的方向也就不同，所以平衡塊需要雙向移動。根據(jù)伺服系統(tǒng)的性能以及伺服系統(tǒng)的選型標(biāo)準(zhǔn)，選擇了臺達ECMA系列伺服電機，與之配套的伺服驅(qū)動器選擇了臺達ASDA－B2系列伺服驅(qū)動器，利用伺服系統(tǒng)精度高、穩(wěn)定性好、低速大轉(zhuǎn)矩、響應(yīng)速度快、能頻繁起制動及正反轉(zhuǎn)的優(yōu)點來實現(xiàn)對平衡塊運動的控制。

數(shù)據(jù)采集模塊、伺服系統(tǒng)和自主研發(fā)的控制電路板構(gòu)成了整個電氣系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集模塊所采集到的功率經(jīng)過控制模塊計算處理后得到平衡度，從而判斷是否需要進行平衡調(diào)節(jié)，需要調(diào)節(jié)時，比較上、下沖程的平均功率之后判斷平衡塊需要調(diào)節(jié)的方向，而后開啟電源、關(guān)閉伺服剎車系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)供給動力，2～5s后通過軟件控制開啟伺服剎車系統(tǒng)、關(guān)閉電源，數(shù)據(jù)采集模塊再次進行功率采集，經(jīng)由控制模塊重新進行數(shù)據(jù)處理和平衡判斷后來指導(dǎo)伺服系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)，如此循環(huán)直至抽油機的平衡度調(diào)節(jié)到0．5～1之間后停止平衡調(diào)節(jié)。伺服系統(tǒng)的接線如圖9所示，電氣控制框圖如圖10所示。

圖9 伺服系統(tǒng)接線圖

圖10 控制框圖

3 現(xiàn)場試驗

裝置在現(xiàn)場數(shù)口井的6型抽油機上進行了現(xiàn)場試驗。試驗表明，與未使用QSY型抽油機智能平衡調(diào)節(jié)裝置相比較，使用該裝置后，測試井的抽油機的平衡率可以調(diào)節(jié)到50%～100%范圍內(nèi)，并起到一定的節(jié)電作用。

4 結(jié) 語

QSY型抽油機智能調(diào)平衡裝置是以力矩平衡原理和抽油機調(diào)平衡技術(shù)為理論支撐，結(jié)合機械和電氣系統(tǒng)的設(shè)計而研發(fā)出來的智能化調(diào)平衡裝置。該裝置應(yīng)用范圍廣、安全性高、調(diào)節(jié)精度高，屬于智能化產(chǎn)品，整個操作過程無需人工操作，這解決了一直以來需要人力進行平衡判斷和平衡調(diào)節(jié)的工作方式，既節(jié)省了人力又提高了平衡調(diào)節(jié)的安全系數(shù)和勞動效率。

［1］胡松華，白存安．抽油機柔性拖動控制技術(shù)的研究與應(yīng)用［J］．大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，2006，25（增刊）：73～74，89．

［2］王偉，檀朝東，王辛涵，等．抽油機井平衡設(shè)計及調(diào)整技術(shù)綜述［J］．中國石油和化工，2011，（2）：59～61．

［3］周繼德．用扭矩法調(diào)整抽油機的平衡［J］．石油機械，1987，15（4）：25～26，45．

［4］王平，崔臣君，劉麗娟，等．抽油機平衡度實時測量技術(shù)［J］．油氣田地面工程，2010，29（10）：6～7．

［5］郭登明，周思柱，熊大軍，等．異相游梁平衡抽油機支架的有限元分析［J］．石油地質(zhì)與工程，2005，20（5）：72～74．

［編輯］ 蕭 雨

TE933．1

A

1000－9752（2012）07－0153－04

2011－12－05

曾亞勤（1965－），男，1984年江漢石油學(xué)院畢業(yè)，博士，高級工程師，現(xiàn)從事油氣開采工藝技術(shù)研究與管理工作。