游梁抽油機自動平衡裝置的設計探討

梁志波

（大慶油田裝備制造集團，黑龍江 大慶 163411）

0 引言

在油田的開采作用中，采油作業裝置中使用超過一半的是常規游梁式抽油機，隨著開采的深入，地層條件會逐步發生變化，抽油機的運行會處于非平衡狀態，這就需要對其平衡進行調節。目前國內在平衡的調節方式上分為兩種：第一是通過人力對移動曲柄平衡塊或游梁平衡塊進行調節，首先是通過計算得到游梁平衡塊需要增加的數量或需要移動曲柄平衡塊的距離，然后進行平衡調節，但這個過程的工作強度很高且存在較差的安全性，這樣的操作通常效率較低，人為操作過程中的主觀因素會對調節的精度產生較大影響。第二是通過安裝平衡調節裝置來調整，此方法適用于通過調節平衡配重仍然無法達到抽油機平衡的情況，多數情況下的平衡調節裝置只是通過將機械部件安裝在抽油機上來實現。本文主要是針對以上問題進行自動平衡調節裝置的設計。

1 平衡機理分析

在游梁式抽油機工作時，其受到的載荷為交變載荷且具有周期性，承受載荷波動幅度最大的部位發生在電動機，載荷的波動幅度隨著懸點運行速度的變化而加劇，縮短了減速器、電動機和四連桿機構的使用壽命，增加了桿柱的斷脫次數，使抽油桿的工作環境越來越惡劣。因此，需要通過調整抽油機的平衡，減少載荷的波動來保證系統的穩定運行。

2 平衡判別方法

抽油機平衡準則是對其運行狀態是否處于理想平衡的評價，目前在國內使用較多的一個準則是判斷減速器曲柄軸峰值扭矩在懸點上、下沖程的過程中是否相等。減速器曲柄軸扭矩和電機的輸入電流和功率呈正比關系，有著相同的變化規律，而對于該扭矩的測量無法實現，通常采取電參測試進行替代，具有代表性的方法有3 種：電流法、功率法以及扭矩法。

1）電流法。該方法是使電機的峰值在上、下沖程中相等，但在實際操作中通常無法實現，抽油機的平衡狀態可通過電流平衡度來進行評價。電流平衡度為上、下沖程中的電流峰值之比I上/I下，當這個比值處于0.8～1.1 之間時可認為抽油機處于平衡狀態。

2）功率法。功率法的原理與電流法的原理類似，只是判斷上、下沖程過程中消耗的電能是否相等，其平衡度為上、下沖程的平均功率比P下/P上，當這個比值處于0.8～1.1 之間時可認為抽油機處于平衡狀態，否則為不平衡。

3）扭矩法。扭矩法是判斷上、下沖程中的曲柄軸峰值是否相等，曲柄軸的扭矩曲線是在抽油機結構尺寸的基礎上綜合懸點示功圖后計算得到，如果下沖程峰值扭矩與上沖程峰值扭矩之比在0.8～1.1 之間，則可判定抽油機處于平衡狀態。

分析對比上述3 種判別方法可發現，電流法存在著較大的誤差；扭矩法在實用性方面有所欠缺，缺乏設備進行扭矩的直接測試，也無法診斷抽油機的實時平衡情況；功率法是在對影響抽油機平衡的各個因素進行綜合分析后根據理論定義來進行嚴格的計算、推導，在反映抽油機的平衡狀態方面較為真實，該方法具有較強的實用性和簡單的應用，對于抽油機的實時平衡判斷最為合適的方法是功率法。

3 機械系統設計

本文探討的抽油機自動調節裝置的基本原理是力矩平衡，將特定的配重安置在游梁式抽油機的游梁上，該配重在執行機構的作用下移動而改變其在游梁的位置，以此實現抽油機平衡性的調節。電氣系統對反饋信息進行收集后進行運算、判斷，然后通過電氣控制機構來診斷自動平衡和控制平衡調節。該設計主要包括兩個部分：機械系統和電氣控制系統。

該系統的機械部分如圖1 所示。

圖1 機械結構示意圖

從圖1 可以看出，配重的移動通過絲杠的旋轉作用而變為徑向運動，這就使得對配重位置的調節可通過旋轉絲杠來實現。整個系統的重量約為220kg，對游梁平衡抽油機支架進行力學分析后發現，該裝置的增加對抽油機的正常作業不會產生影響。

該系統的組成包括平衡塊1 塊、絲杠1 根、光杠2根、左支撐座和右支撐座。左右支撐座與游梁臂之間的連接是通過螺絲連接，支撐座上有3 個孔，中間孔為絲杠穿孔，用于絲杠的固定，保證其轉動軌跡是繞該孔旋轉，另外2 個孔對稱分布兩側，用于固定光杠，保證平衡塊運動時不隨絲杠轉動而是沿直線運動。絲杠的轉動是通過電動機帶動實現，在左右支撐座的絲杠穿孔內都安裝有軸承，內環與絲杠兩端相連，絲杠一端通過電動機連接器連接到電動機。平衡閥的轉動會受到光杠的限制，絲杠在電動機的帶動下發生轉動后平衡塊的運動軌跡為直線，這就能實現對力矩和力臂的調節來促進抽油機的平衡。

平衡塊的穿孔結構與支撐座穿孔一樣，也是2 個光杠穿孔和1 個絲杠穿孔，其中，絲杠穿孔中鑲嵌了帶螺紋的環形銅套來保證絲杠能在其中轉動，光杠穿孔中鑲嵌的環形銅套為內壁光滑。絲杠、光杠分別穿過支撐座和平衡塊上的絲杠穿孔和光杠穿孔，電動機的作用帶動絲杠轉動，平衡塊在光杠的作用沿直線運動而達到力矩調節的目的。

4 電氣控制系統設計

電氣控制系統用于通過檢測抽油機的平衡度來判別其平衡狀況，再通過控制電動機來實現系統的控制。該系統模塊有PLC 可編程邏輯控制器、功率采集模塊和伺服系統。具體流程圖如圖2 所示。

在該系統中PLC主要是對上下沖程的平均功率進行計算來獲得平衡度，與功率采集模塊的通信。伺服系統是將得到的信息進行反饋執行，控制旋轉來移動配置，使其達到游梁的合適位置。

圖2 電氣控制系統流程圖

4.1 實時監測功率平衡度

監測主要是通過對多個位移點的功率采集后進行平均，首先對上下沖程的平均功率進行計算，獲得下沖程與上沖程中的功率平衡度，即平均功率比。上下沖程的平均功率為50 個位移點的功率平均值。功率采集模塊對位移點功率進行采集，然后傳輸到PLC 后進行存儲，在檢測的位移點達到100 個以后再進行平均功率的計算而獲得平衡度。

4.2 判斷平衡狀況

抽油機的平衡狀態判定是PLC 對平衡度值的檢驗，當該值處于0.8～1.1 之間時說明處于平衡狀態而不需要進行平衡塊的移動；如果小于0.8 則是過平衡狀態，這就需要減小平衡力矩，將平衡塊朝該方向移動；如果值大于1.1 則為欠平衡狀態，需要加大平衡力矩，將平衡塊朝該方向移動。PLC 根據平衡度值的范圍來發出不同的指令，對電動機的轉動情況進行控制。

4.3 控制電動機的運轉

由于抽油機的狀態為過平衡和欠平衡時，調整時電動機需要朝不同的方向轉動，這就使得電動機必須能雙向轉動，游梁上平衡塊的移動速度應盡量放慢來獲得更好的穩定性和安全性，因此要求伺服電動機能正反向寸動且可自由調節轉速。PLC 可編程模塊可通過信號來對伺服系統進行控制，實現高精度、高穩定性、快速響應的系統。

抽油機自動調節裝置能有效地改善調整精度、提升工作效率，也保證了平衡調節的安全。該系統有較高的智能化程度，可對抽油機運行過程中的平衡狀態進行及時有效的調整，降低了抽油機使用過程中的故障率，減輕了電動機的負載，促進抽油機的長久、穩定運行。

［1］王歡，張海峰，岳妍瑛，等.數字化抽油機在安塞油田現場應用與實踐［J］.石油天然氣學報，2014（3）：395-397.

［2］唐俊.抽油機減速器的故障判斷和處理［J］.油氣田地面工程，2014（4）：52-53.