節(jié)能型游梁式抽油機(jī)自平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)

董明皓，石成江，李維軍

（遼寧石油化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001）

節(jié)能型游梁式抽油機(jī)自平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)

董明皓，石成江，李維軍

（遼寧石油化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001）

目前，常規(guī)游梁式抽油機(jī)平衡調(diào)節(jié)方式存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率和調(diào)整精度低、安全性差等問(wèn)題。因此，研究抽油機(jī)的自平衡系統(tǒng)有重要意義。該裝置由機(jī)械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)組成，機(jī)械系統(tǒng)是指加在游梁上的一個(gè)可移動(dòng)的平衡塊，由絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)移動(dòng)平衡塊，從而達(dá)到調(diào)節(jié)平衡的目的；電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要目的是檢測(cè)平衡度、判斷抽油機(jī)是否平衡和控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)等。由于抽油機(jī)每年耗電量巨大，研究此系統(tǒng)是為了達(dá)到節(jié)能的目的

自平衡； 平衡度； 機(jī)械系統(tǒng)； 電氣系統(tǒng)

抽油機(jī)是一種通過(guò)加壓方法使石油從地下舉升到地面的石油設(shè)備，人們通常稱(chēng)之為“磕頭機(jī)”。在油田的開(kāi)采作業(yè)中，采油裝置超過(guò)一半的都是常規(guī)游梁式抽油機(jī)，游梁式抽油機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、可靠耐用的優(yōu)點(diǎn)。一般游梁式抽油機(jī)不具備隨著油井工況自動(dòng)調(diào)整平衡度和沖次的功能，而人為調(diào)控操作難度大、強(qiáng)度大，且人為操作過(guò)程中，主觀因素會(huì)對(duì)調(diào)節(jié)的精度產(chǎn)生較大影響。當(dāng)抽油機(jī)處在不平衡的狀態(tài)時(shí)候，系統(tǒng)的整體效率會(huì)降低，能耗增大，還會(huì)縮短減速器和電動(dòng)機(jī)的使用壽命，因此，研制新型智能抽油機(jī)成為現(xiàn)代抽油機(jī)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

1 關(guān)于抽油機(jī)的研究現(xiàn)狀

1.1 抽油機(jī)的分類(lèi)

抽油機(jī)主要有游梁式抽油機(jī)與無(wú)游梁式抽油機(jī)。其中游梁式抽油機(jī)可分為常規(guī)型和適應(yīng)型、節(jié)能型和自動(dòng)型；無(wú)游梁式抽油機(jī)可分為低矮型和滾筒型、長(zhǎng)沖程型和短沖程型[1]。 目前，最新的節(jié)能型抽油機(jī)有雙驢頭式抽油機(jī)、偏輪游梁抽油機(jī)、復(fù)合偏置抽油機(jī)、擺桿式游梁抽油機(jī)等(圖 1)[2]。

圖1 常規(guī)游梁式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1The conventional beampumping unit structure diagram

1.2 游梁式抽油機(jī)的節(jié)能機(jī)理

常規(guī)的游梁式抽油機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、可靠耐用的優(yōu)點(diǎn)，在采油機(jī)械中占有非常重要的地位，但游梁式抽油機(jī)本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)又導(dǎo)致了其平衡效果差，平衡只在幾個(gè)位置能到達(dá)較好效果[3]。從而引起曲柄凈扭矩大，存在負(fù)扭矩，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率低下，用電量大等缺點(diǎn)，抽油機(jī)的耗電量占采油成本很大的比例[4]。

怎么樣才能解決游梁式抽油機(jī)節(jié)能問(wèn)題？按能量的消耗可以把抽油機(jī)系統(tǒng)分成四大部分：電動(dòng)控制系統(tǒng)、四連桿機(jī)構(gòu)、平衡系統(tǒng)、拖動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)。從這四部分入手，就可以找到游梁式抽油機(jī)節(jié)能的關(guān)鍵[5]。

（1）電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)節(jié)能

現(xiàn)實(shí)中，游梁式抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)的輸出功率遠(yuǎn)小于電動(dòng)機(jī)的輸入功率或者額定功率，電動(dòng)機(jī)的實(shí)際負(fù)荷率很低，存在“大馬拉小車(chē)”的工作狀態(tài)，如果能提高負(fù)荷率，也就能降低抽油機(jī)的耗電量，達(dá)到節(jié)能的目的。目前，國(guó)內(nèi)較多的是采用變頻調(diào)控技術(shù)，它根據(jù)抽油機(jī)一個(gè)沖程中懸點(diǎn)速度變化特點(diǎn)，實(shí)時(shí)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能。除此之外，還有采用單獨(dú)的電壓調(diào)節(jié)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能，其原理是：根據(jù)載荷實(shí)際變化情況，實(shí)時(shí)改變電動(dòng)機(jī)的輸入電壓，使電動(dòng)機(jī)實(shí)際輸出功率與載荷相匹配。

（2）四桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)變矩節(jié)能

通過(guò)改變游梁式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)節(jié)能最典型的做法就是分別對(duì)四連桿機(jī)構(gòu)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特性進(jìn)行優(yōu)化改良,改變抽油機(jī)曲柄軸凈扭矩的大小,使其波動(dòng)幅度穩(wěn)定,降低負(fù)扭矩,提高電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率,達(dá)到節(jié)能目的[6]。運(yùn)用變矩原理進(jìn)行改造的典型結(jié)構(gòu)有雙驢頭抽油機(jī)，它是在常規(guī)游梁式抽油機(jī)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，目前已研制出的很多種游梁式抽油機(jī)都是在變矩原理的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造的，但從節(jié)能角度看，雙驢頭抽油機(jī)位于節(jié)能效果好，但應(yīng)用場(chǎng)合嚴(yán)格受限。

（3）改變平衡方式實(shí)現(xiàn)節(jié)能

隨著油田石油開(kāi)采的深入，地層條件會(huì)發(fā)生變化，抽油機(jī)的運(yùn)行就會(huì)處于不平衡狀態(tài)，抽油機(jī)系統(tǒng)不平衡的原因是懸點(diǎn)載荷的變化，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)在上、下沖程中對(duì)外做的正功不相，抽油機(jī)的懸點(diǎn)載荷大小、方向是影響抽油機(jī)能耗的主要因素[7]。游梁式抽油機(jī)的能耗主要用于三方面：抽油機(jī)提升原油所耗的有用功；抽油桿柱提升原油克服摩擦力所做功；消耗于熱損失的功。

游梁式抽油機(jī)平衡方式有：游梁平衡、曲柄平衡、復(fù)合平衡。目前國(guó)內(nèi)采取的最多的一種方式是曲柄平衡，但是曲柄平衡難以達(dá)到良好的平衡效果，因?yàn)檫@種平衡方式轉(zhuǎn)矩大，存在負(fù)扭矩。通常把游梁式抽油機(jī)的游梁平衡和曲柄平衡的結(jié)合稱(chēng)為游梁平衡，游梁平衡部分稱(chēng)之為二次平衡部分，二次平衡技術(shù)通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在游梁的末端或者游梁的某個(gè)位置安裝一個(gè)可調(diào)控質(zhì)量的平衡重（如圖 1所示）。二次平衡裝置可減小減速器曲柄軸峰值扭矩，提高電動(dòng)機(jī)負(fù)載率和效率，降低了能耗。但是這種方式仍然存在著調(diào)節(jié)平衡缺乏依據(jù)、操作困難等問(wèn)題。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)復(fù)合平衡中的二次平衡存在的問(wèn)題，本文提出了一種根據(jù)抽油機(jī)上、下沖程懸點(diǎn)載荷變化情況，實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)安裝在游梁后部的可移動(dòng)的平衡塊位置，達(dá)到最優(yōu)的平衡效果。 抽油機(jī)節(jié)能平衡裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由左右支撐座、絲桿、平衡塊、聯(lián)軸器、伺服電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)底座、控制柜組成。控制器pLC 根據(jù)采集到的上、下沖程懸點(diǎn)載荷值，按一定算法計(jì)算并判斷平衡狀況，發(fā)出指令，控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)聯(lián)軸器、絲杠使平衡塊沿導(dǎo)軌作直線運(yùn)動(dòng)，改變平衡塊位置，實(shí)現(xiàn)載荷的平衡，達(dá)到節(jié)能目的。

圖2 初步設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of mechanical structure model ofpreliminary design1-左支撐座; 2-絲桿; 3-平衡塊; 4-導(dǎo)軌; 5-右支撐座; 6-聯(lián)軸器; 7-伺服電機(jī); 8-電動(dòng)機(jī)底座; 9-平衡裝置底座; 10-游梁后臂; 11-控制柜

在平衡塊移動(dòng)處理上，可以采用兩種方式：一是計(jì)算抽油機(jī)一個(gè)完整沖程的懸點(diǎn)載荷，確定一個(gè)最優(yōu)的平衡塊位置，通過(guò)飼服電機(jī)將平衡塊移動(dòng)到該位置并保持不變；二是根據(jù)懸點(diǎn)載荷變換情況，實(shí)時(shí)計(jì)算并控制平衡塊位置，實(shí)現(xiàn)全沖程的平衡效果最優(yōu)?？梢?jiàn)后一種方式節(jié)能效果優(yōu)于前一種方式，但缺點(diǎn)是要頻繁移動(dòng)平衡塊。

2.2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要目的是檢測(cè)平衡度、判斷抽油機(jī)是否平衡和控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)等。平衡度的測(cè)量是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，傳統(tǒng)的測(cè)量方法有電流法、功率法、均方根扭矩法，這些都是通過(guò)間接測(cè)量平衡度的方法判斷平衡的優(yōu)劣。本文采用測(cè)量懸點(diǎn)載荷方法，在圖1中的懸繩器部分安裝一個(gè)力傳感器，直接測(cè)量抽油機(jī)在上、下沖程中不同位移點(diǎn)的懸點(diǎn)載荷。

除了采集懸點(diǎn)載荷外，還要判斷抽油機(jī)是處于上沖程，還是處于下沖程。為此，可以根據(jù)減速器輸出軸旋轉(zhuǎn)一周完成一個(gè)沖程的關(guān)系，采用位置編碼器來(lái)識(shí)別減速器輸出軸的轉(zhuǎn)角，間接判斷上、下沖程。電氣控制系統(tǒng)根據(jù)采集到的懸點(diǎn)載荷及減速器輸出軸轉(zhuǎn)角，計(jì)算相應(yīng)的平衡度和平衡塊位置。PLC 的作用主要是：與數(shù)據(jù)采集模塊建立通信，完成數(shù)據(jù)采集并完成相應(yīng)計(jì)算；根據(jù)計(jì)算結(jié)果控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使平衡塊移動(dòng)到預(yù)期位置，平衡懸點(diǎn)載荷。電氣控制系統(tǒng)流程如圖3。

圖3 初步設(shè)計(jì)的電氣系統(tǒng)流程圖Fig.3preliminary design of electrical system flow chart

2.3 懸點(diǎn)載荷數(shù)據(jù)的采集與平衡度的計(jì)算

載荷平衡度根據(jù)測(cè)量方法的不同，計(jì)算時(shí)采用的參量是不同的，即采用下沖程與上沖程某種量的比值來(lái)衡量載荷平衡情況。本文采用下沖程平均載荷與上沖程平均載荷的比值大小來(lái)表示載荷平衡狀況，即平衡度。懸點(diǎn)載荷由力采集模塊實(shí)時(shí)采集，采集到的懸點(diǎn)載荷信號(hào)存儲(chǔ)在pLC 中，由pLC 計(jì)算出上、下沖程的平均載荷，再求出平衡度。位置編碼器可識(shí)別減速器輸出軸轉(zhuǎn)角，在 0～1800 轉(zhuǎn)角范圍是抽油機(jī)上沖程階段，在 180～3 600 轉(zhuǎn)角范圍是抽油機(jī)下沖程階段，采用位置編碼器進(jìn)行等間隔角度采集的方法，每隔 1.80 采集一個(gè)載荷信號(hào)，分別在上、下沖程各采集 100 個(gè)載荷信號(hào)。

游梁式抽油機(jī)在平衡度為 100%的時(shí)候，電動(dòng)機(jī)提供的動(dòng)力僅提起一半的液柱重量和克服摩擦力等。平衡度越低，電動(dòng)機(jī)提供的動(dòng)力越大。PLC 會(huì)依據(jù)平衡度的大小作出不同的操作，當(dāng)平衡度值大小在 0.8～1.1之間，抽油機(jī)已經(jīng)是平衡狀態(tài)，平衡塊可以保持不動(dòng)；當(dāng)平衡度值的大小在 0.8 以下時(shí)候，抽油機(jī)處于超越正常的平衡狀態(tài)，平衡塊應(yīng)向著游梁式抽油機(jī)的前臂的方向移動(dòng)，減小平衡力矩；當(dāng)平衡度大于 1.1，抽油機(jī)處于未達(dá)到平衡狀態(tài)，平衡塊應(yīng)向著游梁后臂末端的方向移動(dòng)，增大平衡力矩；PLC 發(fā)出不同的指令來(lái)指導(dǎo)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)或者不轉(zhuǎn)動(dòng)[8]。

3 結(jié)束語(yǔ)

這套自平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用機(jī)電控制技術(shù)，采集懸點(diǎn)載荷，計(jì)算平衡度，用以自動(dòng)檢測(cè)抽油機(jī)的狀態(tài)是否平衡及調(diào)節(jié)游梁平衡塊位置，此套裝置的機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安全可靠，為上沖程節(jié)能型、自平衡抽油機(jī)提供了一種新的方案。

［1］徐中文.抽油機(jī)軟件開(kāi)發(fā)及優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].大慶：大慶石油大學(xué)，2006.

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［7］王劍鋒，徐寶貞.抽油機(jī)電機(jī)節(jié)能手段探究[J].山東工業(yè)技術(shù),2015，21（10）:181-182.

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Design of Self-balancing System for Energy-saving Beampumping Units

DONG Ming-hao, SHI Cheng-jiang, LI Wei-jun
（School of Mechanical Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China）

Nowadays, the conventional beampumping unit balance adjustment method has large labor intensity, low work efficiency and low adjustment accuracy,poor securityproblems. Therefore, the research on self-balancing system ofpumping unit has important significance. The device consists of mechanical system and electrical system, the mechanical system is a movable balance block which is installed on the beam, and the balance block is moved by the rotation of the screw rod so as to achieve thepurpose of regulating the balance; the electrical system can carry out real-time monitoring ofpumping unit balance degree, judging the balance state of thepumping unit and control of the operation of the screw drive motor. Thepower consumption of oilpumping machines isparticularly large every year, this system can achieve thepurpose of energy saving.

Self-balancing; Balance degree；Mechanical system；Electrical system;

TE 933

： A

： 1671-0460（2017）02-0271-03

2016-09-30

董明皓（1991-），男，遼寧省鐵嶺市人，碩士研究生，2014 年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)，研究方向：新型高效節(jié)能石化設(shè)備的研究與開(kāi)發(fā)。E-mail：630428556@qq.com。