應用抽油機井電動機功率曲線計算減速箱扭矩曲線

朱榮杰 蘭永乾 馬龍飛

（1.大慶油田有限責任公司第一采油廠；2.大慶油田通信公司；3.大慶潤滑油二廠）

應用抽油機井電動機功率曲線計算減速箱扭矩曲線

朱榮杰1蘭永乾2馬龍飛3

（1.大慶油田有限責任公司第一采油廠；2.大慶油田通信公司；3.大慶潤滑油二廠）

通過對在用抽油機井電動機功率曲線與抽油機減速箱扭矩曲線之間關系的分析，尋求出一種將功率曲線轉換為扭矩曲線的方法，并進行誤差分析，從而得出計算精確的實驗要求以及應用于最大扭矩計算的誤差范圍，以檢驗抽油機井是否超扭矩，為抽油機節電提供可靠的技術途徑。

功率曲線 轉矩曲線 方法 誤差分析

近年來，由于油田穩產形勢要求，大慶長垣中部一些抽油機井的單井產液量越來越高，因而下入的抽油泵的直徑也越來越大，抽油機選用的機型也隨之改變。

首先是抽油機沖程變化與其得出的經驗公式有很大差距。20世紀60年代，抽油機的沖程多數在3 m以下，而現在應用的抽油機沖程在4.2 m以上的井占了抽油機井總數的70%左右。

其次是游梁式抽油機的結構與當初相比有了較大變化。如20世紀90年代中期，油田選用的抽油機至少是異相型抽油機，隨后又有大量的雙驢頭抽油機得到了應用。

1 利用功率曲線計算扭矩曲線的方法

抽油機扭矩曲線的應用主要有三個方面的內容：①檢查是否超扭矩及判斷是否發生背擊現象；②判斷及計算平衡；③用于功率分析。

減速箱輸出的瞬時功率等于瞬時扭矩與曲柄角速度之積[1]，即

對該公式進行變換，則可以得到

但是，實際礦場上我們只能利用現場測試手段得到的是電動機的輸入功率曲線，而不是減速箱輸出軸功率曲線，目前想要直接測得減速箱輸出軸功率曲線幾乎是不可能的。那么只能利用電動機輸入功率曲線得到減速箱輸出軸的功率曲線。

2 計算實例

如某井，該井沖速為6.72 min-1，由此計算該井曲柄旋轉角速度為0.703

將該數據代入測得的功率曲線數據，并制圖得出功率曲線和減速箱輸出軸扭矩曲線，見圖1。

圖1 功率與減速箱輸出軸扭矩曲線

3 分析

3.1 電動機—減速箱輸出軸的傳動效率組成

從電動機到減速箱輸出軸，主要有以下幾個傳動節點：①電動機到電動機輸出軸，它的傳動效率是指電機的工作效率；②從電動機輸出軸到減速箱輸入軸，它的傳動效率主要是指皮帶的傳動效率；③從減速箱輸入軸到減速箱輸出軸，它的傳動效率主要是減速箱的傳動效率。

3.2 各節點傳動效率分析

3.2.1 電動機的工作效率

目前，油田常用的抽油機電動機是Y系列鼠籠式電動機，根據相關文獻介紹[2]，目前油田常用的電動機（8極電動機，功率22～75 kW）額定工作效率為90%～92%。

一般電動機在輸出功率為(60%～100%)額定功率條件下工作時，其效率接近于額定效率，約90%左右，即電動機損耗約占10%。

對于電動機而言，在接近額定負荷時，其最大效率通常達到91%。

3.2.2 皮帶的傳動效率

皮帶傳動的特點：由于皮帶具有良好的彈性，因此能緩和沖擊，吸收振動，尤其是三角膠帶，無接頭，工作平穩、噪音小，但工作中有彈性滑動，因此瞬時傳動比不精確；過載時，皮帶在輪面上打滑，可防止其他零件損壞，起保護作用，但傳動效率較低，三角帶傳動效率一般情況下為0.9～0.92；適用兩軸中心距較大的場合；結構簡單，維護方便，但外形尺寸大，不緊湊。

皮帶傳動過程中，當小于極限負荷時傳動效率都很高，只有超過極限負荷時，傳動效率開始下降。通常情況下皮帶傳動的效率為92%。

3.2.3 減速箱傳動效率

減速箱傳動由齒輪傳動和軸承傳動組成。

齒輪傳動具有工作可靠、傳動比精確、傳動效率高（0.92～0.99）、結構緊湊、適用功率和速度范圍廣等優點。通常情況下，齒輪傳動效率可達到96%以上。

軸的主要功用是支承轉動零件和傳遞動力，對于減速箱中的軸而言，它既承受彎矩，又承受轉矩，通常情況下每組軸承的傳動效率99%以上。對于抽油機減速箱而言，三組軸承的傳動效率為97.03%。

通過上述分析，從電動機到減速箱輸出軸總體的最大傳動效率為0.78。

3.3 誤差分析

3.3.1 電動機部分

抽油機電動機的負荷變化十分劇烈且頻繁。在抽油機的每一沖程中，電動機的輸出功率都將出現兩次瞬時功率極大值和兩次瞬時功率極小值。其瞬時功率極大值可能超過額定功率，而極小值一般為負功率，即電動機不僅不輸出功率，反而由抽油機拖動而發電。因此電動機的輸出功率的變化遠遠超出了(60%～100%)額定功率的范圍，特別是當抽油機平衡不良時，其電動機甚至可能在(-20%～180%)額定功率的范圍內變化，這時電動機的效率降低，損耗增大。

對于平衡良好的抽油機，當抽油機懸點負荷最大時，電動機消耗功率也會最大，其最大功率基本在電動機的額定狀態附近。通過部分電動機效率的試驗數據分析，當其在接近額定負荷時，工作效率最高。

這個過程發生在上沖程，當電動機出現這一峰值后，其余時間的工作效率都比較低，通常在75%～91%之間。

3.3.2 皮帶傳動部分

當皮帶安裝符合安裝要求的條件下，皮帶傳動效率的變化并不大，即：當小于極限負荷時傳動效率都很高，只有超過極限負荷時，傳動效率開始下降。對于抽油機井而言，這一時刻主要出現在抽油機啟動過程和極不平衡的過程，對于大多數的抽油機井而言，它的傳動效率通常可以保證在較高的水平，因此，皮帶傳動效率92%是比較符合實際的，對整個系統效率的影響并不大。

3.3.3 減速箱傳動部分

由于這一部分的傳動只要保證較好的潤滑，其傳動效率基本可以保持一個比較恒定的水平，因而這一部分對其影響并不大。

通過上述分析，傳動效率變化最大的是電機部位，因而解決這一部位傳動效率的計算是最為關鍵的。

4 認識

（1）利用功率曲線計算抽油機減速箱輸出軸扭矩，對最大扭矩計算產生的誤差不大，對電動機功率較低點的計算值偏高。

（2）如需取得更加準確的計算結果，需對電動機進行模型試驗或以已取得的模型試驗數據為基礎進行計算。

（3）應用該方法，可利用測試數據中的峰值功率計算抽油機減速箱輸出軸最大扭矩，以檢驗抽油機井是否超扭矩。

[1]張琪,采油工程原理與設計[M].北京:中國石油大學出版社,2000.

[2]邵海忠.最新實用電工手冊[M].北京:化學工業出版社,2000.

10.3969/j.issn.2095-1493.2011.02.006

2011-01-18）

朱榮杰，2005年畢業于中國石油大學，高級工程師，從事機械采油節能技術管理工作，E-mail：Zhurongjie@petrochina.com.cn，地址：大慶市薩爾圖區中七路114號，163001。