游梁式抽油機(jī)新型傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)

刁海勝 王宏博

(1.長慶油田分公司第三采油廠 寧夏銀川 750006；2.燕山大學(xué) 河北秦皇島 066000)

1 前言

常規(guī)游梁式抽油系統(tǒng)為克服負(fù)載啟動(dòng)和曲柄扭矩波動(dòng)較大的缺點(diǎn)，常選用額定功率較大的電機(jī)來驅(qū)動(dòng)，因此抽油系統(tǒng)穩(wěn)定工作時(shí)電機(jī)的平均負(fù)載率很低，出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象，造成電能的浪費(fèi)。為改變上述現(xiàn)狀，本文提出了采用液力變矩器來改善抽油系統(tǒng)效率的方法，并建立了該系統(tǒng)的仿真模型對(duì)其啟動(dòng)與運(yùn)行特性進(jìn)行仿真分析。

2 傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)

為降低抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)的能耗損失，提出了一種改善方法，示意圖如圖1所示。

圖1 方案示意圖

本方案主要從使用液力變矩器提高電機(jī)啟動(dòng)扭矩和增加抽油機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量提高電機(jī)軸負(fù)載扭矩穩(wěn)定性兩方面入手。游梁式抽油系統(tǒng)由于四桿機(jī)構(gòu)的限制電動(dòng)機(jī)負(fù)載扭矩波動(dòng)較大，為了降低扭矩波動(dòng)，在抽油機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)上增加一個(gè)均質(zhì)平衡塊以提高傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。在抽油機(jī)工作過程中平衡塊上的能量交替增加與減小，從而實(shí)現(xiàn)降低電機(jī)軸轉(zhuǎn)速波動(dòng)與扭矩波動(dòng)的目的。

在小帶輪上增加平衡塊將增大抽油機(jī)的啟動(dòng)扭矩，使電機(jī)啟動(dòng)更為困難，為了提高電機(jī)的啟動(dòng)扭矩，在電機(jī)與小帶輪之間增加一個(gè)液力變矩器，以此降低抽油機(jī)選用電動(dòng)機(jī)的額定功率，并使抽油機(jī)的啟動(dòng)變得更加平穩(wěn)。

應(yīng)用液力變矩器后，由于液力變矩器本身的能量損耗將降低抽油系統(tǒng)的效率，因此應(yīng)用帶有鎖止離合器的液力變矩器解決此問題。在抽油系統(tǒng)啟動(dòng)后，鎖止離合器工作，將液力傳動(dòng)變?yōu)闄C(jī)械傳動(dòng)，從而提高抽油系統(tǒng)的傳動(dòng)效率。

3 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的動(dòng)力學(xué)仿真模型

為便于建立地面抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律與井下桿柱振動(dòng)規(guī)律的仿真模型，做如下假設(shè)和簡化：（1）忽略液力變矩器工作液體沿工作腔方向循環(huán)流動(dòng)的慣性力，忽略工作液體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；（2）忽略油管柱與液柱的振動(dòng)，僅研究抽油桿柱的縱向振動(dòng)。

3.1 液力變矩器的仿真模型

在抽油機(jī)運(yùn)行過程中液力變矩器的變速比是時(shí)變的，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的微分方程可以由下式表示：

式中，MBD為泵輪上的等效驅(qū)動(dòng)力矩，N·m；MBH為泵輪的液力轉(zhuǎn)矩，N·m；MWH為渦輪的液力扭矩，N·m；K為變矩比，其值隨轉(zhuǎn)速比而變化；JB轉(zhuǎn)化到泵輪上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m；ωB泵輪的角速度，rad/s。

液力變矩器穩(wěn)定工況下泵輪的液力轉(zhuǎn)矩為

式中，ρ為液力變矩器內(nèi)油液的密度，kg/m3；λB為泵輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)，其值隨轉(zhuǎn)速比而變化；D為液力變矩器的有效直徑。

3.2 曲柄與懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的仿真模型

由于抽油機(jī)特性的影響，其曲柄的運(yùn)動(dòng)規(guī)律也是實(shí)時(shí)變化的，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的微分方程為：

式中，Med為轉(zhuǎn)化到曲柄軸處的等效驅(qū)動(dòng)力矩，N·m；Mef為轉(zhuǎn)化到曲柄軸處的等效阻力矩，N·m；Je為由液力變矩器渦輪到懸點(diǎn)所有運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量轉(zhuǎn)化到曲柄軸處的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2。

4 仿真分析

表1為一常規(guī)游梁式抽油機(jī)的實(shí)際工作參數(shù)，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行仿真分析。

表1 抽油機(jī)井基本參數(shù)

4.1 啟動(dòng)特性分析

常規(guī)游梁式抽油機(jī)為滿足系統(tǒng)的帶載啟動(dòng)，常會(huì)選用較大額定功率的電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)抽油系統(tǒng)，在本方案中，為了降低電機(jī)軸上的扭矩波動(dòng)在小帶輪上增加了一個(gè)較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，這樣就增大了抽油機(jī)的啟動(dòng)載荷，惡化了其啟動(dòng)特性，但液力變矩器的特性改善了電機(jī)的啟動(dòng)特性使抽油系統(tǒng)能夠正常啟動(dòng)。

圖2為以電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)常規(guī)機(jī)時(shí)的曲柄角速度的變化曲線，其中圖a為45kW電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)正常啟動(dòng)的圖像，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)電機(jī)可以正常驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)啟動(dòng)時(shí)，曲柄角速度在短時(shí)間內(nèi)快速上升后開始穩(wěn)定工作；圖b為以22kW電動(dòng)機(jī)直驅(qū)抽油機(jī)無法啟動(dòng)的圖像，可以發(fā)現(xiàn)抽油機(jī)曲柄角速度由0增大到某一值后重新減小為0，表明用22kW的電動(dòng)機(jī)無法使改進(jìn)后的抽油系統(tǒng)正常啟動(dòng)。

圖2 電機(jī)直驅(qū)啟動(dòng)圖像

圖3為以22kW的電動(dòng)機(jī)和液力變矩器共同驅(qū)動(dòng)抽油系統(tǒng)時(shí)曲柄角速度變化曲線，可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)過一段時(shí)間后曲柄角速度開始呈周期性的波動(dòng)，表明應(yīng)用22kW的電動(dòng)機(jī)和液力變矩器可以使改進(jìn)后的抽油系統(tǒng)正常啟動(dòng)。

圖3 液力變矩器驅(qū)動(dòng)啟動(dòng)圖像

通過以上對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)應(yīng)用液力變矩器可以優(yōu)化電機(jī)的啟動(dòng)特性，使抽油機(jī)應(yīng)用較小的額定功率的電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

4.2 穩(wěn)定運(yùn)行分析

以如下三種方案驅(qū)動(dòng)游梁抽油系統(tǒng)，對(duì)其穩(wěn)定工作時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行仿真分析，可得到其運(yùn)動(dòng)特性曲線如圖4、5所示。方案一以37kW電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的常規(guī)游梁抽油系統(tǒng)、方案二以22kW電動(dòng)機(jī)和液力變矩器共同驅(qū)動(dòng)在小帶輪上加有平衡塊的游梁抽油系統(tǒng)和方案三以22kW電動(dòng)機(jī)和鎖止離合器共同驅(qū)動(dòng)在小帶輪上加有平衡塊的游梁抽油系統(tǒng)。

圖4 示功圖對(duì)比

圖4為三種穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下的示功圖對(duì)比，從上圖中可以發(fā)現(xiàn)三種穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下的示功圖曲線基本重合，說明在小帶輪上增加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和使用液力變矩器驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)對(duì)懸點(diǎn)載荷影響很小。圖5為三種穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下的電機(jī)軸扭矩曲線對(duì)比，從圖中可以看出應(yīng)用液力變矩器和在小帶輪增加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量后，可以降低電機(jī)軸扭矩波動(dòng)，改善電機(jī)的工作狀態(tài)。三種狀態(tài)求平均功率分別為12.1kW、12.3kW、10.9kW，經(jīng)過對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)雖然應(yīng)用液力變矩器對(duì)電機(jī)輸出扭矩的平衡效果最好，但是由于液力變矩器本身的能耗并不能降低電機(jī)的平均輸入功率，而本文提出的新方案可以降低電機(jī)的平均輸入效率，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

圖5 電機(jī)軸扭矩曲線對(duì)比

5 結(jié)論

（1）在游梁式抽油機(jī)的小帶輪上增加一個(gè)均質(zhì)平衡塊以提高抽油機(jī)整體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，應(yīng)用此方法雖然可以降低電機(jī)負(fù)載扭矩的波動(dòng)與電機(jī)的輸入功率波動(dòng)，但將惡化抽油機(jī)的啟動(dòng)特性；

（2）應(yīng)用液力變矩器可以提高電動(dòng)機(jī)的輸出扭矩從而改善電機(jī)的啟動(dòng)特性，進(jìn)而降低游梁式抽油機(jī)電機(jī)額定功率，但由于液力變矩器自身能量損失抽油機(jī)整體并不能達(dá)到節(jié)電的目的；

（3）抽油機(jī)正常啟動(dòng)后采用鎖止離合器將液力傳動(dòng)變?yōu)闄C(jī)械傳動(dòng)將提高傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率，進(jìn)而整體提高抽油系統(tǒng)的系統(tǒng)效率。

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