蔣 薇, 陳奎生, 周思柱
(1 長江大學機械工程學院 2武漢科技大學冶金裝備及控制教育部重點實驗室)
游梁式抽油機結(jié)構(gòu)簡單、結(jié)實耐用,在我國人工舉升采油設備方面占有絕對主力地位[1-2]。實際操作中,由于地層條件、井筒工況以及油井作業(yè)等因素的影響,抽油機出現(xiàn)欠平衡、空抽情況,使得運行效率顯著降低,耗費大量能源。目前,抽油機平衡的判別與調(diào)整已成為油田生產(chǎn)管理的關(guān)鍵問題。
抽油機平衡調(diào)整難度較大[3],廣泛使用的平衡方法有游梁平衡、曲柄平衡或兩者兼?zhèn)涞膹秃掀胶獾热N。其中調(diào)整曲柄平衡,對系統(tǒng)效率提高最為顯著。因此,盡管費時費力、危險性大、調(diào)整精度不佳,大多數(shù)油田仍會定期停機調(diào)整曲柄平衡。隨著數(shù)字油田的興起與發(fā)展,傳統(tǒng)的調(diào)整方式已經(jīng)不能滿足高效、安全、準確的時代要求,企業(yè)對曲柄自動調(diào)平衡的需求非常迫切。本課題研發(fā)的曲柄自動調(diào)平衡系統(tǒng),對于抽油機的設備管理與維護及油田節(jié)能降耗具有重要意義。
抽油機自動調(diào)平衡系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊、平衡分析與判定模塊以及自動調(diào)平衡機構(gòu)三部分組成,如圖1所示。確保從數(shù)據(jù)采集、智能分析與判斷,到執(zhí)行操作的全自動控制。
圖1 抽油機自動調(diào)平衡機構(gòu)體系結(jié)構(gòu)
(1)數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊。通過電流、電壓傳感器獲得三相電參數(shù),通過載荷傳感器獲得懸點載荷,通過角位移傳感器獲得游梁角位移。系統(tǒng)約每2 min讀取一次,由預先安裝好的傳感器自動完成數(shù)據(jù)采集。
(2)平衡分析與控制模塊。采集的數(shù)據(jù)以有線方式傳輸給工控機進行分析處理。通過功圖軟件繪制示功圖,并結(jié)合油井參數(shù)分析計算得出泵功圖,可準確反映井下實際工況[4];通過平衡分析軟件求得平衡度,并判定此時調(diào)整游梁或曲柄哪種為最佳,算出新的游梁半徑或曲柄半徑;通過數(shù)字控制軟件將指令發(fā)送給執(zhí)行機構(gòu)。
(3)調(diào)平衡執(zhí)行機構(gòu)。接受分析軟件的判定結(jié)果,迅速將平衡調(diào)整到位,根據(jù)調(diào)平衡的方式不同,分為游梁調(diào)平衡和曲柄調(diào)平衡兩種。前者在文獻[5]中已經(jīng)詳述,本文只介紹曲柄自動調(diào)平衡系統(tǒng)。
圖2 控制系統(tǒng)流程圖
圖2為控制系統(tǒng)的流程圖,系統(tǒng)通過載荷傳感器和傾角傳感器定時采集抽油機載荷與游梁擺動角度,通過電流和電壓傳感器獲得電參數(shù),工控機對采集的數(shù)據(jù)進行分析,判定抽油機的平衡狀態(tài),如需調(diào)整平衡,則計算出抽油機輔助平衡塊的調(diào)整值,并處理生成標準的數(shù)控指令代碼。數(shù)控系統(tǒng)在定時器響應后,執(zhí)行該指令代碼,由伺服電機帶動機械執(zhí)行裝置,驅(qū)動平衡重塊移動到計算位置。
曲柄自動調(diào)平衡機構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示,圖4顯示了其中的核心部分—傳動機構(gòu)的詳細信息。自動調(diào)平衡系統(tǒng)由機架、導電滑環(huán)和輔助平衡塊傳動機構(gòu)三部分組成。傳動機構(gòu)是核心,包含伺服電機、減速器、聯(lián)軸器、軸承座、蝸桿、斜齒條以及輔助平衡塊等。輔助平衡塊與滑塊連接,滑塊與機架上的導軌形成滑動配合。該裝置利用數(shù)控系統(tǒng)自動實現(xiàn)平衡的檢測和計算,如需調(diào)整平衡,數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令啟動伺服電機,減速器將高速低扭矩旋轉(zhuǎn)變?yōu)榈退俑吲ぞ匦D(zhuǎn),通過聯(lián)軸器將動力傳輸給蝸桿,利用蝸桿和斜齒條的嚙合來移動輔助平衡重,調(diào)整完成,通過自鎖實現(xiàn)輔助平衡塊的定位。
圖3 曲柄自動調(diào)平衡機構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)
圖4 傳動機構(gòu)的詳細結(jié)構(gòu)
抽油機在工作過程中,數(shù)控系統(tǒng)會定期檢測抽油機的平衡狀況,當上下行程不平衡時,系統(tǒng)會立即發(fā)出指令,啟動伺服電機。電機通過減速器達到需要的轉(zhuǎn)速,帶動蝸桿以一定速度旋轉(zhuǎn),通過蝸桿和斜齒條的嚙合,拖動輔助平衡塊在桁架上迅速移動相應的距離(該距離由系統(tǒng)計算得到),一旦到達指定位置,控制系統(tǒng)切斷電源,輔助平衡塊利用蝸桿和斜齒條的自鎖性,固定在該位置不再移動,完成調(diào)平衡工作。
通過抽油機輔助平衡塊實時調(diào)節(jié)裝置,使調(diào)平衡工作不再需要人工停機完成,不需移動重達數(shù)噸的平衡塊,而是通過一套完善的數(shù)控系統(tǒng)自動移動輔助平衡塊,方便、快捷,且邊調(diào)整邊檢測,準確率高。
目前,常規(guī)游梁式抽油機的運動分析比較完善[6-9],但增加曲柄調(diào)平衡系統(tǒng)后必需重新分析計算。圖5為配置了曲柄自動調(diào)平衡系統(tǒng)的游梁式抽油機結(jié)構(gòu)簡圖,取曲柄為研究對象,將諸力對曲柄旋轉(zhuǎn)中心取力矩可得:
M+(W平R平+W輔R輔+W自R自)sinθ=PLrsin(π-θ)
(1)
令Mmax=W平R平+W輔R輔+W自R自,則Mmax為曲柄最大平衡扭矩,令M曲=Mmaxsinθ為曲柄平衡扭矩。
圖5 游梁式抽油機結(jié)構(gòu)簡圖
取游梁為研究對象,忽略摩擦和游梁平衡重的慣性力,并把約束作為理想約束[10]。將諸力對游梁旋轉(zhuǎn)中心取力矩得到:
PLCsinβ+W游kcosφ=PA
(2)
其中:P—懸點載荷。
(3)
(4)
據(jù)文獻[4]所述,常用的抽油機平衡準則有:①上、下沖程電機做功相等;②上、下沖程曲柄扭矩峰值相等;③整個沖程曲柄扭矩均方根最小。由于曲柄均方根扭矩可反映減速箱曲柄軸的載荷情況[11-13],也是影響電機功率的主要因素,因此,在不超過曲柄軸額定扭矩前提下,采用準則三最合理[14]。
帶入M得:
(5)
(6)
當均方根扭矩最小時,有
(7)
解得:
曲柄輔助平衡重的半徑為:
(9)
編寫程序計算可得R輔,從而得到曲柄調(diào)整半徑。
式中:M—減速箱輸出扭矩,N·m;
Mmax—曲柄最大平衡扭矩,N·m;
M曲—曲柄平衡扭矩,N·m;
W平—曲柄平衡重,N;
R平—曲柄平衡塊重心到曲柄旋轉(zhuǎn)中心的距離,m;
W自—曲柄自重,N;
R自—曲柄重心到曲柄旋轉(zhuǎn)中心的距離,m;
W輔—曲柄輔助平衡重,N;
R輔—輔助平衡塊臂長,m;
θ—曲柄順時針轉(zhuǎn)過的角度,°;
PL—連桿所受的拉力,N;
r—連桿對于曲柄旋轉(zhuǎn)中心的臂長,m;
W游—游梁自重,N;
β—連桿與游梁的夾角,°;
φ—游梁旋轉(zhuǎn)的角度,°;
P—懸點載荷,N;
Me—均方根扭矩曲,N·m。
要實現(xiàn)抽油機曲柄平衡塊的自動調(diào)整,動力和信號傳輸是系統(tǒng)運行的先決條件??紤]到抽油機曲柄部分是連續(xù)旋轉(zhuǎn),傳統(tǒng)的供電方法必然引起繞線、打結(jié)等問題,故采用導電滑環(huán)來傳輸動力。導電滑環(huán)又稱集電環(huán),可把靜止設備上的信號、電流傳輸?shù)竭B續(xù)旋轉(zhuǎn)的設備上。其核心部分是電刷和滑環(huán),電刷安裝在電刷架上,滑環(huán)安裝在滑環(huán)架上,整個結(jié)構(gòu)通過電刷固定環(huán)安裝在曲柄軸上。
針對曲柄軸附近空間狹小、安裝困難這一問題,本系統(tǒng)設計了一種分體式導電滑環(huán)。該設計借鑒了滾動軸承的工作原理,電刷架相當于軸承內(nèi)圈,滑環(huán)架相當于軸承外圈,電刷架隨曲柄軸一同等速旋轉(zhuǎn),滑環(huán)架則利用固定桿連接在減速箱上,內(nèi)外圈通過滾珠實現(xiàn)相對轉(zhuǎn)動。通過電刷接線座將電源線和控制線引入,為曲柄輔助平衡機構(gòu)供電,并進行數(shù)據(jù)交換。利用導電滑環(huán)的滑動接觸,在固定座架轉(zhuǎn)動部件與滾動部件之間,傳遞電流信號和控制信號。
現(xiàn)場應用之前,首先借助相關(guān)軟件建立了輔助平衡抽油機的虛擬模型,通過抽油機模型完成了室內(nèi)試驗,驗證了方案的可行性。試驗用抽油機為常規(guī)曲柄平衡抽油機,為模擬現(xiàn)場抽汲過程,設計了一種簡易懸點載荷模擬裝置,該裝置可模擬上、下沖程中不同的懸點負荷特點,也可模擬抽油桿斷脫、卡泵等常見故障。因此,該試驗設備能方便觀察和分析抽油機的工作過程,并通過數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)抽油機輔助平衡裝置的自動調(diào)節(jié)。
試驗過程中,平衡計算軟件能根據(jù)載荷變化及時做出判斷,指導平衡。本課題進行了反復多次的對比試驗,總結(jié)了試驗方法,選取了其中比較典型的數(shù)據(jù)進行結(jié)果分析。將數(shù)據(jù)整理計算后結(jié)果如表1所示,從三組實驗數(shù)據(jù)可得,調(diào)整后平衡度控制在80%~110%之內(nèi),取得了較好的平衡效果。
表1 調(diào)平衡前后的平衡度
(1)抽油機自動調(diào)平衡系統(tǒng)的安裝不需復雜施工,只需合理配置電柜、安裝傳感器、布置數(shù)據(jù)和信號線等簡單操作,生產(chǎn)成本低。
(2)曲柄輔助調(diào)平衡機構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊,具有自鎖功能,無需停機,通過數(shù)控系統(tǒng)即可自動精準調(diào)整平衡。
(3)以曲柄扭矩均方根最小為準則,推導的輔助平衡塊調(diào)整距離,可使平衡度控制在80%~110%之內(nèi),即保證抽油機良好平衡。
(4)為解決曲柄旋轉(zhuǎn)時的繞線問題,設計了拆分式導電滑環(huán),拆裝方便,電信號和數(shù)字信號傳輸快速準確。
(5)平衡的判定與調(diào)整由數(shù)控系統(tǒng)自行完成,無需停機,計算準確,且能連續(xù)調(diào)整,平衡效果好。
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