抽油機(jī)游梁平衡自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計①

杜永軍 于嘉驥

(東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院)

抽油機(jī)游梁平衡自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計①

杜永軍 于嘉驥

(東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院)

針對抽油機(jī)由于不平衡而造成的耗能問題，設(shè)計了一個抽油機(jī)游梁平衡自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用功率法檢測抽油機(jī)的平衡度，當(dāng)抽油機(jī)處于失衡狀態(tài)時，系統(tǒng)通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動游梁上的平衡配重小車改變它與游梁支點的相對位置，進(jìn)而調(diào)整曲柄軸上的扭矩，使抽油機(jī)重新在新平衡狀態(tài)下運行。

抽油機(jī) 游梁平衡自動調(diào)節(jié)系統(tǒng) 動力學(xué)分析 平衡度

油田現(xiàn)場的抽油機(jī)大多在不平衡狀態(tài)下運行，對于這些失衡的抽油機(jī)，通常采用調(diào)整平衡機(jī)構(gòu)的方式(如人工調(diào)整平衡塊力矩的方法)使抽油機(jī)重新達(dá)到平衡的狀態(tài)[1]。但是失衡狀態(tài)的調(diào)節(jié)大多是在極其不平衡的狀態(tài)下進(jìn)行的，這造成了調(diào)節(jié)滯后、效率低、精度低、停機(jī)影響產(chǎn)量及不利節(jié)能等諸多問題。油田現(xiàn)場雖然存在一些抽油機(jī)自動平衡調(diào)節(jié)裝置，起到了一定的調(diào)節(jié)作用，但節(jié)能效果不理想，同時由于野外環(huán)境惡劣，這些裝置的可靠性極低。

針對上述情況，筆者設(shè)計了一個抽油機(jī)游梁平衡自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在沖程、沖次保持不變的情況下，通過改變類似滑塊機(jī)構(gòu)的配重小車位置來調(diào)整平衡扭矩，使抽油機(jī)的凈扭矩保持不變，保證抽油機(jī)在平衡狀態(tài)下運行，達(dá)到節(jié)能、提效的目的。

1 系統(tǒng)的組成與原理

抽油機(jī)游梁平衡自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)(圖1)由機(jī)械系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)兩部分組成。機(jī)械系統(tǒng)由小車軌道和配重小車G1(含步進(jìn)電機(jī))組成。配重小車由小車外殼、步進(jìn)電機(jī)、行星齒輪組、花鍵、蝸輪、蝸桿及行走齒輪等組成。自動控制系統(tǒng)由信號采集系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和顯示控制系統(tǒng)組成。

圖1 抽油機(jī)游梁平衡自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理

2 系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 機(jī)械系統(tǒng)

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，電機(jī)的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)矩通過行星齒輪組進(jìn)行放大，并通過花鍵傳遞到蝸桿上，再通過嚙合的蝸輪蝸桿副傳遞給蝸輪，使扭矩得到進(jìn)一步的放大并改變其轉(zhuǎn)動方向。最后由蝸輪同時帶動兩個行走齒輪在固定在底座上的齒條上做往復(fù)運動，實現(xiàn)平衡小車的位移控制。

這種機(jī)械機(jī)構(gòu)具有精度高、結(jié)構(gòu)緊湊和沖擊載荷小的優(yōu)點，充分利用了蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)的自鎖能力，設(shè)計中把機(jī)構(gòu)本身作為配重來節(jié)省成本和空間。

2.2 平衡調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運動學(xué)分析

通過對平衡機(jī)構(gòu)進(jìn)行運動學(xué)分析，確定抽油機(jī)平衡時配重小車相對游梁的位置，然后由能量守恒原理計算出抽油機(jī)平衡時配重小車的最優(yōu)距離。

抽油機(jī)結(jié)構(gòu)不平衡重B為：

式中A′——游梁前臂長度；

l——q1重心到游梁支點的距離；

q1——游梁部件重力。

游梁平衡重移動的距離為s·(sinθ1+sinθ2)，儲存的能量為Q1·s(sinθ1+sinθ2)；游梁部件自重移動的距離為l(sinθ1+sinθ2)，儲存的能量為q1l(sinθ1+sinθ2)；曲柄平衡重移動的距離為R2cos(θ0-t)+R2·cos(θ0+λ-t)=R2×[cos(θ0-t)+cos(θ0+λ-t)[2～4]，儲存的能量為Q2R2[cos(θ0-t)+cos(θ0+λ-t)]；曲柄自重移動的距離為r2[cos(θ0-t)+cos(θ0+λ-t)]，儲存的能量為q2r2[cos(θ0-t)+cos(θ0+λ-t]。其中，s為游梁平衡重心沿游梁方向相對游梁支點的距離，θ1為上死點時游梁的水平夾角，θ2為下死點時游梁的水平夾角，Q1為游梁平衡重力，R2為曲柄平衡重半徑，t為曲柄平衡塊重心線與曲柄重心線的夾角，θ0為上死點時曲柄初始角，λ為極位夾角，Q2為曲柄平衡塊重力，r2為曲柄的重心半徑，q2為曲柄自重。

平衡裝置儲存的能量α0為：

α0=Q1·s(sinθ1+sinθ2)+q1l(sinθ1+sinθ2)+

Q2R2[cos(θ0-t)+cos(θ0+λ-t)]+

q2r2[cos(θ0-t)+cos(θ0+λ-t)]

(1)

q1l=B·A′，代入式(1)可得：

α0=Q1·s(sinθ1+sinθ2)+B·A′(sinθ1+sinθ2)+

Q2R2[cos(θ0-t)+cos(θ0+λ-t)]+

q2r2[cos(θ0-t)+cos(θ0+λ-t)]

如果利用抽油機(jī)靜力示功圖進(jìn)行計算，則α0=S(PG+PY/2)，可得到游梁平衡重心沿游梁方向相對游梁支點的距離s為：

式中PG——抽油桿在油中受到的重力；

PY——曲油管內(nèi)柱塞上的油柱重；

S——沖程。

2.3 自動控制系統(tǒng)

自動控制系統(tǒng)由信息采集系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和顯示控制系統(tǒng)組成。在抽油機(jī)運行過程中，系統(tǒng)通過采集電壓、電流信號，對抽油機(jī)上下沖程的平均功率與平衡度進(jìn)行運算和對比，判斷抽油機(jī)是否處于平衡狀態(tài)。當(dāng)平衡度在0.85～1.15之間時[5]，抽油機(jī)處于平衡狀態(tài)，此時系統(tǒng)無需調(diào)整；否則抽油機(jī)處于不平衡狀態(tài)，此時系統(tǒng)發(fā)出控制指令，驅(qū)動元件(步進(jìn)電機(jī))驅(qū)動配重小車移動到相對游梁的指定位置來調(diào)整平衡扭矩，使抽油機(jī)的凈扭矩保持不變，重新達(dá)到新的平衡狀態(tài)。控制系統(tǒng)為二十四小時工作制，即每24h系統(tǒng)調(diào)整平衡一次，每次20min。這樣既保證了抽油機(jī)基本在平衡狀態(tài)下運行，同時也克服了步進(jìn)電機(jī)長期運轉(zhuǎn)的耗能問題和頻繁調(diào)節(jié)導(dǎo)致的電機(jī)和平衡小車易損壞問題。

3 結(jié)束語

筆者設(shè)計了一個抽油機(jī)游梁平衡自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，解決了抽油機(jī)由不平衡而造成的耗能問題，節(jié)省了大量人力、物力。該系統(tǒng)可以獨立安裝在抽油機(jī)抽油系統(tǒng)中，也可以通過簡單的改造與其他節(jié)能系統(tǒng)(如空抽節(jié)能控制系統(tǒng)、變頻節(jié)能控制系統(tǒng)等)組裝成多功能節(jié)能控制系統(tǒng)，安裝在抽油機(jī)系統(tǒng)中，使節(jié)能效果更明顯，油田管理更方便。

[1] 杜永軍,王鵬月,涂學(xué)萬,等.多功能抽油機(jī)節(jié)能控制器的研發(fā)[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2009,9(3):691～694.

[2] 任濤.曲柄軸凈扭矩趨近直線形態(tài)的抽油機(jī)傳動機(jī)構(gòu)研究[J].現(xiàn)代制造工程,2010,(4):136～140.

[3] 任濤.曲柄導(dǎo)桿式六桿機(jī)構(gòu)抽油機(jī)設(shè)計計算[J].機(jī)械傳動,2010,34(3):46～49.

[4] 張建軍,李向齊,石惠寧.游梁式抽油機(jī)設(shè)計計算[M].北京:石油工業(yè)出版社,2005:45～48.

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

DesignofAuto-regulatingSystemforBeam-balancedPumpingUnit

DU Yong-jun, YU Jia-ji

(CollegeofMechanicalScienceandEngineering,NortheastPetroleumUniversity)

Considering incorrect energy consumption incurred by the pumping unit’s unbalance, an auto-regulating system for beam balance was designed. The system adopts the power method to detect the pumping unit’s degree of balance; when the pumping unit stays at imbalance state, the system changes its position relative to beam support by driving the stepper motor-driven balance weight car on the beam so as to adjust the crankshaft torque to make the pumping unit operated under the new balance state.

pumping unit, auto-regulating system for beam balance, Kinetics analysis, degree of balance

杜永軍(1962-)，教授，從事油田采油技術(shù)與節(jié)能技術(shù)的研究。

聯(lián)系人于嘉驥(1990-)，碩士研究生，從事海洋石油平臺鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計與建造工作，wonderdance@163.com。

TQ051.21

A

0254-6094(2017)01-0052-03

2016-03-08，

2016-04-13)