游梁抽油機(jī)自動(dòng)平衡裝置的設(shè)計(jì)探討

梁志波

（大慶油田裝備制造集團(tuán)，黑龍江 大慶 163411）

0 引言

在油田的開采作用中，采油作業(yè)裝置中使用超過一半的是常規(guī)游梁式抽油機(jī)，隨著開采的深入，地層條件會(huì)逐步發(fā)生變化，抽油機(jī)的運(yùn)行會(huì)處于非平衡狀態(tài)，這就需要對(duì)其平衡進(jìn)行調(diào)節(jié)。目前國(guó)內(nèi)在平衡的調(diào)節(jié)方式上分為兩種：第一是通過人力對(duì)移動(dòng)曲柄平衡塊或游梁平衡塊進(jìn)行調(diào)節(jié)，首先是通過計(jì)算得到游梁平衡塊需要增加的數(shù)量或需要移動(dòng)曲柄平衡塊的距離，然后進(jìn)行平衡調(diào)節(jié)，但這個(gè)過程的工作強(qiáng)度很高且存在較差的安全性，這樣的操作通常效率較低，人為操作過程中的主觀因素會(huì)對(duì)調(diào)節(jié)的精度產(chǎn)生較大影響。第二是通過安裝平衡調(diào)節(jié)裝置來調(diào)整，此方法適用于通過調(diào)節(jié)平衡配重仍然無法達(dá)到抽油機(jī)平衡的情況，多數(shù)情況下的平衡調(diào)節(jié)裝置只是通過將機(jī)械部件安裝在抽油機(jī)上來實(shí)現(xiàn)。本文主要是針對(duì)以上問題進(jìn)行自動(dòng)平衡調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計(jì)。

1 平衡機(jī)理分析

在游梁式抽油機(jī)工作時(shí)，其受到的載荷為交變載荷且具有周期性，承受載荷波動(dòng)幅度最大的部位發(fā)生在電動(dòng)機(jī)，載荷的波動(dòng)幅度隨著懸點(diǎn)運(yùn)行速度的變化而加劇，縮短了減速器、電動(dòng)機(jī)和四連桿機(jī)構(gòu)的使用壽命，增加了桿柱的斷脫次數(shù)，使抽油桿的工作環(huán)境越來越惡劣。因此，需要通過調(diào)整抽油機(jī)的平衡，減少載荷的波動(dòng)來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2 平衡判別方法

抽油機(jī)平衡準(zhǔn)則是對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)是否處于理想平衡的評(píng)價(jià)，目前在國(guó)內(nèi)使用較多的一個(gè)準(zhǔn)則是判斷減速器曲柄軸峰值扭矩在懸點(diǎn)上、下沖程的過程中是否相等。減速器曲柄軸扭矩和電機(jī)的輸入電流和功率呈正比關(guān)系，有著相同的變化規(guī)律，而對(duì)于該扭矩的測(cè)量無法實(shí)現(xiàn)，通常采取電參測(cè)試進(jìn)行替代，具有代表性的方法有3 種：電流法、功率法以及扭矩法。

1）電流法。該方法是使電機(jī)的峰值在上、下沖程中相等，但在實(shí)際操作中通常無法實(shí)現(xiàn)，抽油機(jī)的平衡狀態(tài)可通過電流平衡度來進(jìn)行評(píng)價(jià)。電流平衡度為上、下沖程中的電流峰值之比I上/I下，當(dāng)這個(gè)比值處于0.8～1.1 之間時(shí)可認(rèn)為抽油機(jī)處于平衡狀態(tài)。

2）功率法。功率法的原理與電流法的原理類似，只是判斷上、下沖程過程中消耗的電能是否相等，其平衡度為上、下沖程的平均功率比P下/P上，當(dāng)這個(gè)比值處于0.8～1.1 之間時(shí)可認(rèn)為抽油機(jī)處于平衡狀態(tài)，否則為不平衡。

3）扭矩法。扭矩法是判斷上、下沖程中的曲柄軸峰值是否相等，曲柄軸的扭矩曲線是在抽油機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸的基礎(chǔ)上綜合懸點(diǎn)示功圖后計(jì)算得到，如果下沖程峰值扭矩與上沖程峰值扭矩之比在0.8～1.1 之間，則可判定抽油機(jī)處于平衡狀態(tài)。

分析對(duì)比上述3 種判別方法可發(fā)現(xiàn)，電流法存在著較大的誤差；扭矩法在實(shí)用性方面有所欠缺，缺乏設(shè)備進(jìn)行扭矩的直接測(cè)試，也無法診斷抽油機(jī)的實(shí)時(shí)平衡情況；功率法是在對(duì)影響抽油機(jī)平衡的各個(gè)因素進(jìn)行綜合分析后根據(jù)理論定義來進(jìn)行嚴(yán)格的計(jì)算、推導(dǎo)，在反映抽油機(jī)的平衡狀態(tài)方面較為真實(shí)，該方法具有較強(qiáng)的實(shí)用性和簡(jiǎn)單的應(yīng)用，對(duì)于抽油機(jī)的實(shí)時(shí)平衡判斷最為合適的方法是功率法。

3 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文探討的抽油機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置的基本原理是力矩平衡，將特定的配重安置在游梁式抽油機(jī)的游梁上，該配重在執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用下移動(dòng)而改變其在游梁的位置，以此實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)平衡性的調(diào)節(jié)。電氣系統(tǒng)對(duì)反饋信息進(jìn)行收集后進(jìn)行運(yùn)算、判斷，然后通過電氣控制機(jī)構(gòu)來診斷自動(dòng)平衡和控制平衡調(diào)節(jié)。該設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)部分：機(jī)械系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)。

該系統(tǒng)的機(jī)械部分如圖1 所示。

圖1 機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

從圖1 可以看出，配重的移動(dòng)通過絲杠的旋轉(zhuǎn)作用而變?yōu)閺较蜻\(yùn)動(dòng)，這就使得對(duì)配重位置的調(diào)節(jié)可通過旋轉(zhuǎn)絲杠來實(shí)現(xiàn)。整個(gè)系統(tǒng)的重量約為220kg，對(duì)游梁平衡抽油機(jī)支架進(jìn)行力學(xué)分析后發(fā)現(xiàn)，該裝置的增加對(duì)抽油機(jī)的正常作業(yè)不會(huì)產(chǎn)生影響。

該系統(tǒng)的組成包括平衡塊1 塊、絲杠1 根、光杠2根、左支撐座和右支撐座。左右支撐座與游梁臂之間的連接是通過螺絲連接，支撐座上有3 個(gè)孔，中間孔為絲杠穿孔，用于絲杠的固定，保證其轉(zhuǎn)動(dòng)軌跡是繞該孔旋轉(zhuǎn)，另外2 個(gè)孔對(duì)稱分布兩側(cè)，用于固定光杠，保證平衡塊運(yùn)動(dòng)時(shí)不隨絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)而是沿直線運(yùn)動(dòng)。絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)是通過電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)，在左右支撐座的絲杠穿孔內(nèi)都安裝有軸承，內(nèi)環(huán)與絲杠兩端相連，絲杠一端通過電動(dòng)機(jī)連接器連接到電動(dòng)機(jī)。平衡閥的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)受到光杠的限制，絲杠在電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)后平衡塊的運(yùn)動(dòng)軌跡為直線，這就能實(shí)現(xiàn)對(duì)力矩和力臂的調(diào)節(jié)來促進(jìn)抽油機(jī)的平衡。

平衡塊的穿孔結(jié)構(gòu)與支撐座穿孔一樣，也是2 個(gè)光杠穿孔和1 個(gè)絲杠穿孔，其中，絲杠穿孔中鑲嵌了帶螺紋的環(huán)形銅套來保證絲杠能在其中轉(zhuǎn)動(dòng)，光杠穿孔中鑲嵌的環(huán)形銅套為內(nèi)壁光滑。絲杠、光杠分別穿過支撐座和平衡塊上的絲杠穿孔和光杠穿孔，電動(dòng)機(jī)的作用帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，平衡塊在光杠的作用沿直線運(yùn)動(dòng)而達(dá)到力矩調(diào)節(jié)的目的。

4 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電氣控制系統(tǒng)用于通過檢測(cè)抽油機(jī)的平衡度來判別其平衡狀況，再通過控制電動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制。該系統(tǒng)模塊有PLC 可編程邏輯控制器、功率采集模塊和伺服系統(tǒng)。具體流程圖如圖2 所示。

在該系統(tǒng)中PLC主要是對(duì)上下沖程的平均功率進(jìn)行計(jì)算來獲得平衡度，與功率采集模塊的通信。伺服系統(tǒng)是將得到的信息進(jìn)行反饋執(zhí)行，控制旋轉(zhuǎn)來移動(dòng)配置，使其達(dá)到游梁的合適位置。

圖2 電氣控制系統(tǒng)流程圖

4.1 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功率平衡度

監(jiān)測(cè)主要是通過對(duì)多個(gè)位移點(diǎn)的功率采集后進(jìn)行平均，首先對(duì)上下沖程的平均功率進(jìn)行計(jì)算，獲得下沖程與上沖程中的功率平衡度，即平均功率比。上下沖程的平均功率為50 個(gè)位移點(diǎn)的功率平均值。功率采集模塊對(duì)位移點(diǎn)功率進(jìn)行采集，然后傳輸?shù)絇LC 后進(jìn)行存儲(chǔ)，在檢測(cè)的位移點(diǎn)達(dá)到100 個(gè)以后再進(jìn)行平均功率的計(jì)算而獲得平衡度。

4.2 判斷平衡狀況

抽油機(jī)的平衡狀態(tài)判定是PLC 對(duì)平衡度值的檢驗(yàn)，當(dāng)該值處于0.8～1.1 之間時(shí)說明處于平衡狀態(tài)而不需要進(jìn)行平衡塊的移動(dòng)；如果小于0.8 則是過平衡狀態(tài)，這就需要減小平衡力矩，將平衡塊朝該方向移動(dòng)；如果值大于1.1 則為欠平衡狀態(tài)，需要加大平衡力矩，將平衡塊朝該方向移動(dòng)。PLC 根據(jù)平衡度值的范圍來發(fā)出不同的指令，對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)情況進(jìn)行控制。

4.3 控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)

由于抽油機(jī)的狀態(tài)為過平衡和欠平衡時(shí)，調(diào)整時(shí)電動(dòng)機(jī)需要朝不同的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，這就使得電動(dòng)機(jī)必須能雙向轉(zhuǎn)動(dòng)，游梁上平衡塊的移動(dòng)速度應(yīng)盡量放慢來獲得更好的穩(wěn)定性和安全性，因此要求伺服電動(dòng)機(jī)能正反向寸動(dòng)且可自由調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。PLC 可編程模塊可通過信號(hào)來對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)高精度、高穩(wěn)定性、快速響應(yīng)的系統(tǒng)。

抽油機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置能有效地改善調(diào)整精度、提升工作效率，也保證了平衡調(diào)節(jié)的安全。該系統(tǒng)有較高的智能化程度，可對(duì)抽油機(jī)運(yùn)行過程中的平衡狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)有效的調(diào)整，降低了抽油機(jī)使用過程中的故障率，減輕了電動(dòng)機(jī)的負(fù)載，促進(jìn)抽油機(jī)的長(zhǎng)久、穩(wěn)定運(yùn)行。

［1］王歡，張海峰，岳妍瑛，等.數(shù)字化抽油機(jī)在安塞油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用與實(shí)踐［J］.石油天然氣學(xué)報(bào)，2014（3）：395-397.

［2］唐俊.抽油機(jī)減速器的故障判斷和處理［J］.油氣田地面工程，2014（4）：52-53.