游梁抽油機電動機負載特性分析與調整措施

郭慶云

摘 要：油田生產游梁式抽油機在選配電機時為了起動順利，不影響生產，一般按最大扭矩選配電機，而抽油機起動后正常工作時平均轉矩與最大扭矩相比又較低，所以電機輸入功率僅有額定功率的二分之一。即所謂“大馬拉小車”的情況，而且較低的負載率導致電機偏離經濟運行區，功率因數和效率降低，造成較大的能量損失。本文通過對電動機星與角轉換現場試驗，有效降低了電動機在運行中的負荷率從而降低了電流、節約用電量大大提高機采系統效率和油田開發的經濟效益。

關鍵詞：游梁式抽油機電動機；負載率；星與角轉換；機采效率

前 言

游梁式抽油機是石油工業傳統的采油方式之一，其使用方便、可靠、經濟，是目前采油生產中的主要設備。抽油機的負荷特點決定了抽油機起動時慣性矩較大，電機的負荷是一周期性脈動負荷，并迭加有瞬間的沖擊。電機負荷曲線上有兩個峰值，分別為抽油機上下沖程的“死點”。油田在選配電機時為了起動順利，不影響生產，一般按最大扭矩選配電機，而抽油機起動后正常工作時平均轉矩與最大扭矩相比又較低，所以電機輸入功率僅有額定功率的二分之一。抽油機電機正常運行時負荷率很低，一般在 20%左右，少數負荷率高的也僅為 30%。低負荷率運行造成電機效率低，功率因數低，電能浪費大，機采系統效率低下。通過對電動機的角與星的轉換使電機運行在額定負荷或額定負荷附近，電動機的效率提高，并因之節約了電力消耗，提高油田開發的經濟效益。

1游梁式抽油機負載特性分析

1.1抽油機曲柄軸轉矩計算

游梁抽油機工作要實現平穩、高效，驅動控制單元更好驅動電機，必選首先掌握結構特性。由抽油機的結構可知，游梁抽油機是以曲柄為驅動主要裝置的四杠鏈接設備。對于曲柄連桿，根據力矩平衡公式：

公式中：FT - 曲柄與連桿連接銷處切向力（N）； Wc -曲柄自重（N）； r -曲柄長度（m）；Fp- 連桿上作用力（N）；α- 曲柄連桿間夾角（rad）。游梁結構部分，由力矩平衡條件可得公式：

公式中： P-懸點載荷（N）；a—游梁前臂長度亦即驢頭旋轉半徑（m）；Wb — 游梁自重及游梁配重之和（N）； g—當地重力加速度常數，此處取 9.80m/s；b—游梁后臂長度（m）；θ-游梁與水平面間夾角（rad），以游梁后臂處于水平線以上為正，反之為負；β- 游梁與連桿間夾角（rad）；復合平衡下曲柄輸入轉矩計 Mcom

曲柄平衡下的曲柄輸入轉矩 Mcr計算公式：

1.2 懸點載荷計算

抽油機作用是將經減速器減速之后自主軸輸入的電機旋轉運動轉化為其懸點帶動井下運動部件進行的直線往復運動，作用于懸點處的負載稱懸點載荷，懸點載荷值的大小是體現抽油機性能的主要參數之一。懸點載荷主要是六部分構成：油管內位于柱塞上部的油柱重量、抽油桿自身重量、抽油管外部油柱壓力作用在柱塞、油柱加速度禪城慣性載荷、振動載荷、各部件移動產生的摩擦阻力。前三項為靜載荷，后三項為動載荷。油井若為直井且粘度較低則總懸點載荷很低，最多占4%，計算時對四象限驅動系統性能檢驗，一般只考慮靜載荷和慣性載荷，其他載荷忽略不計。

2 抽油機電機星角轉換節能技術配套選擇

（1）技術思路：在檢泵作業匹配管柱時要從以下方面考慮：A）最節能、提高系統效率。B）立足于現有的機、桿、泵條件。C）追求免修期最長。（2）依據設計程序：通過IPR曲線確定油井油層產液能力，由該曲線確定流壓、產量。（3）由產量確定抽吸參數，由流壓確定泵深。（4）節電：最有效的方法是抽油機和電機的扭矩盡量小。

3 應用實例概況

以某區塊為例：單井產能范圍：10-0.5噸/日，含水率0-90%范圍，原油凝固點30℃左右，屬于稀油。機：抽油機為12型游梁機（含雙驢頭），桿最深可以達到3000m。桿：當泵深大于2200m，選用?25mm玻璃鋼桿和?22mm高強桿兩級組合，玻桿和高強度鋼桿組合，應力均能達到1000MPa，能滿足深抽要求，目的是以減輕驢頭負荷。泵：由?56mm—?38mm訂制的等徑防腐管式泵組成，產量小于5噸/日的井，采用?38mm泵；產量小于10噸/日的井，采用?44mm泵；大于10噸/日的井，采用?56mm泵。

4 負載理論計算

電機：依據上述管柱匹配條件，得到驢頭負荷最大不超過100KN，簡化公式為：抽油機最大扭矩Mmax=0.2s Wmax。Wmax--驢頭最大負荷（N），S—沖程（m）。（1）以上管柱搭配，到驢頭最大扭矩不超過100KN m。（2）抽油機的凈扭矩，也就是平衡塊的重量（平衡率90%以上）不超過20 KN m。（3）通過大小皮帶輪200倍減速電機，需要的凈扭矩不超過100Nm，即使驢頭無負荷的甩翻驢頭過程中，抽油機凈扭矩不超過90 KN m。（4）綜上所述，經過大小皮帶輪的200倍減速電機需要的凈扭矩不超過450Nm。

參考文獻：

[1]周希章等 節電技術與方法 2004.9（100）