熊建華王明才馮恩山徐 強

（1.中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院，山東 東營 257061；2.江蘇油田分公司試采一廠，江蘇 江都 225265；3.江蘇油田分公司，江蘇 揚州 225009）

電動機輸出扭矩在線檢測儀的研制與應(yīng)用

熊建華1，2王明才2馮恩山2徐 強3

（1.中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院，山東 東營 257061；2.江蘇油田分公司試采一廠，江蘇 江都 225265；3.江蘇油田分公司，江蘇 揚州 225009）

如何準(zhǔn)確測試游梁式抽油機井的地面機械效率是一個難以解決的問題，其主要原因是無法現(xiàn)場在線測試電動機效率。通過電動機扭矩在線檢測裝置的研制，可動態(tài)測量出電動機輸出扭矩和轉(zhuǎn)速，方便地計算出電動機輸出功率，包括瞬時功率和平均功率。如果同步測量電動機輸入功率，可方便計算電動機的機械效率，從而解決了測試抽油機井系統(tǒng)效率時無法準(zhǔn)確測試地面效率的問題?，F(xiàn)場應(yīng)用取得了較好的效果，為分析和研究抽油機井系統(tǒng)各節(jié)點的能耗情況、提高機采系統(tǒng)效率提供了重要手段。同時，也為準(zhǔn)確評價電動機壽命和電動機效率提供了重要手段。

抽油機井；電動機扭矩檢測儀；研制；應(yīng)用

游梁式抽油機是油田機械采油中使用最多的設(shè)備之一，而機械采油中所使用的抽油機系統(tǒng)（即機采系統(tǒng)）能耗約占油田能耗的三分之一。所以，提高機采系統(tǒng)效率是降低油田能耗、提高油田開發(fā)效益的主要任務(wù)之一。抽油機井能耗分地面部分和井下部分，井下能耗可通過示功圖測試計算，地面能耗主要是電動機和抽油機。

由于抽油機由四連桿機構(gòu)組成，其運動特性，受油井井下泵上下往復(fù)運動方式的影響，受原油物性、井筒狀況及地面條件的影響，抽油機和電動機所承受的載荷十分復(fù)雜，現(xiàn)場無法直接獲得抽油機功率和電動機功率，也就無法準(zhǔn)確分析和計算地面實際運行效率。因此，有必要研究一種裝置，目的是在線測試地面功率。通過研制的電動機扭矩測試儀，配合油井無線連續(xù)監(jiān)測示功儀，采用應(yīng)變扭矩測試和無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，將所測試的電動機輸出功率和光桿功率通過無線模塊實時同步發(fā)送到掌上電腦，解決了地面系統(tǒng)運行效率的測試難題［1-7］。

1 電動機扭矩檢測儀的結(jié)構(gòu)與原理

電動機運行效率測試是通過測得電機運行的輸入、輸出功率來獲得，可用式（1）計算。輸入功率可利用電能測試儀測得，輸出功率通過電動機輸出扭矩和轉(zhuǎn)速傳感器直接檢測，通過式（2）計算。

式中：η為電機效率，%；P1為電動機輸入功率，kW；P2為電動機輸出功率，kW；T2為電動機輸出扭矩，N·m；n為電動機軸轉(zhuǎn)速，r·min-1。

1.1 在線檢測裝置

扭矩測試裝置主要由特殊皮帶輪、傳力螺絲、彈性體和傳力螺絲組成。其主要工作原理是：彈性體通過脹箍與電動機的輸出軸連接在一起，而皮帶輪通過8個傳力螺桿與彈性體相連，當(dāng)電動機軸旋轉(zhuǎn)時，軸通過漲箍帶動彈性體，再由彈性體上的傳力螺桿帶動皮帶輪旋轉(zhuǎn)。

彈性體的薄盤上貼有扭矩應(yīng)變片，彈性體結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)電動機加載時，強度較低的薄盤將會產(chǎn)生變形，從而帶動扭矩應(yīng)變片產(chǎn)生變形，輸出扭矩變化信號。采用這種測量方式可直接檢測出從軸部傳遞出來的扭力。

1.2 電動機轉(zhuǎn)速檢測

測量轉(zhuǎn)速的方法，是利用重力加速度傳感器來檢測電動機轉(zhuǎn)速，加速度傳感器采用芯片，直接焊接在電路板上。電動機在轉(zhuǎn)動的過程中，截面上的任意一點P（圓心除外），受到重力G和向心力F，從加速度的角度考慮，它受到了恒定的重力加速度g和向心力加速度a，如圖2所示。

若將加速度傳感器放在與軸切面P平行的平面Q上，其受力情況與軸上的點P相同，加速度傳感器可檢測軸切線方向上的加速度。由于向心力加速度的方向垂直于切線，對傳感器的輸出沒有影響，加速度傳感器只檢測重力加速度沿切線方向的分加速度，如圖2所示。其中，θ角為轉(zhuǎn)動過程中傳感器相對于軸中心的圓心角，傳感器檢測到的加速度為：a=g×cos θ,在傳感器隨軸轉(zhuǎn)動一周的過程中，加速度傳感器輸出一個周期的余弦波，檢測該波形的周期，即可計算出軸的轉(zhuǎn)速。

1.3 檢測數(shù)據(jù)處理與傳輸

為了滿足數(shù)據(jù)采集、儲存、傳輸要求，將訊號調(diào)理、時鐘、數(shù)據(jù)儲存、無線模塊及電源管理等基本電路設(shè)計在同一塊電路板上。其主控芯片采用低能耗的MSP430系列，電路板上安裝了64 MB儲存器，并設(shè)有USB接口，擴大了數(shù)據(jù)儲存量，方便了數(shù)據(jù)交換。短距離無線發(fā)射模塊采用CC1000模塊SmartRF技術(shù)。

2 主要技術(shù)參數(shù)

扭矩測量范圍：0～300 N·m，精度：±0.3%；

轉(zhuǎn)速測量范圍：0.5～2 500 r·min-1，精度：±0.1%；

測量方式：在線連續(xù)檢測；

測量圖存儲量：本機存儲器32 MB；

自動保存測量圖的時間間隔：10 min～1個月任意設(shè)置；

通信距離：100～400 m；

通信頻率：ISM頻段430～434 MHz；

工作溫度范圍：-40～85℃；

工作電源：鋰離子電池；

電池滿容量工作時間：45 d；

工作壽命：5 a。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

抽油機電動機扭矩檢測儀現(xiàn)場進行了20井次的應(yīng)用。其中在5口井上進行了30 d連續(xù)檢測。以江蘇油田XQ1-11井為例，該井采用32 mm泵，產(chǎn)液量15.6 m3·d-1，產(chǎn)油量5.7 t·d-1。采用8型抽油機，工作制度為沖程2.5 m、沖次6次，該井系統(tǒng)效率為31%。為了進一步分析抽油系統(tǒng)各節(jié)點的效率，對該井進行了兩點同步測試，分別在懸繩器和電機輸出軸2個部位安裝了無線連續(xù)檢測示功儀、電機扭矩測試儀，連續(xù)檢測了15 d，獲得了電機輸出扭矩相關(guān)數(shù)據(jù)（見表1），電機平均輸出功率為2.64 kW。為了進一步分析抽油機在一個沖程內(nèi)各參數(shù)變化情況，將懸點、電機輸出2個點測得數(shù)據(jù)進行疊加，獲得了抽油機在一個沖程內(nèi)的光桿功率、電機輸出功率的閉合圖（見圖3），該圖為進一步揭示抽油機地面系統(tǒng)各節(jié)點效率情況提供了科學(xué)依據(jù)。通過分析計算，得出機械效率78.03%，電機效率90.7%。

表1 XQ1-11井測試數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

1）電動機輸出扭矩在線檢測儀可方便地進行電動機輸出扭矩的動態(tài)檢測，用重力加速度方式可檢測出電動機的轉(zhuǎn)速，所測數(shù)據(jù)用無線傳輸方式發(fā)送到電腦，可以準(zhǔn)確地得出抽油機井電動機的輸出功率、電動機效率和抽油機的機械效率。

2）配合電能測試儀、油井無線連續(xù)監(jiān)測示功儀，可實現(xiàn)同步測試抽油機井電動機輸入功率、電動機輸出功率、光桿功率，這些數(shù)據(jù)對分析抽油機井各節(jié)點效率和抽油機在一個行程內(nèi)的功率變化非常重要，可準(zhǔn)確分析影響抽油機井系統(tǒng)效率的原因。

3）該儀器集成化程度高，操作方便，測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠，為分析采油系統(tǒng)各節(jié)點效率狀況提供了重要依據(jù)。

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Development and application of on-line detector for motor torque

Xiong Jianhua1，2Wang Mingcai2Feng Enshan2Xu Qiang3
(1.College of Petroleum Engineering,China University of Petroleum,Dongying 257061,China;2.No.1 Oil Producing Test Plant of Jiangsu Oilfield Company,SINOPEC,Jiangdu 225265,China;3.Jiangsu Oilfield Company,SINOPEC,Yangzhou 225009,China)

How to test accurately the ground system efficiency in the rod pumped well is a problem difficult to solve.The main reason is that the motor efficiency can not be tested on-line.Through developing the on-line detector for motor torque,the motor output torque and rotate speed can be dynamically measured on-line.The motor output power,including the instantaneous power and average power can be calculated conveniently.If the motor input power can be measured synchronously,the mechanical efficiency of motor can be calculated conveniently.Consequently,the problem of testing the ground system efficiency can be solved accurately during the efficiency testing in the rod pumped well.The field application has achieved a good effect,which can provide important means for analyzing,researching,improving the efficiency of machine-production system and also can provide important method for accurately evaluating the motor efficiency and life.

rod pumped well,detector for motor torque,development,application.

TE933+·1

A

2009-12-27；改回日期：2010-07-27。

熊建華，男，1967年生，高級工程師,畢業(yè)于石油大學(xué)（華東），主要從事采油工程方面的研究。E-mail：xiongjh@joeco.com.cn。

（編輯 劉 麗）

1005-8907（2010）05-646-03

熊建華，王明才，馮恩山，等.電動機輸出扭矩在線檢測儀的研制與應(yīng)用［J］.斷塊油氣田，2010，17（5）：646-648.

Xiong Jianhua，Wang Mingcai，F(xiàn)eng Enshan，et al.Development and application of on-line detector for motor torque［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2010，17（5）：646-648.