儲能式平穩(wěn)換向采油系統(tǒng)懸點載荷與效率建模

孟宏君， 王占林， 焦宗夏

(北京航空航天大學大學 自動化科學與電氣工程學院，100191 北京)

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儲能式平穩(wěn)換向采油系統(tǒng)懸點載荷與效率建模

孟宏君， 王占林， 焦宗夏

(北京航空航天大學大學 自動化科學與電氣工程學院，100191 北京)

摘要:為解決油田抽油系統(tǒng)開采原油效率低、能耗大等問題，以抽油機系統(tǒng)為研究對象，建立抽油機動力學模型與效率模型，并利用該數學模型計算出該抽油機懸點載荷示功圖與效率，進而提出一種新的動力系統(tǒng)傳動方案，即利用彈簧組存儲抽油系統(tǒng)減速換向慣性能量，抽油系統(tǒng)換向后加速起動時能量釋放. 結果顯示：加入彈簧儲能裝置的電動機減小了電機工作狀態(tài)轉換之間的沖擊，大幅節(jié)省系統(tǒng)能量消耗. 本設計的抽油系統(tǒng)彈簧儲能裝置能夠顯著減小電機扭矩波動，縮短啟動時間，減小電機發(fā)熱，延長電機壽命. 對比傳統(tǒng)往復式抽油機有明顯的改善，節(jié)能率達到10.46%.

關鍵詞:抽油系統(tǒng)； 彈簧儲能； 輕載啟動； 高效； 節(jié)能

隨著油田開采程度的不斷增大，利用地層本身能量來舉升原油的自噴式采油方法逐漸被利用機械設備將原油舉升到地面的人工舉升方法所取代[1]. 在油田生產中，機械舉升設備是主要的耗能設備，據統(tǒng)計，我國機械采油系統(tǒng)的年耗電量已經超過了注水系統(tǒng)，成為油田生產的第一耗能大戶[2]. 油田所利用的機械采油系統(tǒng)，85%以上為有桿抽油系統(tǒng)，主要由抽油機、抽油桿和抽油泵所組成[3]. 游梁式抽油機是油田廣泛使用的傳統(tǒng)抽油設備，通常由交流異步電動機通過減速箱，連接四連桿機構帶動抽油桿，驅動井下抽油泵做上下往復運動，把井下的石油送到地面上來[4]. 由于其結構簡單、可靠性高、維修方便等優(yōu)點，深受使用者喜愛. 但是游梁式抽油機也存在運行效率低，消耗電量大的缺陷，據統(tǒng)計其效率約為15%～20%[5]. 隨著各類新型傳動裝置的應用，各種無游梁式抽油機亦出現在各油田的生產井上，其勻速直線運動的模式和長沖程及節(jié)能的特點[6]，使其使用規(guī)模不斷擴大；但傳動鏈的可靠性及壽命制約了無游梁式抽油機的進一步發(fā)展. 因此，怎樣將游梁式抽油機高可靠性和長壽命的傳動裝置與無游梁式抽油機的勻速直線運動模式和長沖程及節(jié)能的特點結合起來，形成一種新型的采油系統(tǒng)，便成為本研究的重點.

1系統(tǒng)的組成及工作原理

傳統(tǒng)往復直線運動的無游梁式抽油機在加速啟動和減速停止時存在較大的問題，不僅對電機輸出扭矩造成沖擊，而且浪費系統(tǒng)制動時的慣性能量，由于抽油機的慣性在制動和起動時需要電機提供制動動能和起動動能. 現將抽油機部件換向時的動能作為一種動力源，使其對另一個機械系統(tǒng)做功，同時將另一個機械系統(tǒng)吸收和儲存的能量在適當的時刻反輸回直線運動的抽油機輔助電機反向加速，這將產生一個能量合理利用的技術方案；根據上述思路，研究了各種機械儲能系統(tǒng)，本文采用彈簧的彈力勢能儲能的技術方案.

1.1彈簧式能量存儲系統(tǒng)

系統(tǒng)組成如圖1所示. 彈簧組2和8分別安裝在抽油機架3的上下部，交流變頻電動機與減速箱7安裝在抽油機下部，機架上下部安裝有鏈輪，鏈條9裝在鏈輪上，鏈條9的一段與平衡鐵固定，當電機通過減速箱帶動鏈輪轉動，其上的鏈條則帶動平衡鐵運動；當抽油機運行在上沖程時，平衡鐵沿著垂直于地面的軌跡向下運動，抽油桿通過鋼絲繩4與平衡鐵相連接，鋼絲繩纏繞在滾筒上，當平衡鐵上下運動，帶動抽油桿上下運動，當平衡鐵接觸到下部彈簧組8并且向下壓縮彈簧組時，平衡鐵對下部彈簧組做功，下部彈簧組儲存彈力勢能. 直到平衡鐵運動到抽油機下死點后電動機反轉運動，此時抽油機運行在下沖程，下彈簧組的彈力勢能對平衡鐵5做功，這樣利用彈簧組彈性勢能幫助電機反向加速. 然后，平衡鐵脫離下彈簧組，抽油機系統(tǒng)勻速直線運動，當平衡鐵接觸到上部彈簧組2并且向上壓縮彈簧組時，上部彈簧組2儲存彈力勢能. 直到平衡鐵運行到上死點，電機反轉運動，上彈簧組的彈力勢能對平衡鐵做功，這樣同理利用彈簧組彈性勢能幫助電機反向加速. 然后，平衡鐵脫離下彈簧組，抽油機系統(tǒng)勻速直線運動，抽油機按以上規(guī)律循環(huán)往復運動，電控系統(tǒng)柜6控制抽油機換向，加減速與勻速直線運動.

1.2抽油機速度曲線

傳統(tǒng)的往復式直線運動抽油機速度曲線為梯形[7]，如圖2所示，抽油機在啟動與停止時間段內，加速度曲線為恒值a，在勻加速時間段內為零，如圖3所示. 這樣的抽油機在上下沖程時間段內，由a突然變?yōu)?，存在沖擊，使抽油機系統(tǒng)的壽命大大減小. 然而本系統(tǒng)利用彈簧系統(tǒng)，將傳統(tǒng)抽油機的速度轉變?yōu)檎仪€，因為彈簧推動負載運動曲線為正弦曲線，這樣抽油機在啟動與停止時便不存在沖擊，因為加速度由a平穩(wěn)過渡到0，避免了沖擊，從而提高了抽油機系統(tǒng)的壽命,抽油機加速度曲線如圖3所示.

1—滾筒；2—上部彈簧組；3—機架；4—皮帶；5—平衡鐵；6—電控系統(tǒng)柜；7—交流變頻電動機與減速箱；8—下部彈簧組；9—鏈條

圖1抽油機結構組成

圖2　抽油機速度曲線

圖3　抽油機加速度曲線

2電機輸出力建模

將抽油機主要的運動部件提取出來，如圖1所示，上端為摩擦輪，其上繞有鋼絲繩，鋼絲繩右端連接抽油桿懸點，左端連接平衡鐵，抽油機上下部安裝有彈簧組，上沖程時，右端載荷為抽油桿載荷與石油液柱載荷，下沖程時，右端載荷為抽油桿載荷，石油液柱載荷為零. 平衡鐵與彈簧系統(tǒng)的力學模型如圖4所示. 如圖4所示為儲能式彈簧新型抽油機力學模型，根據該傳統(tǒng)抽油機速度圖2所示，求出各個階段(Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ)電機輸出力，彈簧受力等參數. 2.1上沖程階段(Ⅰ)

平衡鐵受力為

mpg+Fs1+Fj-F1=mPa1.

其中: mp為平衡鐵質量；g為重力加速度；n為抽油機各個階段(n=1,2,…,6)；Fj為減速箱輸出力；F1為平衡鐵所受向上的拉力；Fsn為彈簧所給平衡鐵施加的力(n=1,2,…,6)；an為新型抽油機系統(tǒng)加速度(n=1,2，…，6).

圖4　平衡鐵與彈簧系統(tǒng)的力學模型

抽油桿與石油液柱受力為

式中:Fd為電動機輸出力；r為減速箱輸出軸半徑；J為系統(tǒng)總轉動慣量；f1為電動機與減速箱摩擦力.

式中：k1為上彈簧的剛度；An為彈簧的總壓縮量(n=1,2,…,6)；Sn為配重鐵走過的位移(n=1,2,…,6).

若v1=A1ω1sinω1t，v1為正弦運動，而彈簧運動曲線也為正弦，利用這一特性可以使抽油機換向變?yōu)檎疫\動，如圖2所示，則

式中：ωn為抽油機系統(tǒng)角速度(n=1,2，…，6)；vn為抽油機系統(tǒng)速度(n=1,2，…，6)；tn為抽油機換向時間(n=1,3,4, 6).

2.2上沖程階段(Ⅱ)

平衡鐵受力F1=mpg+Fj，抽油桿與石油液柱受力

其中F1=F2，Fd=Fj+f1，則

Fd=(m1+m2)g-mPg+f1+f2,

2.3上沖程階段(Ⅲ)

平衡鐵受力mpg+Fj-Fs2-F1=mpa3，抽油桿與石油液柱受力

Fd=(m1+m2)g-mPg+f1+f2+

式中k2為下彈簧的剛度.

若v3=A3ω3cosω3t, 則S3=A3sinω3t,

下沖程階段建模分析方法相同，上下沖程總行程.

上沖程：Ss=A1+A3+V1maxt2.

下沖程：Sx=A4+A6+V4maxt5.

其中: A1=A6, A3=A4.

3抽油機的懸點載荷分析

抽油機的懸點載荷是其工作能力的重要參數之一，也是設計和選擇使用抽油機系統(tǒng)的主要根據.

3.1懸點靜載荷[7]

式中：Pjs為上沖程靜載荷；Pjx為下沖程靜載荷.

3.2懸點動載荷

式中：Nz為泵柱塞截面積;Ng為油管過流斷面的面積.

式中：Pgs為上沖程慣性載荷；Pgx為下沖程慣性載荷.

對抽油桿柱來說，伸長的大小為

式中：E為鋼材的彈性模數，E=2.1×105MPa，N1為抽油桿的橫截面積.

對油管柱來說[8]，油管柱縮短的長度為

式中N2為油管管壁的橫截面積.

λg慣性縮短長度為

泵的有效長度為

式中S為懸點從下死點到上死點抽油機的沖程長度. 3.3振動載荷

抽油桿柱是彈性體，可看成一根長彈簧. 以懸點為坐標原點，可將整個桿柱的振動問題簡化成一端固定，一端自由的細長桿的縱向振動問題[9]. 在靜變形結束瞬間即發(fā)起的桿柱的縱向振動，可用波動方程來描述為

通過計算桿柱縱向振動在懸點上引起的振動載荷為

3.4摩擦載荷

抽油桿柱與液柱之間的摩擦力. 抽油桿柱與液柱之間的摩擦發(fā)生在下沖程，是稠液井內抽油桿下行遇阻的主要原因，其最大值可由下面的近似公式來確定[11]:

式中m為油管內徑與抽油桿直徑之比.

液體與油管之間的摩擦力. 液體與油管之間的摩擦力不直接作用于抽油桿的全長上，而是使柱塞向上運動時的液柱壓力增加，由于下沖程時，油管內的液體流量很小，故液體與油管之間的摩擦力可以忽略不計[12]. 上沖程時液體與油管之間的摩擦力計算式為f2=fx=fs/1.3. 式中μ1為油井液體粘度； f1=c1Fd(c1為抽油機摩擦系數).

4效率分析

4.1儲能往復式抽油機做功

上沖程做功：

[(m1+m2-mP)g+f1+f2](A1+

v1maxt2+A2).

下沖程做功：

(mPg-m1g+f1+f2)(A2+v4maxt5+A1).

一個沖程做功為Y=Ys+Yx. Ys為上沖程電機做功；Yx為下沖程電機做功；Y為電機一個沖程做的功.

4.2傳統(tǒng)往復式抽油機做功

下沖程電機輸出力，在t1時間內，有

Fd=(m1+m2-mP)g+f1+f2+(m1+m2+

在t2時間內，有

在t3時間內，有

Fd=(m1+m2-mP)g+f1+f2+(m1+m2+

上沖程時間段內的電機應當提供的功為[13]

an′為傳統(tǒng)抽油機系統(tǒng)加速度(n=1,2，…，6).

下沖程電機輸出力，在t4時間內，有

在t5時間內，有

在t6時間內，有

系統(tǒng)效率仿真模型[14]為

4.3系統(tǒng)有效功率

石油行業(yè)標準推薦的有效功率的計算公式為[15]

式中：D為抽油泵柱塞直徑；n為懸點沖程次數；α為泵效.

5仿真計算

圖5　儲能往復式抽油機懸點載荷示功

彈簧儲能系統(tǒng)，不僅可以改善電機扭矩，更重要的是可以把系統(tǒng)換向過程中浪費的能量儲存起來，轉換為抽油機啟動時的動能，如此較傳統(tǒng)塔式抽油機更加節(jié)能，如圖7所示，節(jié)能率為10.46%.

圖6　傳統(tǒng)往復式抽油機與儲能往復式抽油機電機扭矩

圖7　傳統(tǒng)往復式抽油機與儲能往復式抽油機系統(tǒng)效率

6結論

1)在抽油機之外另外配置了一套可靠的機械儲能系統(tǒng)，將抽油機停止時部件的動能通過轉換儲存起來；抽油機啟動時再將儲存的能量對配重鐵做功，轉換成配重鐵的動能，節(jié)省能量，提高了系統(tǒng)效率.

2)在配備了能量回收系統(tǒng)后，使抽油機輕載啟動，減小啟動電流，進而保護電機.

3)給出了新型抽油機懸點動載荷示功圖，從圖中可以看出懸點動載荷與靜載荷，在抽油機整個沖程過程中幾乎一致，減小振動與慣性能量的比例.

4)將傳統(tǒng)抽油機速度轉變?yōu)檎仪€，使得抽油機在啟動與停止時不存在沖擊，因為加速度由a平穩(wěn)過渡到0，避免了沖擊，提高了抽油機系統(tǒng)的壽命.

參考文獻

[1] 董世民.抽油機井動態(tài)參數的計算機仿真與系統(tǒng)優(yōu)化[M]. 北京： 石油工業(yè)出版社，2003．

[2] XU Peng, XU Shijin, YIN Hongwei. Application of self-organizing competitive neural network in fault diagnosis of suck rod pumping system [J]. Journal of Petroleum Science and Engineering, 2007, 58(1):43-45.

[3] 陳培毅.基于抽油機實測電功率的懸點示功圖仿真與工況診斷[D]. 秦皇島:燕山大學,2013.

[4] FIRU L S, CHELU T, PETRE C M. A modern approach to the optimum design of sucker-rod pumping system [C]//SPE Annual Technical Conference and Exhibition 2003. Colorado: SPE, 2003: 1-9.

[5] 王曉遠，查宏民，陳益廣，等.基于變頻技術的新型抽油機節(jié)能控制器[J]. 石油機械，2005，33(8): 33-42.

[6] LI Xiaopeng, TIAN Ku, LI Chunhua, et al. Linear electromagnetic oil pumping unit based on the principle of coil gun[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2009, 45(1): 357-350.

[7] 董世民.抽油機設計計算與計算機實現[M]. 北京：石油工業(yè)出版社，1994．

[8] 李子豐，李敬元，馬興瑞，等. 油氣井桿管柱動力學基本方程及應用[J]. 石油學報，1999，20(1): 87-90．

[9] GIBBS S G. Predicting the behavior of sucker rod pumping systems[J]. JPT, 1963, 14(7): 116-121.

[10]牛文杰, 劉新福，綦耀光，等.煤層氣井有桿排采系統(tǒng)懸點動載荷計算[J]. 煤田地質與勘探，2011，39(1): 24-27．

[11]陳宏星．基于MATLAB和AHp的電機換向抽油機方案評價與決策研究[D].揚州:揚州大學, 2005．

[12]LIU Xinfu, QI Yaoguang. A modern approach to the selection of sucker rod pumping systems in CBM wells [J]．Journal of Petroleum Science and Engineering，2011,76(3): 100-108．

[13]王建萍.直線電機抽油機系統(tǒng)優(yōu)化研究[D]. 揚州:揚州大學,2006．

[14]姚春東.提高抽油機井系統(tǒng)效率的計算機仿真分析[J]. 石油學報，2005，26(4): 106-110，114．

[15]機械采油系統(tǒng)效率測試計算方法：SY/T5266—1996[S]. 北京:石油工業(yè)出版社, 1996．

[16]吳雪琴.有桿抽油系統(tǒng)能耗與節(jié)能技術研究[D]. 荊州：長江大學,2012.

(編輯魏希柱)

Modeling of rod load and efficiency in energy storage steady reversal pumping unit systems

MENG Hongjun, WANG Zhanlin , JIAO Zongxia

(School of Automation Science and Electrical Engineering, Beihang University, 100191 Beijing, China)

Abstract:In order to solve oilfield pumping system with the following disadvantages: low efficiency of crude exploitation, high energy consumption, etc. Kinetic and efficiency model of pumping system has been established to calculate the pumping rod load and efficiency. A new power system transmission solution has been proposed, which use spring group to store pumping system deceleration inertial energy. Spring group releases energy when pumping system changes direction. Adding spring energy storage device reduces the impact of electrical motors’ working status switch, and saves system energy consumption substantially. Spring energy-storage device designed in this paper can reduce motor torque ripple, short start-up time, and reduce motor heating, extend motor life. Compared with traditional reciprocating pumping unit, the new-designed oil-pumping system has great improvement, the energy saving rate reaches 10.46%.

Keywords:pumping system; energy storage; soft start; high efficiency; energy saving

中圖分類號:TE933

文獻標志碼:A

文章編號:0367-6234(2016)03-0020-06

通信作者:孟宏君， mengzju@163.com.

作者簡介:孟宏君(1983—)，男，博士；王占林(1934—)，男，教授，博士生導師；焦宗夏(1963—)，男，教授，博士生導師.

基金項目:國家自然科學基金重點項目(51235002).

收稿日期:2014-07-30.

doi：10.11918/j.issn.0367-6234.2016.03.004