董明皓，石成江，李維軍

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

節(jié)能型游梁式抽油機自平衡系統(tǒng)設(shè)計

董明皓，石成江，李維軍

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

目前，常規(guī)游梁式抽油機平衡調(diào)節(jié)方式存在勞動強度大、工作效率和調(diào)整精度低、安全性差等問題。因此，研究抽油機的自平衡系統(tǒng)有重要意義。該裝置由機械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)組成，機械系統(tǒng)是指加在游梁上的一個可移動的平衡塊，由絲桿的轉(zhuǎn)動來移動平衡塊，從而達到調(diào)節(jié)平衡的目的；電氣系統(tǒng)的設(shè)計主要目的是檢測平衡度、判斷抽油機是否平衡和控制電動機運轉(zhuǎn)等。由于抽油機每年耗電量巨大，研究此系統(tǒng)是為了達到節(jié)能的目的

自平衡； 平衡度； 機械系統(tǒng)； 電氣系統(tǒng)

抽油機是一種通過加壓方法使石油從地下舉升到地面的石油設(shè)備，人們通常稱之為“磕頭機”。在油田的開采作業(yè)中，采油裝置超過一半的都是常規(guī)游梁式抽油機，游梁式抽油機具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、可靠耐用的優(yōu)點。一般游梁式抽油機不具備隨著油井工況自動調(diào)整平衡度和沖次的功能，而人為調(diào)控操作難度大、強度大，且人為操作過程中，主觀因素會對調(diào)節(jié)的精度產(chǎn)生較大影響。當抽油機處在不平衡的狀態(tài)時候，系統(tǒng)的整體效率會降低，能耗增大，還會縮短減速器和電動機的使用壽命，因此，研制新型智能抽油機成為現(xiàn)代抽油機發(fā)展的必然趨勢。

1 關(guān)于抽油機的研究現(xiàn)狀

1.1 抽油機的分類

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

圖1 常規(guī)游梁式抽油機結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1The conventional beampumping unit structure diagram

1.2 游梁式抽油機的節(jié)能機理

常規(guī)的游梁式抽油機具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、可靠耐用的優(yōu)點，在采油機械中占有非常重要的地位，但游梁式抽油機本身結(jié)構(gòu)特點又導(dǎo)致了其平衡效果差，平衡只在幾個位置能到達較好效果[3]。從而引起曲柄凈扭矩大，存在負扭矩，電動機運行效率低下，用電量大等缺點，抽油機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節(jié)能問題？按能量的消耗可以把抽油機系統(tǒng)分成四大部分：電動控制系統(tǒng)、四連桿機構(gòu)、平衡系統(tǒng)、拖動傳動系統(tǒng)。從這四部分入手，就可以找到游梁式抽油機節(jié)能的關(guān)鍵[5]。

（1）電動機及其控制系統(tǒng)節(jié)能

現(xiàn)實中，游梁式抽油機電動機的輸出功率遠小于電動機的輸入功率或者額定功率，電動機的實際負荷率很低，存在“大馬拉小車”的工作狀態(tài)，如果能提高負荷率，也就能降低抽油機的耗電量，達到節(jié)能的目的。目前，國內(nèi)較多的是采用變頻調(diào)控技術(shù)，它根據(jù)抽油機一個沖程中懸點速度變化特點，實時控制電機轉(zhuǎn)速，以實現(xiàn)節(jié)能。除此之外，還有采用單獨的電壓調(diào)節(jié)技術(shù)來實現(xiàn)節(jié)能，其原理是：根據(jù)載荷實際變化情況，實時改變電動機的輸入電壓，使電動機實際輸出功率與載荷相匹配。

（2）四桿機構(gòu)實現(xiàn)變矩節(jié)能

通過改變游梁式抽油機結(jié)構(gòu)實現(xiàn)節(jié)能最典型的做法就是分別對四連桿機構(gòu)懸點運動和動力特性進行優(yōu)化改良,改變抽油機曲柄軸凈扭矩的大小,使其波動幅度穩(wěn)定,降低負扭矩,提高電動機的運行效率,達到節(jié)能目的[6]。運用變矩原理進行改造的典型結(jié)構(gòu)有雙驢頭抽油機，它是在常規(guī)游梁式抽油機基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，目前已研制出的很多種游梁式抽油機都是在變矩原理的基礎(chǔ)上進行改造的，但從節(jié)能角度看，雙驢頭抽油機位于節(jié)能效果好，但應(yīng)用場合嚴格受限。

（3）改變平衡方式實現(xiàn)節(jié)能

隨著油田石油開采的深入，地層條件會發(fā)生變化，抽油機的運行就會處于不平衡狀態(tài)，抽油機系統(tǒng)不平衡的原因是懸點載荷的變化，導(dǎo)致電動機在上、下沖程中對外做的正功不相，抽油機的懸點載荷大小、方向是影響抽油機能耗的主要因素[7]。游梁式抽油機的能耗主要用于三方面：抽油機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。

游梁式抽油機平衡方式有：游梁平衡、曲柄平衡、復(fù)合平衡。目前國內(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到良好的平衡效果，因為這種平衡方式轉(zhuǎn)矩大，存在負扭矩。通常把游梁式抽油機的游梁平衡和曲柄平衡的結(jié)合稱為游梁平衡，游梁平衡部分稱之為二次平衡部分，二次平衡技術(shù)通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，在游梁的末端或者游梁的某個位置安裝一個可調(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，提高電動機負載率和效率，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)、操作困難等問題。

2 方案設(shè)計

2.1 機械系統(tǒng)設(shè)計

針對復(fù)合平衡中的二次平衡存在的問題，本文提出了一種根據(jù)抽油機上、下沖程懸點載荷變化情況，實時自動調(diào)節(jié)安裝在游梁后部的可移動的平衡塊位置，達到最優(yōu)的平衡效果。 抽油機節(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、伺服電動機、電動機底座、控制柜組成?？刂破鱬LC 根據(jù)采集到的上、下沖程懸點載荷值，按一定算法計算并判斷平衡狀況，發(fā)出指令，控制伺服電機轉(zhuǎn)動，通過聯(lián)軸器、絲杠使平衡塊沿導(dǎo)軌作直線運動，改變平衡塊位置，實現(xiàn)載荷的平衡，達到節(jié)能目的。

圖2 初步設(shè)計的機械結(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; 8-電動機底座; 9-平衡裝置底座; 10-游梁后臂; 11-控制柜

在平衡塊移動處理上，可以采用兩種方式：一是計算抽油機一個完整沖程的懸點載荷，確定一個最優(yōu)的平衡塊位置，通過飼服電機將平衡塊移動到該位置并保持不變；二是根據(jù)懸點載荷變換情況，實時計算并控制平衡塊位置，實現(xiàn)全沖程的平衡效果最優(yōu)?？梢姾笠环N方式節(jié)能效果優(yōu)于前一種方式，但缺點是要頻繁移動平衡塊。

2.2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

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

除了采集懸點載荷外，還要判斷抽油機是處于上沖程，還是處于下沖程。為此，可以根據(jù)減速器輸出軸旋轉(zhuǎn)一周完成一個沖程的關(guān)系，采用位置編碼器來識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)采集到的懸點載荷及減速器輸出軸轉(zhuǎn)角，計算相應(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)計算；根據(jù)計算結(jié)果控制伺服電機轉(zhuǎn)動，從而使平衡塊移動到預(yù)期位置，平衡懸點載荷。電氣控制系統(tǒng)流程如圖3。

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

2.3 懸點載荷數(shù)據(jù)的采集與平衡度的計算

載荷平衡度根據(jù)測量方法的不同，計算時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表示載荷平衡狀況，即平衡度。懸點載荷由力采集模塊實時采集，采集到的懸點載荷信號存儲在pLC 中，由pLC 計算出上、下沖程的平均載荷，再求出平衡度。位置編碼器可識別減速器輸出軸轉(zhuǎn)角，在 0～1800 轉(zhuǎn)角范圍是抽油機上沖程階段，在 180～3 600 轉(zhuǎn)角范圍是抽油機下沖程階段，采用位置編碼器進行等間隔角度采集的方法，每隔 1.80 采集一個載荷信號，分別在上、下沖程各采集 100 個載荷信號。

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

3 結(jié)束語

這套自平衡系統(tǒng)設(shè)計采用機電控制技術(shù)，采集懸點載荷，計算平衡度，用以自動檢測抽油機的狀態(tài)是否平衡及調(diào)節(jié)游梁平衡塊位置，此套裝置的機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，安全可靠，為上沖程節(jié)能型、自平衡抽油機提供了一種新的方案。

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

［2］蘇德勝，劉先剛,等 .抽油機節(jié)能機理綜述[J].石油機械,2001，29（5）：49-51.

［3］王建萍.直線電機抽油機系統(tǒng)優(yōu)化研究[D].大慶：大慶石油大學(xué)，2006.

［4］歐陽新.節(jié)能型抽油機研究[D].大慶：大慶石油大學(xué)，2007.

［5］丁保東.基于 DSP 的游梁式抽油機變頻控制系統(tǒng)研究[D].青島：中國石油大學(xué)（華東），2007.

［6］馬明俊.抽油機的節(jié)能措施研究[J].科技信息,2009，31：65-65.

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

［8］劉明皓.常規(guī)游梁式抽油機自動平衡調(diào)節(jié)裝置[J].石油機械,2012（7）:100-102.

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)備的研究與開發(fā)。E-mail：630428556@qq.com。