畢業論文抽油機功率平衡系統的設計系別自動化工程系專業名稱測控技術與儀器班級學號5061025姓名任姍指導教師金偉2010年6月15日抽油機功率平衡系統的設計摘要我國的油田多為低滲透的低能、低產油田，大部分油田要靠注水壓油入井，再靠抽油機把油從地層中提升上來。以水換油、以電換油是我國油田的現實，電費在我國的石油開采中占了很大比例。因此石油行業十分重視節能。在我國石油開采中，機械采油井占絕大多數，其中有桿采油占總機械采油的90以上，所以研究有桿抽油設備的節能對于減少能耗具有重大意義。由于抽油機載荷的不平衡性，使電機大多數情況下處于輕載狀態，電能的利用率低，能耗增加，因此抽油機的平衡對于節能降耗十分重要。本文詣在通過調整抽油機的平衡提高電能利用率，減少能耗。首先，在有桿抽油系統的結構和工作原理的基礎上，根據抽油機的平衡條件和平衡準則，對油田在役的常規抽油機進行平衡分析和計算。然后，在對游梁式抽油機進行動力學分析的基礎上，根據機械系統的力學原理，將整個系統簡化為一個等效動力學模型，分析扭矩變化情況。當抽油機的改變平衡點時，可在扭矩變化的基礎上重新調整抽油機的平衡。最后，組建了一個監測抽油機運行情況的系統，該系統以捷尼特為核心器件，可以監測抽油機的電流、電壓、功率因數、功率等參數，根據測得參數可以查看抽油機的工作狀態，當抽油機的工作狀態不平衡時，可以根據上述的扭矩變化情況來重新調整它的平衡。整個設計的核心是平衡的計算，在不增加成本的基礎上，通過調整平衡塊的質量和半徑，使抽油機處于平衡狀態，實現了節能增效。因此，本成果對調整抽油機平衡有很強的實際意義，成本不變的同時增加了其可行性。關鍵詞抽油機，平衡，功率，扭矩THEDESIGNOFPUMPINGUNITPOWERBALANCESYSTEMAUTHORRENSHANTUTORJINWEIABSTRACTTHEOILFIELDSINOURCOUNTRYARELOWPRESSANDLOWYIELDINGINMOSTCASES,THEOILENTERSINTOTHEWELLUNDERTHEPRESSPRODUCEDBYWATER,ANDTHENELEVATEDFROMTHESTRATUMUPTOTHEGROUNDTHEREALITYOFCHINASOILFIELDSISTHATWEOBTAINOILPRODUCTIONBYMEANSOFINJECTINGWATERANDCONSUMINGALOTOFELECTRICITY,SOELECTRICITYFEETAKESALARGEPROPORTIONSOTHEOILINDUSTRYATTACHESGREATIMPORTANCETOENERGYCONSERVATIONINTHEPETROLEUMEXPLOITATIONOFCHINA,THEOVERWHELMINGMAJORITYOFOILPRODUCTIONWELLSISMECHANICALTHEQUANTITYOFRODHAVINGPUMPUNITISOVEROVERNINETYPERCENTOFTHEWHOLEQUANTITYOFTHEEQUIPMENTSOFOILEXTRACTIONINOILFIELDTHEREFORETHESTUDYOFPUMPINGEQUIPMENTTOREDUCEENERGYCONSUMPTIONPLAYSANIMPORTANTROLEASTHEPUMPINGLOADISOUTOFBALANCE,INMOSTCASESTHEMOTORISINLIGHTLOADCONDITION,SOITISOFLOWEREFFICIENCYANDHIGHERELECTRICITYCONSUMPTIONRATETHEBALANCEOFPUMPINGUNITSISVERYIMPORTANTFORENERGYSAVINGTHISARTICLEISAIMEDATINCREASINGTHEPUMPINGPOWERUTILIZATIONRATEANDREDUCINGENERGYCONSUMPTIONTHROUGHTHEADJUSTMENTOFTHEPUMPINGUNITSFIRSTOFALL,ONTHEBASISOFRODHAVINGPUMPSYSTEMSSTRUCTUREANDWORKINGPRINCIPLEWECOMPLETETHEBALANCEOFTHECONVENTIONALPUMPINGANALYSISANDCALCULATIONACCORDINGTOTHEBALANCECONDITIONSANDBALANCESTANDARDTHEN,WESIMPLIFYTHEWHOLESYSTEMASANEQUIVALENTDYNAMICMODELTOANALYZETHETORQUECHANGESONTHEBASISOFTHEBEAMPUMPINGUNITFORDYNAMICANALYSISANDTHEMECHANICSPRINCIPLEOFMECHANICALSYSTEMWHENTHEPUMPINGUNITCHANGESTHEBALANCEPOINT,WEREADJUSTTHEBALANCEOFPUMPINGUNITSONTHEBASISOFTHETORQUECHANGEFINALLY,WESETUPAMONITORINGSYSTEMPUMPINGOPERATION,THECOREDEVICEOFWHICHISJIENITEANDWECANMONITORTHEPUMPINGUNITOFCURRENT,VOLTAGE,POWERFACTOR,POWERANDOTHERPARAMETERSBYTHESYSTEMBASEDONTHEMEASUREDPARAMETERSWECANOBSERVETHEPUMPINGUNITSWORKINGSTATEWHENTHEWORKINGSTATEISOUTOFBALANCE,WECANREADJUSTITSBALANCEACCORDINGTOTHETORQUECHANGETHECOREOFTHEDESIGNISTHEBALANCECOMPUTATION,ANDWITHOUTADDITIONALCOSTTHEBALANCECANATTAINBYADJUSTINGTHEDISTANCEFROMTHECRANKPINTOTHEBALANCEBLOCKSTHENWEACHIEVETHEGOALTHUS,THERESULTFORTHEADJUSTMENTSOFTHEPUMPINGUNITBALANCEISOFGREATPRACTICALSIGNIFICANCEWITHCOSTSUNCHANGEDANDITSFEASIBILITYINCREASEDKEYWORDSPUMPINGUNIT,BALANCE，POWER,TORQUE目錄1緒論111抽油技術的工業背景及發展112調節抽油機功率平衡的意義413國內外抽油機功率平衡研究現狀514本文設計的目的及方法72基于工作原理的功率平衡方法821游梁式抽油機8211游梁式抽油機的結構8212游梁式抽油機工作原理822無游梁式抽油機9221無游梁抽油機的結構9222無游梁式抽油機工作原理1023平衡調節方式113抽油機的平衡分析與計算1431抽油機平衡準則1432抽油機靜態平衡分析計算1633游梁式抽油機扭矩平衡分析計算1834抽油機曲柄平衡的調節214抽油機功率平衡的調節系統2341數據采集系統硬件簡介24411MICROLOGIX1100簡介24412捷尼特簡介2542系統軟件簡介27421RSLOGIX500編程軟件27422RSLINXCLASSIC28423GRIDVIS軟件簡介28424MSG指令簡介30425數據采集編程實現3243功率平衡調節實例32結論35致謝36參考文獻37附錄39附錄A39附錄B53附錄C541緒論11抽油技術的工業背景及發展隨著人類對石油研究的不斷深入，到了21世紀，石油不僅成為現代社會最重要的能源，而且其五花八門的產品已經深入列人們生活的各個角落，所以，石油被人們稱為“黑色的金子”、“現代工業的血液”，極大地推動了人類現代文明的進程2。采油方法有自噴采油方法和人工舉升采油方法兩種。自噴采油法的特點是利用地層本身的能量來舉升原油，是最經濟的采油方法。但是隨著油田的不斷開發，地層能量逐漸消耗，即使在注水開發的油田，它的中后期也出現了水淹和強水淹的現象。為了保證原油穩產、高產，這些油田就不能用自噴法開采。同時，由于油層的地質特點，有一些油井一開始就不能自噴對于上述這些不能自噴的油井，就必須人為地用機械設備給油井內液體補充能量，才能將原油從井內舉升到地面，這種開采方法稱為人工舉升采油3。在我國大部分原油開采過程是采用人工舉升法，抽油技術也逐漸得到發展。國內外應用最廣泛的抽油設備是游梁式抽油機，或稱作有桿抽油設備。它的結構簡單、制造容易、可靠性高、耐久性好、維護方便，適應現場工況條件等優點，所以長期使用，經久不衰，在石油機械中占有無可取代的地位。在今后相當長的一段時間內將具有強大的生命力和廣闊的發展前景4，在該種抽油機中最常用平衡方式是機械平衡。隨著井深和產量的不斷增加，同時隨著油井開采復雜條件經常出現如高粘、多蠟、多砂、多氣、水淹和強腐蝕性等條件，采油工藝對有桿抽油設備提出了長沖程、低沖次、大泵、深抽等要求，游梁式抽油機不能滿足要求。首先，游梁式抽油機減速箱輸出軸扭矩與沖程長度成正比，加大沖程，抽油機外形尺寸增大，換大扭矩減速箱，都造成整機重量急劇增加，制造成本上升，經濟上不能接受；其次，游梁式抽油機四連桿機構，決定了驢頭運動的不均勻性，懸點產生較大的加速度，為了避免加速度過大，四連稈機構的游梁擺角和曲柄連桿比都不能過大。當增加沖程長度時，四連桿機構尺寸也隨之加大，整機輪廓尺小和至量顯著增加，當沖程超過6M時，抽油機體積和重量增長將成為推廣應用的致命障礙5。為了減輕抽油機的重量，采用無游梁式抽油機。它分為機械式無游梁抽油機和液壓式無游梁抽油機即液壓式抽油機兩種6。它們的共同特點是保留了抽油桿，維持有桿抽油設備的工作方式。無游梁抽油機，特別是液壓式抽油機的采用，可以降低抽油桿柱中的應力和改善它的工作條件，因而擴大了有桿抽油設備的使用范圍。目前采用了幾種不同類型的無游梁式抽油機機械式無游梁抽油機包括鏈條式和曲柄連桿式；液壓式抽油機包括用油管柱做平衡重的液壓是抽油機；鋼繩式長沖程抽油機等。為了減少抽油桿事故和克服抽油泵排量降低的缺點，徹底改變有桿抽油設備的工作方式，近年來，大力發展了無桿抽油設備。無桿抽油設備的特點是取消抽油桿，把發動機移到井下，直接帶動抽油泵抽油。目前，廣泛應用無桿抽油設備有水力活塞泵和點動潛油離心泵；正在小規模推廣的有電動潛油單螺桿泵和射流泵。無桿抽油設備的主機組要放到井下去，即放到套管柱中去，所以它們的外徑受到套管內徑的限制，直徑要小；同時為了從很深的油井中抽出一定產量的原油，所有長度要大。因此，外徑尺寸的細長是無桿抽油設備共同的結構特點。此外，位于井下的主要機組，它所抽汲的是多相混合液，每一相都對無桿抽油設備的特性產生不同的影響。由于主要機組在井下，他們的起下涉及到繁重的修井工作，所以對它們的工作可靠行和使用壽命要求更高。總之，結構細長，輸液上的多相和使用上的耐久，這三個特點是無桿抽油設備的特點。一百多年以來，隨著采油設備技術研究的深入，設計和制造水平的提高，抽油機在最初的雛形上得到了長足的發展，其技術發明有數百種7。縱觀全局，抽油機的發展趨勢是81朝著大型化方向發展隨著世界油氣資源的不斷開發,開采油層深度逐年增加,石油含水量也在不斷增多,采用大泵提液采油工藝和開采稠油等,都要求采用大型抽油機。2朝著低能耗方向發展為了減少能耗,提高采油經濟效益,近年來國外研制與應用了許多節能型抽油機，例如異相型抽油機節電1535，前置式抽油機節電3618。3朝著高適應性方向發展現代抽油機應具有較高的適應性,以便拓寬使用范圍。例如適應各種自然地理和地質構造條件抽油的需要，適應各種成分石油抽汲的需要。4朝著精確平衡方向發展近年來國外很重視改進和提高抽油機的平衡效果,使抽油機得到更精確平衡。5朝著長沖程無游梁抽油機方向發展9近年來國外研制與應用了多種類型長沖程抽油機,其中包括增大沖程游梁抽油機、增大沖程無游梁抽油機和長沖程無游梁抽油機。6朝著自動化和智能化方向發展近年來抽油機技術發展的顯著標志是自動化和智能化10。美國BAKER提升系統公司、DELTAX公司、APS公司等均研制了自動化抽油機,具有保護和報警功能,實時測得油井運行參數,及時顯示與記錄并通過計算機進行綜合計算分析,推出最優工況參數,進一步指導抽油機以最優工況抽油。總而言之，抽油機將朝著節能降耗并具有自動化，智能化，長沖程，大載荷，精確平衡等方向發展。12調節抽油機功率平衡的意義我國的油田多為低滲透的低能、低產油田，不像中東的油田那樣具有很強的自噴能力，大部分油田要靠注水壓油入井，再靠抽油機把油從地層中提升上來11。以水換油、以電換油是我國油田的現實，電費在我國的石油開采成本中占了很大比例。因此，石油行業十分重視節約電能。保持抽油機的較高平衡度，可以達到較好的節能。根據在水力模型井上進行的實驗數據，繪出了如圖11所示的曲線。從曲線可以看出，平衡度為80100時耗能最低，且欠平衡較過平衡省電12。這樣調節抽油機的平衡就很重要了，不僅可以節省電資源，也可以使抽油機壽命更長。實耗功率KW平衡度圖11抽油機平衡度與耗能的關系曲線在我國的石油開采中，機械采油井占絕大多數，其中有桿采油有桿抽油井占總機械采油的90以上。全國產油量70以上靠有桿抽油機來完成。其能耗已占油田能耗的三分之一。全國每年耗電約四十二億人民幣。由于各油田每年要有幾千口新井投入生產，連同原有設備更新，每年要新增幾千臺抽油機。抽油機在我國石油開采有重要的地位13。游梁式抽油機在整個工作循環內負載是不均勻的。從凈載來說，上沖程是需提起抽油桿和油柱，這是電機要付出很大能量，到下沖程是抽油桿依靠自重就可以下落，不需電動機付出能量，反而對電機做功，使電機處于發電機狀態，因此，電機在上下沖程的載荷是非常不均勻的，而懸點的運動速度和加速度又加劇了這種不均勻性，載荷的不均勻性嚴重的影響了四連桿機構，減速器和電機的壽命14。抽油機的平衡正是在這種基礎上提出來的，主要有以下兩個重要意義。1提高電網質量，減小對電網影響。這主要集中在供電企業對電網質量要求較高的場合，為避免電網質量的下降，其主要目的就是減小抽油機工作過程對電網的影響。2節能。油田抽油機為克服大的起動轉矩，采用的電動機遠遠大于實際所需功率，工作時電動機利用率一般為2030，最高不會超過50，電動機常處于輕載狀態，造成資源浪費。13國內外抽油機功率平衡研究現狀人們已普遍認為游梁式抽油機工作效率不高的主要原因是其載荷特性與其所用的普通三相異步電動機的工作特性不匹配15。因為抽油機懸點載荷在減速器曲柄軸上的扭矩曲線與曲柄平衡的正弦曲線不吻合,使得曲柄軸上的凈扭矩曲線波動很大,甚至出現負值。而普通三相異步電動機所輸出的轉速和扭矩基本上是恒定不變的,這樣就造成了游梁式抽油機長期的工作效率低、耗能高的客觀存在，因此國內外對于抽油機節能的研究十分重視，節能的核心是使抽油機工作在平衡狀態，調節抽油機的平衡主要包括幾下幾個方面16。1改進抽油機的結構主要是通過對抽油機四桿機構的優化設計來改變抽油機曲柄軸凈扭矩曲線的形狀和大小,使其波動變得平坦,減少負扭矩的存在。從而減小抽油機的周期載荷系數,提高電動機的工作效率,達到抽油機節能的目的。比如異相曲柄平衡抽油機的推廣應用和二次平衡方式的出現就是對抽油機結構優化設計和改進的結果。異相曲柄平衡抽油機就是通過改變上、下沖程時間的比例和曲柄平衡的相位角,使曲柄軸的凈扭矩曲線變得平坦并降低了峰值扭矩。2改變動力機的工作特性由于抽油機的負載是周期性的，波動范圍大，并且要求啟動轉矩大，故在運行過程中經常是“大馬拉小車”，使電機處于輕載狀態，造成電機效率低，耗能大，故改變它的工作特性也就十分重要了。改變動力機工作特性的主要辦法是用高轉差率電動機和超高轉差率電動機代替常規轉差率電動機。它們的主要特點是啟動扭矩大,其輸出轉速隨著承受扭矩的變化而有較大范圍的變化,能有效地適應游梁式抽油機的載荷特性,對波動很大的承載扭矩具有良好的動能均衡作用,能較大幅度地降低曲柄軸最大扭矩和扭矩變化范圍,同時也改善了抽油機系統的受力狀況。3調整抽油機的平衡。游梁式抽油機在整個工作循環內載荷是不均勻的，因此，電動機在上、下沖程的載荷是非常不均勻的，而懸點運動速度和加速度的變化有加劇了這種不均勻性，載荷的不均勻性影響了電能的利用率，使耗能增加，因此合理的解決平衡問題，使能量充分利用達到節能的目的。平衡方式主要有機械平衡和氣動平衡。氣動平衡主要是前置式抽油機。4推廣使用無游梁抽油機游梁式有桿抽油機具有結構簡單,使用、維護方便,可靠性高等優點。但是,在開采稠油、高凝油、深層油、特別是高含水油田時,使用常規游梁式抽油機已無法實現更經濟、有效地開采。對游梁式抽油機進行增大行程的改進設計時,存在著造價高,外形尺寸大,使用中消耗功率多等問題。按照采油工藝的要求,國內外都在研制長沖程,大載荷,低沖次,高效節能的抽油機8。其中鏈條抽油機具有結構簡單,質量輕,耗能少,沖次低,沖程長,懸點加速度變化小,慣性載荷小,運行平穩,減速器額定扭矩小和易于安裝等特點,因此得到了普遍發展。5采用變頻調速技術在油井開采前期儲油量大，供液足，為提高功效可采用工頻運行，保證較高產油量；在中后期，由于石油儲量減少，易造成供液不足，電動機若仍工頻運行，勢必浪費電能，造成不必要損耗，這時須考慮實際工作情況，適當降低電動機轉速，減少沖程，有效提高充盈率。使用變頻器可以提高油井的產量和泵效，根據油井的實際供液能力，動態調整抽取速度，節約了電能又增加了原油產量；提高了電動機的功率因數；真正實現了電動機的軟啟動，對電網無沖擊；操作方便，不需停產即可任意調節速。14本文設計的目的及方法經過實際考察發現大多數在役抽油機都存在不平衡的問題，長期以來人們都在不斷調整抽油機平衡，但實際效果并不理想。抽油機的不平衡使能耗增加，電能的利用率下降。上述調節平衡的方式中，通過調節平衡塊的質量和位置的方式，無需增加成本，容易實現，增大了其可行性。本文通過分析電機的功率和抽油機的扭矩，調整平衡塊質量與位置，使上下沖程中電動機的功率平衡，充分利用電機所提供的動能，減少耗電量，提高抽油機的效率。1通過深入的學習和調研，知道了目前最常用的判斷抽油機不平衡的方法是根據電流，用鉗式電流表測量電機電流，根據電流的比值來確定抽油機是否工作在平衡狀態。但由于電流沒有方向，而電動機可能會工作在發電機狀態，故根據電流值得到的結論并不真實。基于以上原因，本文提出了平衡準則，根據在上下沖程中電動機所做的功相同，來調節平衡塊的位置。2在功率平衡的基礎上，提出了抽油機扭矩平衡，計算抽油機在工作過程中的扭矩，用抽油機的出廠參數和現場的示功圖，繪制抽油機的扭矩曲線，根據扭矩峰值來判斷抽油機的工作狀態，并在此基礎上給出了應用扭矩峰值來進一步調節抽油機的平衡的計算公式，對于實際生產具有知道意義。3在完成上述理論分析后，用羅克韋爾公司的MICROLOGIX1100控制器和捷尼特UMG103設計了一套在線測量抽油機的各項參數，為抽油機平衡的調節提供數據。這樣，本設計提供以調節電動機在上下沖程中功率平衡的方法來調節抽油機平衡，根據監測系統采集的數據，計算其扭矩峰值來進一步調整抽油機的平衡。在實際中簡單易行，并不需要增加成本，增大了其可行性。2基于工作原理的功率平衡方法21游梁式抽油機211游梁式抽油機的結構該系統由三個部分組成15一是地面部分游梁式抽油機，它是有電動機、減速箱和四連桿機構包括曲柄、連桿和游梁等組成；二是井下部分抽油泵包括吸入閥、泵筒、柱塞和排出閥等，它懸掛在套管中油管的下端，可分為桿式泵和管式泵；三是聯接地面抽油機和井下抽油泵的中間部分抽油桿柱，它是由一種或幾種直徑的抽油桿和接箍組成。如圖21。1電動機2減速器3四連桿機構4抽油桿柱5油管6套管7抽油泵8游動閥9固定閥圖21游梁式抽油機裝置簡圖212游梁式抽油機工作原理電動機將電能轉化為旋轉運動，再經過減速箱兩次減速后，利用四連桿機構將旋轉運動轉變為直線往復運動，通過驢頭、懸繩器、光桿、抽油桿帶動深井泵抽油。運動形式的轉換過程如下當曲柄作旋轉運動時，驢頭弧面以中軸承為圓心，以前臂長為半徑的圓弧，而且懸繩器又是用毛辮子與驢頭軟連接，因此其切點運動規律是垂直直線往復運動16。抽油泵是抽油系統井下設備，主要由工作筒外筒和襯套、柱塞及游動閥排出閥和固定閥吸入閥組成，其上、下沖程過程見圖22。上沖程下沖程1游動閥2柱塞3襯套4固定閥圖22抽油泵工作過程當懸點抽油桿處于上沖程時，抽油桿柱帶動抽油泵活塞上行，抽油泵的游動閥受閥的自重和油管內液柱壓力的作用而關閉，并提升柱塞上部的液體。與此同時柱塞下面的泵筒空間里的壓力降低，當其壓力低于套管壓力時，該空間的液體將頂開油泵固定閥而進入抽油泵活塞上沖程所讓開的泵筒空間；當柱塞下行時，油泵的固定閥靠自重下落而關閉，泵筒內的液體受到壓縮，在柱塞繼續下行過程中，泵內的壓力不斷增高，當泵內壓力增至超過油管內液柱壓力時，將頂開抽油泵的游動閥使泵筒內的液體進入油管內。由于抽油泵柱塞在抽油機的帶動下，連續做上下往復運動，因而抽油泵的固定閥和游動閥也將交替地關閉與打開，完成抽油泵的抽吸工作循環。概括地說上沖程時，將柱塞之上的液體排入輸油管線，將泵外的液體吸入泵內下沖程時，將柱塞之下油泵內的液體吸入柱塞之上的油管內。22無游梁式抽油機221無游梁抽油機的結構無游梁抽油機以其節能、重量輕、易實現長沖程、慣性載荷小等優點得到了發展。目前使用最多的是鏈條式抽油機。鏈條抽油機是我國自行研制的一種結構獨特的無游梁抽油機。其結構如圖23所示由五個系統組成151動力轉動系統，包括電動機、皮帶傳動裝量、減速箱、主動鏈輪、上鏈輪、軌跡鏈條和主軸銷等。2換向系統，即往返架總成，包括往返架、滑套、滑塊和滾輪等。3平衡系統包括平衡鏈平衡鏈條、平衡缸及其柱塞、儲氣包、補氣壓縮機、潤滑油泵及其油氣管線等。4懸重系統，包括天車輪、輪架、鋼絲繩和懸繩器等。5機架底座系統，包括機架、導軌、底座和油底殼等。1底座2電動機3減速箱4光桿5懸繩器6鋼絲繩7天車輪8機架9軌道10上鏈輪11往返架12滑塊13特殊鏈節14軌跡鏈條15主動鏈輪16皮帶輪17柱塞18平衡鏈條19平衡鏈輪20油底殼21平衡缸圖23鏈條抽油機結構示意圖222無游梁式抽油機工作原理鏈條抽油機工作原理是電動機通過減速箱減速后驅動主動鏈輪，帶動主動鏈輪和從動鏈輪之間的軌跡鏈條上下運動。軌跡鏈條上有一個特殊鏈節，其上裝有主軸銷，通過滑套和滑塊帶動往返架沿機架導軌作垂直運動。當軌跡鏈條上的特殊鏈節在鏈輪上作環形運動時，主軸銷帶動滑塊沿滑杠移動，完成往返架的換向動作。繞在天車輪上的鋼絲繩端連在往返架的上部，另一端與懸繩器相連。往返架的垂直往復運動，通道鋼絲繩和懸繩器帶動光桿、抽油桿和深井泵實現抽汲任務。往返架的下部連有平衡鏈條，繞過平衡鏈輪固定在機架上。平衡鏈輪與平衡氣缸中的活塞相連，利用氣體壓縮產生的壓力變化和推力滿足抽油機平衡的需要。23平衡調節方式在我國石油開采中，機械采油占絕大多數，其中有桿采油有桿抽油井占總機械采油的90以上。研究有桿抽油機的平衡對于節約電能具有重要意義。上述中我們介紹了各種抽油機的工作原理，下面我們基于它們的工作原理來調節抽油機的平衡，說明它們的平衡原理，達到節能降耗的目的。一、游梁式抽油機1、機械平衡1、游梁平衡游梁平衡是最簡單的一種平衡方法，就是在游梁的尾端裝設荷重。平衡重位置不可調，大小可調。該種情況下，當沖程次數相當大時，整個系統將發生相當大的動載荷。2、旋轉平衡將荷重加于曲柄的延長部分上，荷重與曲柄軸連為一體，跟曲柄軸一同旋轉。在該種平衡條件下，因為角速度固定，所以轉子的加速度為零，因而轉子的質量對整個系統的動載荷不給予直接影響。法線加速度將產生沿曲柄方向的離心力，該力由曲柄軸的軸承承擔。3、復合平衡若抽油機的平衡，一部分用旋轉平衡，而另一部分用游梁平衡，則這種平衡就稱為復合平衡。這種方法常用于中等載荷的抽油機中。圖24為復合平衡的游梁式抽油機。在游梁尾端和曲柄上都裝了平衡重。在懸點下沖程時，要把這些平衡重從低處抬到高處，就增加了平衡重的位能。為了抬高平衡重，除了依靠抽油桿柱下落所放出的位能外，還要電動機付出部分能量，所以消除了下沖程時電動機反而接受能量的現象。而上沖程時平衡重由高處下落，把下沖程時儲存的位能釋放出來，幫助電動機去提升抽油桿柱和油柱，這就減小了電動機在上沖程時需要給出的能量。如果平衡重選擇得合適，那么就可以使電動機上沖程時給出的能量等于下沖程時給出的能量，也就是電動機在懸點上、下沖程所作的功相等。1剎車裝置2馬達3減速箱皮帶輪4減速箱5動力輸入軸6中間軸7輸出軸8曲柄9連桿10支架11曲柄平衡塊12連桿13橫船軸14橫船15游梁平衡塊16游梁17支架軸18驢頭19懸繩器20底座圖24游梁式抽油機的結構2、氣動平衡該平衡就是把一個裝有活塞的氣缸與抽油機固定在一起。用氣體的可壓縮性，儲存當下沖程時和放出當上沖程時能量，從而使電動機上、下沖程作功相等。在下沖程時，活塞向下對氣體作功，抽油桿下落所放出的位能與電動機給出的能量以氣體的壓能形式貯存起來。到下沖程時，氣體膨脹推動活塞，幫助電動機作功。對于一定的氣缸面積，只要氣缸內的壓力比較合適，同樣可以使電動機上、下沖程作功相等。1電動機2皮帶3減速器4曲柄5連桿6游梁7驢頭8氣動平衡圖25氣動平衡抽油機二、無游梁抽油機鏈條式抽油機的平衡裝置是“液封柱塞氣平衡”。其特點是應用柱塞并在動密封處有密封液。它是一種利用氣體壓縮儲能、膨脹放能的裝置。調整方便，平衡效果好。而游梁抽油機不可能達到理想的平衡，因為游梁式抽油機是利用質量回轉式平衡。為了得到最大平衡切線力，就要有一定重量的平衡塊。曲柄平衡只有曲柄轉角在時，平衡重才能得到充分利用。鏈條式抽油機的鏈條滑道機構的運動特性，32或特別是由于采用“液封柱塞氣平衡”裝置，取得了良好的平衡效果，在調整合理的情況下，鏈條式抽油機的減速器扭矩曲線、電動機的電流曲線幾乎是一條直線，僅在換向段波動一下，這一瞬間的波動也因各旋轉運動件的慣性飛輪作用而得以緩解。鏈條式抽油機的懸點運動大段的工作行程是勻連的，使抽油機避免慣性載荷的作用，這對“三抽”系統的工作狀況極有好處。減速器和電動機的工作是平穩的，而且減速器扭矩和重量成倍下降，可以使用銘牌功率小得多的電動機。可以在懸點的任何位置停機而不必剎車，可以在任何位置啟動電機而沒有困難。氣動平衡可靠、效能高，易于調節。電動機效率高，功率因數高，可以大大地節省電能。由此可見，抽油機的各種平衡的基本原理是一樣的，即下沖程時，以某種方式把抽油桿住所放出的能量和電機給出的能量儲存起來，到上沖程時再放出來幫助電動機作功。3抽油機的平衡分析與計算抽油機在實際生產中存在功率不平衡問題，通過分析知道游梁式抽油機功率不平衡是由于懸點載荷的復雜性，在上沖程中，電機要提起抽油桿和原油，需要付出很大的能量，而在下沖程中，抽油桿靠自重下落，此時，電動機不但不需要付出能量，還會處于發電機狀態，這種情況下，在上下沖程中，電機載荷不同，功率因數低，電能利用率低。為了克服這種情況，在實際生產中抽油機加入平衡塊，在下沖程中存儲能量，在上沖程中釋放能量，保證電動機在上下沖程中做相等的正功。這樣可以提高電能利用率，減少能耗，因此抽油機的平衡對于節能具有重大意義。下面提出了調節抽油機平衡的平衡準則。31抽油機平衡準則準則一、抽油系統中電動機上下沖程做功相等3首先根據電動機上下沖程做功相等這以準則求出下沖程對機械平衡或氣動平衡裝置所對應儲存能量的大小或上沖程時抽油機下落是所釋放的能量的大小。在下沖程中，電機和下沖程懸點載荷一起對平衡重做功，把重物升高儲存位能31WDMA則得到電機在下沖程中做得功為32MDWD在上沖程中平衡重釋放能量，幫助電機懸點做功33UWMUA則得電機在上沖程中做的功為34MUW平衡條件是在下沖程中把能量儲存起來，在上沖程中利用儲存的能量來幫助電動機做功，從而是電動機在上下沖程中都做相等的正功。35MUDA連立上述32、34、35式得到362UDWA由以上知，為了使抽油機平衡，在下沖程中需要儲存的能量或上沖程中需要釋放的能量應該是懸點載荷在上下沖程中所做功之和的一半。當只考慮靜載荷做功時，懸點在上沖程做的功為37URLAWS下沖程做功為38DR由前式得理論上需要的平衡功為3922UDLWRAS如果有抽油機靜力示功圖，可根據示功圖進行計算圖31靜力示功圖31002LRWAS準則二、懸點上下沖程中減速箱曲柄峰值扭矩相等。這一準則多用于運動中抽油機平衡狀態的檢驗和調整。由于電動機的輸入電流和功率與減速箱曲柄扭矩成正比，其變化規律也相同，又因為減速箱輸出軸扭矩難以測量，所以常用電流法和功率法來代替準則二。電流法在抽油機懸點上、下沖程中，電動機的最大工作電流相等。若上沖程最大工作電流大于下沖程最大工作電流，表示抽油機平衡不夠，需加大平衡重的數量或加大曲柄平衡重的平衡半徑；若上沖程最大電流小于下沖程最大電流，表示平衡重過大，即屬于過平衡。在油田實際使用中，一般規定電流平衡度在85以上。功率法功率法與電流法的原理相同。值得說明的是在用電流法檢測抽油機的平衡時應注意假像平衡。因為所測的是電流值沒有正負，可能是電動機作為發電機運行時的電流，而功率法檢驗則可以避免。扭矩法在懸點上、下沖程中，曲柄軸扭矩峰值相等。雖然直接測量減速箱曲柄扭矩比較困難，但根據實測的光桿示功圖及扭矩因數便可較方便的繪出扭矩曲線。在抽油機出廠時，制造廠家已經給出了曲柄每轉時的扭矩因數和相應的光桿位置15TF從下死點算是，以懸點位移占沖程的比例表示即，那么根據實測示功PRCSCSPR圖就能繪出曲柄扭矩曲線。32抽油機靜態平衡分析計算應用準則一進行抽油機平衡的計算，如下圖32所示，計算如下OL游WAQ游R曲R曲Q曲OCRL圖32抽油機簡化分析在下沖程時，驢頭懸點向下走完沖程長度S，游梁支點O左邊的游梁后臂及游梁平衡重都提高，把能量儲存起來。游梁平衡重提高的距離為儲存的能量為，游梁部件自2LALSRC2LRQC游重抬高的距離為,儲存的能量為。曲柄平衡重抬高的距離為，儲存的2LRC游LQ游游R曲能量為，曲柄自重抬高的距離為，儲存的能量為。所以平衡裝置儲存RQ曲曲2R曲2RQ曲曲的能量為0A31102LLARQRRQRC游曲曲游游曲曲上式中實際上是抽油機結構不平衡重的重量，若將其轉化到懸點，就是抽油機Q游結構不平衡重B，其值等于連桿與曲柄銷脫開時，為了保持游梁處于水平位置而需要加在光桿上的力。此力向下時B取正值；向上時取負值，即。LBQA游游則上式簡化為312022LAARQRRC曲曲游曲曲如果利用靜力示功圖進行計算，即將帶入上式02LLRRWASC中，則可得到不同機械平衡方式時的平衡重計算公式。1、對于復合平衡方式31312LRCQWBAQRQRLR游曲曲曲曲或314LRLR曲游曲曲曲31512LRALBRQQRQC曲游曲曲曲對于單獨曲柄平衡31612LRWRQR曲曲曲曲或31712LRWARBRQQC曲曲曲曲對于單獨游梁平衡31812LRAQRL游曲曲33游梁式抽油機扭矩平衡分析計算抽油機工作時，由懸點載荷及平衡重在曲柄軸減速箱輸出鈾上造成的扭矩與電動機輸給曲柄的扭矩相平衡。因此通過懸點載荷及平衡來計算曲柄軸扭矩，不僅可以檢查減速箱是否在超扭矩條件下工作，而且可以用來檢查和計算電動機功率及功率利用情況19。一定型號的抽油機所配減速箱都有允許的最大扭矩。在一定條件下，它即限制著油井生產時所采用的最大抽汲參數，同時又限制這為了保證大參數生產所需要的電動機功率。下面以復復合式抽油機為研究對象，分析其受力情況。圖33圖33復合平衡抽油機受力分析為其結構簡圖。圖中各量如下W懸點載荷，N；曲柄平衡塊重量，N；Q曲曲柄平衡塊重心到曲柄旋轉中心的距離，M；R曲曲柄自重，N；Q曲曲柄重心到曲柄旋轉中心的距離，M；R曲游梁平衡重重量，N；Q游桿桿所受的拉力，N；P連T連桿力在曲柄切向上的分力，沿曲柄旋轉方向為正值，N；連M減速箱曲柄功輸出扭矩，沿曲柄旋轉方向為正值，NMACKJR曲P切P法RTP連PWQ曲L圖33復合平衡抽油機受力分析為了便于分析，將曲柄平衡塊重量及曲柄自重折算至曲柄銷處20，這種折Q曲Q曲算保證折算前后對曲柄旋轉中心的力矩不變，折算后的等效載荷用來表示。0Q3190SINSINSINRRR曲曲曲曲首先取游梁為研究對象，將諸力對游梁旋轉中心取力矩可得連桿力為P連32021COSSINQALLAWCGAPC游游連為游梁平衡重繞游梁支點所產生的慣性力矩為2QLAGCA游321MJ游式中，J游梁平衡質量的慣性矩，；游梁傳動角加速度，2QLG游。AA則連桿力在曲柄切向上的分力T為P連3222SINCOSCQKALATWCGA游游取曲柄為研究對象，為提升油井內的抽油桿柱和油柱，減速箱曲柄軸輸出扭矩M曲柄平衡塊重量與曲柄自重的等效載荷所產生的扭矩共同克服切向力所產生的扭矩，由曲柄平衡條件3230SINMQRT32432520SINCOSSIALLAWRQRCGCA游游3260IISLLQ游上式中的第一項表示懸點載荷P在曲柄上所產生的扭矩，稱為油井負荷扭矩327SINAMRWC式327中的只取決于抽油機的幾何尺寸和曲柄轉角，其意義為單位懸SINARC點載荷在曲柄上所產生的扭矩，將其稱之為扭矩因數，用表示TF328SINATFRC式326中的為曲柄自重及曲柄平衡重在曲柄軸上所產生的扭矩稱之為曲0SINQR柄平衡扭矩，用表示，而則為游梁平衡重在曲柄上產生的扭CMCOSLLATAG游矩，稱為游梁平衡扭矩，用表示，則、為YYMC329C0SINQRMAXSI330YCOLLTFAG游式中為曲柄最大平衡扭矩，即曲柄處于水平位置時和時曲柄自MAXM90O27O重及曲柄平衡重對曲柄所產生的扭矩。由上述簡化后，326式可以寫成331MAXCOSSINLLAWQTFMAG游在上式中未考慮抽油機游梁、驢頭、連桿和橫梁等結構部件的自重。當考慮抽油機本身的結構不平衡性時，式331可以寫成3322MAXCOSSINLLAMQBQTFAG游游式中B抽油機的結構不平衡重，B值可以實測也可以根據抽油機部件的重量計算。在式332中，由于考慮了游梁擺角的影響及游梁平衡重的慣性力矩，因而公式比較復雜。為簡化計算，可忽略上述兩項的影響19計算誤差一般不超過10最大扭矩計算誤差小于5，則可得如下簡化計算公式對復合平衡抽油機333MAXSINLMTFWBQMA游對曲柄平衡抽油機MAXSI334對游梁平衡抽油機335LMTFWBQA游34抽油機曲柄平衡的調節在大多數油田中使用的平衡大多數為曲柄平衡，因此研究曲柄平衡有重大意義。根據得到的扭矩曲線可以計算抽油機的平衡率，上沖程和下沖程最大功率的百分比大于85，則認為是平衡的；反之，認為不平衡。當不平衡時可用扭矩峰值調整曲柄塊平衡半徑為336SINIUDBTRW式中,平衡塊的位移量，M；R上沖程的峰值扭矩，；UTNM下沖程的峰值扭矩，；D平衡塊重，N；BW對應于上沖程中峰值扭矩的曲柄轉角，；U對應于下沖程中峰值扭矩的曲柄轉角，。D由電機功率與扭矩的關系式為3379740TNP式中，電機功率，；PKWN抽油機運轉中的光桿沖數，；/MIN皮帶減速箱的傳動效率，由實際測定。在上沖程中的峰值功率和峰值扭矩分別帶入337中，有3389740UTNP在下沖程中的峰值功率和峰值扭矩分別帶入337中，有3399740D338339得3409740UDUDTNP由340中解出，并帶入336，得UDT341SINIUDBRWN4抽油機功率平衡的調節系統現以大慶油田中井為例。該井抽油機型號為11348HB。抽油參數為泵3109J徑95MM，沖程3米，沖次12次/MIN，泵深11855M，平衡塊重，平衡半徑21730N為15M為了測量抽油機的參數包括電壓、電流、功率等，我們組建了一套實時監測抽油機運行狀態的系統。該系統以捷尼特UMG103為核心，對抽油機的電流、電壓和功率因數等參數，進行檢測，通過MODBUS通信協議與AB公司的MICROLOGIX1100進行通信，對檢測到的數據進行讀取，通過對數據的分析，來確定抽油機的工作狀態。41數據采集系統硬件簡介系統組成如下圖41，其接線圖見附錄B。圖41監測系統411MICROLOGIX1100簡介在本次實驗中，MICROLOGIX1100的主要作用是與捷尼特進行通訊同時收集捷尼特采集上來的抽油機的數據并進行存儲。首先介紹一下MICROLOGIX1100的通訊方式23。MICROLOGIX1100控制器有兩個通訊口，通道0為RS232/485通訊端口，通道1為以太網端口。通道0支持以下通訊協議DH485DF485通訊協議DF1FULLDUPLEXDF1全雙工協議DF1HALFDUPLEXMASTERANDSLAVEDF1半雙工主從協議DF1RADIOMODEMDF1無線調制解調器MODUSMASTERANDSLAVEMODUS主從協議ASCIIASCII通訊協議以太網通訊通道通道1使控制器可以連接到本地網絡傳輸率為10MBPS/100MBPS的各種設備上。由于捷尼特只有MODBUS從通訊方式，需把MICROLOGIX1100組態成MODBUS主通訊方式。故使用通道0，并組態成MODBUS通信協議，用以與捷尼特進行通訊。用通訊口1完成程序的上載和下載。MODBUS是一種半雙工、主從通訊協議。MODBUS網絡主節點讀寫線圈和寄存器。MODBUS協議允許一個主節點與最多247個從節點通訊24。下面對MICROLOGIX1100的通訊組態進行介紹。在RSLOGIX500編程軟件中，選擇CHANNELCONFIGURATION，出現CHANNELCONFIGURATION對話框，如下圖42所示圖42通道組態由于捷尼特只能做從機，于是把CHANNEL0組態成MODBUSRTU主協議，設置通訊速率與奇偶校驗方式。412捷尼特簡介它主要用于測量和計算電氣參量，例如電壓、電流、功率、電功、諧波組成等等，應用于建筑設施、配電屏、開關和總線線槽系統。UMG103可以永久地安裝在控制柜內或小配電箱內，并且可以安裝在任何位置。測量得出的結果將通過RS485接口被讀出。在本設計中它主要用于接收來自電流互感器的電流，及通過電機的三相電壓，用UMG103把進入電機的電流電壓采集上來，同時還可以得到有效功率，無功功率，電壓和，電流和，功率因數等參數。捷尼特UMG103的外觀如下圖43所示圖43捷尼特外觀圖中的RS485接口用來傳送捷尼特采集上來的數據，編碼開關可以設置捷尼特的設備地址，我們選擇了默認地址為1，上面還有兩個LED燈，這兩個指示燈用來反映UMG103的工作狀態，其含義如下表41表41指示燈說明綠燈亮所有的測量電路和電源電壓都位于運行電壓的范圍內之內設備正處于運行之中LED每5分鐘熄滅05秒紅燈綠燈同時亮設備已經準備好但是至少有一個測量電路和電源電壓小于運行電壓范圍綠燈閃亮正在使用RS485接口進行數據傳送紅燈綠燈同時閃亮正在使用RS485接口進行數據傳送，但是傳送存在錯誤紅燈亮設備存在致命性錯誤，設備必須送回生產廠進行查看紅燈閃亮至少一個電流或電壓測量輸入存在過載例如，測量范圍超標紅燈綠燈交替閃亮存在一個固件檢錯驗和錯誤，設備為準備好投入使用，執行一個固件升級另外，GRIDVIS編程軟件可以對UMG103進行設置以及數據的讀取等操作。為了讓UMG103可以和MICRO1100進行通訊，我們首先要用GRIDVIS軟件對UMG103進行設置，具體的操作參見軟件部分。該系統的結構圖如下圖44所示斷路器電流互感器MMICRO10RS23/RS485UMG103MODBUS協議交流380V圖44系統組成框圖42系統軟件簡介421RSLOGIX500編程軟件RSLOGIX500軟件是針對SLC500和MICROLOGIX處理器，以32位WINDOWS操作系統為基礎的梯形圖編程軟件。RSLOGIX500軟件包括1方便靈活的梯形圖編輯器2功能強大的工程校驗器3拖放式編輯功能，用戶能夠在數據文件直接快速移動數據元素4尋址向導可以方便的輸入地址5查詢和替換功能，能夠快速改變特定地址或符號的值6樹形結構工程目錄為點擊式界面，可方便訪問工程目錄內所有文件夾和文件7用戶數據監視功能，能夠獨立顯示數據元素8為監視和顯示過程數據提供趨勢圖和柱狀圖功能應用該軟件對MICROLOGIX1100進行配置和編程，控制數據的采集和保存。422RSLINXCLASSIC用戶程序在SLC500或者MICROLOGIX控制器中運行，就需要采用一些方式建立計算機與控制器的連接，RSLOGIX500的通訊是通過RSLINXCLASSIC這一軟件實現的。根據不同的需要選擇不同的驅動，可選的驅動如圖45所示圖45驅動選擇在本實驗中我們使用通道1進行程序下載程序，故選擇的驅動設備為ETHERNETDEVICES。在設置中輸入MICROLOGIX1100的IP地址，可在組態中可以進行查看，為1921681106。423GRIDVIS軟件簡介使用該軟件，通過捷尼特本身的RS485通訊口對其進行配置，配置完成后，在進行下載時需要注意通訊口的轉換。打開該軟件之后，出現圖46所示對話框。圖46捷尼特配置點擊添加設備，彈出如下圖47對話框圖47設置新增設備設備類型選擇UMG103，連接類型選擇MODBUSRTURS485,通訊端口選擇COM1，波特率設為38400，設備地址選擇1。這些參數的設置一定要和MICRO1100中設置的一致，否則通訊將不成功。進行好配置后，連接測試，如果連接正常，在設備列表中會出現UMG103點擊配置設備，彈出如下圖48對話框圖48完成配置在這里可以對設備進行各種設置。配置完成后，點擊傳送，就會把設置的信息傳送到UMG103中。424MSG指令簡介該指令為輸出指令，用于控制器間的通訊，當梯級條件由假變真時，指令執行一次。該指令用MG文件來記錄指令的執行情況。該文件包含24個子元素，根據所選擇的消息傳遞方式不同，會包含不同的子元素。雙擊SETUPSCREEN，出現如下圖49設置對話框。圖49MSG指令配置THISCONTROLLER在通道組態時把通道0組態成MODBUS通信方式時，MODBUSCOMMAND選項卡就可以進行操作，并出現可以進行的相關的操作。01READCOILSTATUS0XXXX02READINPUTSTATUS1XXXX03READHOLDINGREGISTERS4XXXX04READINPUTREGISTERS3XXXX05WRITESINGLECOIL0XXXX06WRITESINGLEREGISTE