功率曲線法在抽油機平衡率分析中的應用

張海霞

摘 要：抽油機如果在平衡較好的狀態下運轉，不但可以減少抽油機減速箱的最大輸出扭矩，延長設備的使用周期，而且還可以減少設備對電網的最大需量，并且節省電力以及相關耗材費用的支出。較好的抽油機平衡應該是上行所做功和下行所做功趨于一致，平衡差的抽油機兩者的做功差別較大，平衡很差的會在一段時間消耗很多的電力，而另一段時間還要向電網回饋電力，其回饋的電力還會對電網及用電設備造成損害。而目前抽油機平衡率測試方法為上下行電流峰值對比法，但電流并不真正代表拖動電機做功量，因此本文提出了功率法測試評價抽油機平衡率。

關鍵詞：平衡；電流峰值對比法； 功率法

1抽油機的工作特性和電動機倒發電問題

1.1 抽油機的工作特征

以游梁式抽油機工作為例，四連桿機構實現運動的轉換，將電機的旋轉運動轉換為光桿的上下往復直線運動。懸點的運動為周期性的變速運動。在一個抽油循環中，加速度接近余玄規律變化。游梁式抽油機懸點負荷的變化規律可用懸點的示功圖表示。

1.2 抽油機發電情況分析

抽油機在正常運轉中會出現抽油機的運轉速度大于電機對它的驅動速度的情況，這時，抽油機就拖動電機發電。右圖為實測抽油機電功率和功率因數曲線。其中功率為負部分是抽油機拖動電機發電的時間，該井發電時間占24%。從現場實測的數據，抽油機拖動電機發電的情況，最大發電功率可達40kW。由于抽油機上下行不平衡，勢能負扭矩轉換為電機發電能量總效率很低，所以應盡量減少電機發電現象，同時發電頻率、電壓與供電網不同，對電網及其它用電設備產生損害也就在所難免。

2抽油機平衡狀況與功率關系

2.1 理想平衡狀態且供液充足時的功率曲線

抽油機在上行時，懸點主要載荷包括抽桿自重以及液柱載荷，此時抽油機在電機輸出功率以及抽油機配重的勢能作用下將懸點上提。而下行時，懸點主要載荷是抽油桿的自重，電機輸出能量轉化為配重的勢能，此時懸點下行，理想的平衡應該是電機在上行所做的功和下行所做的功一致。因為游梁機是曲柄驅動換向的，所以在理想的平衡狀況下，其功率曲線表現為上行和下行各一條峰值相近的類似于正弦波的曲線，而高原機為鏈條驅動換向，僅在換向的短時間內功率減少，其它時間內功率曲線平坦。

2.2 平衡狀態較差且供液充足時的功率曲線

假定配重不足時，電機在上行時會增加輸出功率，而下行減少輸出功率，導致上下行運行不平穩，同時增加了設備的最大扭矩和設備對電機最大功率的需求當配重超量時，上下行情況會反過來。

2.3嚴重不平衡狀態且供液充足時的功率曲線

在上行電機會輸出更大的功率，而下行時，電機在負載的帶動下還要向電網回饋電力，也就是說要做負功，嚴重的不平衡會極大的增加油井對設備最大扭矩以及電機額定功率的需求。

2.4 平衡良好但供液不足時的功率曲線

假定該井充滿程度為50%，在這種情況下功率曲線上行時的狀態沒有改變，而在下行時，由于懸點不能及時減載，導致下行有一段時間電機做負功，因此在供液不足時間段內的功率曲線不能作為判定抽油機平衡的依據。油井在不平衡且供液不足情況下的分析方法與此同理。

3 目前常用電流表判斷平衡的技術缺點

通常我們判斷抽油機的平衡率是通過測試抽油機上行和下行電流的最大值，再用他們的較小值比較大值來判斷抽油機是否平衡。該比值越接近1 ，平衡效果越好。比如用電流表測試某井上行最大30A，下行最大25A，則該井平衡率是；25/30*100%=83.3%。但實際上我們的電流表只能測試視在電流，而視在電流是由有功電流和無功電流合成的，其中的無功電流與電機的負載關系不大，主要與供電的電壓和頻率以及電機本身的特點有關，而有功電流與負載有著直接的關系，抽油機負荷是周期性的變化，電機的有功電流也在相應的做周期性的變化，在抽油機負荷不平衡，尤其是嚴重不平衡的情況下，電機還要做負功，也就是說此時有功電流為負值，而常規的電流表是測不出反向電流來的。比如某井的無功電流是20A，上行有功電流17A，下行有功電流是8A，僅從功率消耗看，該井的平衡率是8/17*100%=47.058%電流表測得的上行最大電流是：SQRT（20*20+17*17）=26.2A

下行最大電流是：SQRT（20*20+8*8）=21.5A

該井平衡率是：21.5/26.2*100%=82.0%，

由此看來平衡率還是較好的，也是就說無功電流越大，平衡率看起來越好，在這種情況下用電流對比法，是不能準確的評價抽油機的平衡狀況。用電流表測試來判斷抽油機的平衡，因為電流表不能分辨無功電流以及負功電流，所以使用這種方法在一些情況下不能反映出抽油機實際的平衡狀況，使用該方法僅適于使用永磁電機和8、6級等高功率因數的電機且平衡較好的情況。

4 抽油機平衡率功率分析法實例探討

使用功率分析則需要能夠測試功率的儀器，現以威爾泰克SW-10綜合測試儀所測試數據進行分析。分析數據為抽油機在一個運轉周期內的耗電數據，該儀器可以記錄視在電流曲線，功率曲線，功率因數曲線等數據，實際分析僅需要視在電流曲線和功率曲線，電網電壓和頻率波動較小視為恒定。測試時間以抽油機到下死點開始，運轉一周再次到下死點后結束。實例：T109井分析。該井使用的電機型號是Y280S-6，抽油機型號是CYJ12-4.2-73HB。

該井的抽油機在一個運轉周期內電機的三相電流曲線，其中A點為上行時最大電流，其值約為33A，B點為下行最大電流值，其值約為64A，該井平衡率為：33/64=51.56%。從該曲線還可以看出，該井上負荷小，下行負荷大，平衡較差。

該井在一個周期內的功率曲線圖，其中A點為上行最大功率，B點為下行最大功率，用功率曲線來判斷平衡率是：15/38=39.47%。對比：用通常所用的電流法來判斷的平衡率是51.56%，而實際的平衡率是39.47%，差了12.09%，該井還有短時間的做負功。該井使用Y系列45KW6極電動機，功率因數較高為0.86，因此該井的電流從一定程度上可以反映抽油機的平衡狀況。