抽油機(jī)平衡優(yōu)化調(diào)整技術(shù)與應(yīng)用探究

柳瑩 李延波

摘要：抽油機(jī)平衡率作為油井管理中的重要指標(biāo)。抽油機(jī)不平衡不僅浪費(fèi)電能，降低效率，還大大縮短電機(jī)的使用壽命；而且抽油機(jī)強(qiáng)烈震動(dòng)，運(yùn)轉(zhuǎn)速率不均，機(jī)身傾斜，會(huì)造成抽油泵及抽油光桿磨損嚴(yán)重，壽命縮減，易出現(xiàn)機(jī)械故障，引發(fā)安全事故。平衡調(diào)整應(yīng)優(yōu)先保證減速器扭矩的峰值不超過(guò)減速器額定扭矩，在此基礎(chǔ)上盡量使減速器扭矩均方根值最小。

關(guān)鍵詞：游梁式抽油機(jī)；平衡方式；凈扭矩；均方根；系統(tǒng)效率

油田游梁式抽油機(jī)現(xiàn)場(chǎng)平衡標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中抽油機(jī)平衡中平衡電流法，平衡計(jì)算根據(jù)原則：上、下沖程中減速器曲柄的最大凈扭矩相等。而在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，電流平衡井耗電并非最低。如根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)抽油機(jī)平衡中平均功率法，平衡計(jì)算根據(jù)原則使上、下沖程電動(dòng)機(jī)做功相等，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果相比電流平衡井耗電低。目前在抽油機(jī)管理中通常用于判斷平衡與否的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是平衡率，就是抽油機(jī)上行最大電流與下行最大電流之比，認(rèn)為此值在0.8-1.2之間抽油機(jī)就是平衡的。實(shí)際上，電流平衡不能保證抽油機(jī)一定平衡，電流不平衡的抽油機(jī)也有可能是平衡的。本文通過(guò)對(duì)抽油機(jī)平衡率的重要性、平衡的原理與條件，不平衡的原因、不平衡造成的危害、檢查平衡的方法等進(jìn)行分析，針對(duì)不同原因采取不同對(duì)策，或加強(qiáng)洗井，或提升油井防蠟效果，或調(diào)整平衡重位置等，為實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，提質(zhì)增效奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1游梁式抽油機(jī)平衡調(diào)整概述

游梁式抽油機(jī)的平衡方式是通過(guò)調(diào)整平衡塊來(lái)消減抽油機(jī)上下沖程的負(fù)載差異，抽油機(jī)平衡狀況直接影響抽油機(jī)四連桿機(jī)構(gòu)、減速箱和電機(jī)的效率與壽命，對(duì)抽油機(jī)的工作狀況亦影響很大。目前大慶油田廣泛應(yīng)用電流法調(diào)整平衡，當(dāng)電流平衡比在85 %-100%之間為平衡，但通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，電流平衡井耗電并非最低，而且現(xiàn)場(chǎng)平衡調(diào)整只能定性調(diào)整操作。為此開(kāi)展抽油機(jī)平衡調(diào)整技術(shù)研究，通過(guò)理論研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，確定抽油機(jī)最佳節(jié)能范圍，編制平衡調(diào)整程序，定量實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)平衡調(diào)整，提高游梁式抽油機(jī)平衡調(diào)整管理水平，提高工作效率、系統(tǒng)效率，降低舉升單耗。節(jié)能效果的預(yù)測(cè)：對(duì)于負(fù)功率明顯的抽油井，由于電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)換成平衡塊位能（機(jī)械能）的效率一般為70%到80%，平衡塊的位能（機(jī)械能）再帶動(dòng)電機(jī)發(fā)出電能，效率一般也在70%到80%。這樣電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能再轉(zhuǎn)換成電能的總效率約為50%到65%。在抽油機(jī)光桿功率不變的情況下，通過(guò)調(diào)整平衡塊位置，減小了電機(jī)功率的均方根值，也就是減少了電能與機(jī)械能之間的來(lái)回轉(zhuǎn)換，減少了由于能量轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的能耗，從而節(jié)約了電能。在這種情況下調(diào)整平衡的節(jié)能潛力可按電機(jī)功率均方根值減少量的35%到50%估計(jì)，粗略可按40%估算。對(duì)于沒(méi)有明顯負(fù)功率的井，節(jié)能潛力約為均方根功率減少量的15%到35%，粗略可按25%計(jì)算，調(diào)平衡節(jié)能的精確值需通過(guò)實(shí)際測(cè)試才能決定。

2游梁式抽油機(jī)平衡調(diào)整技術(shù)

2.1電流平衡法

由電流平衡法定義可知，當(dāng)確定抽油機(jī)在上、下沖程過(guò)程中電流峰值的比值為某一

值時(shí)，可以判斷抽油機(jī)的平衡度， 目前現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為當(dāng)電流平衡度在0.85-1之間時(shí)認(rèn)為抽油機(jī)平衡、工作正常。采用電流平衡法時(shí)，當(dāng)IBF=1時(shí)，反映了抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)在上、下沖程過(guò)程中電動(dòng)機(jī)負(fù)載峰值相等，或間接反映曲柄軸凈扭矩在上、下沖程過(guò)程中峰值扭矩相等。

2.2功率平衡法

功率平衡度PBF表示抽油機(jī)在上、下沖程過(guò)程中輸出功率之比，標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為PBF < 0.5時(shí)抽油機(jī)運(yùn)行不平衡，應(yīng)進(jìn)行平衡調(diào)整。功率法與電流法類似，當(dāng)功率平衡度PBF>1時(shí)，抽油機(jī)處于過(guò)平衡狀態(tài)；反之認(rèn)為抽油機(jī)處于欠平衡狀態(tài)。當(dāng)0.85

3抽油機(jī)功率平衡調(diào)整計(jì)算分析

抽油機(jī)平衡調(diào)整目標(biāo)有兩個(gè)：一是保證抽油機(jī)安全運(yùn)行；二是節(jié)能。從保證抽油機(jī)安全運(yùn)行的角度看，調(diào)平衡就是要使減速器曲柄軸輸出扭矩最小。由于減速器的扭矩有正有負(fù)，僅用平均值不能反映實(shí)際負(fù)載的變化特性，一般用均方根扭矩來(lái)反映減速器的載荷情況。均方根扭矩與平均扭矩TP之比稱為周期載荷系數(shù)，它反映了載荷扭矩的波動(dòng)程度，該比值越接近1說(shuō)明載荷扭矩越平穩(wěn)，越大說(shuō)明載荷扭矩波動(dòng)得越厲害。均方根扭矩、平均扭矩及周期載荷系數(shù)均按曲柄旋轉(zhuǎn)1周（2n）計(jì)算?？梢钥闯觯瑢?duì)游梁式抽油機(jī)進(jìn)行平衡的實(shí)質(zhì)目的是使抽油機(jī)曲柄軸均方根扭矩最小，同時(shí)盡量保證周期載荷系數(shù)接近1。從節(jié)能的角度看，對(duì)于一臺(tái)具體的抽油機(jī)，機(jī)械傳動(dòng)損耗與電動(dòng)機(jī)的固定損耗是相對(duì)不變的，只有電動(dòng)機(jī)的變動(dòng)損耗與電流平方成正比。要使抽油機(jī)最節(jié)能，就是要使電動(dòng)機(jī)的變動(dòng)損耗最小，也就是均方根電流最小。對(duì)于一臺(tái)具體的電動(dòng)機(jī)，電流的大小取決于其負(fù)載扭矩，只有保證電動(dòng)機(jī)的負(fù)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(jī)軸負(fù)載扭矩Tz，與曲柄軸扭矩T，成比例關(guān)系，從上面的分析可以看出，抽油機(jī)平衡的關(guān)鍵是對(duì)減速器曲柄軸扭矩進(jìn)行平衡，使得減速器曲柄軸均方根扭矩達(dá)到最小，但是另一方面應(yīng)當(dāng)滿足抽油機(jī)上、下沖程電機(jī)做功相等的平衡原則。

對(duì)抽油機(jī)減速器曲柄扭矩進(jìn)行平衡計(jì)算在理論上相對(duì)較易，但在工程中測(cè)量曲柄軸扭矩存在實(shí)際困難，因此在工程角度通過(guò)測(cè)量減速器曲柄軸扭矩進(jìn)行抽油機(jī)平衡設(shè)計(jì)計(jì)算不現(xiàn)實(shí)。電機(jī)在負(fù)載條件下在輸入端測(cè)量其工作特性曲線相對(duì)比較簡(jiǎn)單，但是不能直接測(cè)量電機(jī)軸功率。根據(jù)討論分析電機(jī)工作特性曲線所建立各種函數(shù)關(guān)系，可以建立電機(jī)軸功率與其他電機(jī)特性曲線間的關(guān)系，為實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)電機(jī)工作特性平衡奠定了基礎(chǔ)。關(guān)于功率平衡技術(shù)的原理及計(jì)算過(guò)程如下：如判斷當(dāng)前抽油機(jī)上、下沖程電機(jī)平均有功功率不符合功率平衡法條件，則采用反向計(jì)算方法，在研究電機(jī)工作特性曲線基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)功率平衡。<1）測(cè)量電機(jī)在抽油機(jī)上、下沖程過(guò)程中有功功率曲線；<2）利用電動(dòng)機(jī)工作特性曲線，確定電機(jī)在上、下沖程過(guò)程中的電流曲線、有功功率曲線、效率曲線、功率囚數(shù)等與電機(jī)軸功率間的關(guān)系，推到電機(jī)軸功率； <3）計(jì)算抽油機(jī)在當(dāng)前平衡條件下的曲柄軸凈扭矩；<4）根據(jù)抽油機(jī)曲柄平衡重的實(shí)際測(cè)量位置，計(jì)算曲柄平衡重裝置峰值轉(zhuǎn)矩，利用平衡扭矩與光桿負(fù)載扭矩平衡疊加原則，計(jì)算光桿負(fù)載扭矩；<5）通過(guò)調(diào)整計(jì)算平衡重的安裝位置，反向計(jì)算，使抽油機(jī)平衡滿足功率平衡法要求。

通過(guò)以上過(guò)程的計(jì)算和分析，可實(shí)現(xiàn)游梁式曲柄平衡抽油機(jī)的精確平衡，使抽油機(jī)在安全、節(jié)能的狀態(tài)下運(yùn)行。

4 結(jié) 論

理論研究表明，在不超扭矩和電機(jī)額定功率的前提下，常規(guī)機(jī)電流平衡率70%時(shí)能耗最低，調(diào)整區(qū)間65%-75%，異相機(jī)電流平衡度為95%時(shí)能耗最低，調(diào)整區(qū)間90%一100%.（2）應(yīng)用電流平衡調(diào)整法實(shí)現(xiàn)功率平衡調(diào)整法的效果，實(shí)現(xiàn)平衡量化且單組調(diào)整，有效提高工作效率和平衡調(diào)整的準(zhǔn)確率，同時(shí)也可計(jì)算抽油機(jī)減速箱輸出軸的峰值扭矩。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張學(xué)魯?shù)?，游梁式抽油機(jī)平衡調(diào)整與系統(tǒng)效率提升研究[M].北京：石油工業(yè)出版.2016（07）