（控制科学与工程专业论文）基于机理分析的抽油机动态建模及控制.pdf

b e a m p u m p i n g u n i td y n a m i c m o d e l i n ga n d c o n t r o lb a s e do nt h em e c h a n i s m a n a l y s i s at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：c h e n gh u a n s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f y uz u o j u n c o l l e g eo fi n f o r r n a t i o n & c o n t r o le n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo f p e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得 的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致 谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得 中国石油大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对研究所做的任何贡献均己在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：监塑 日期：劢年6 月f d 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其 印刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部 门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论 文被查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：邀 指导教师签名： 日期：加f 年6 月fd 日 日期：7 j 年多月p 日 摘要 游梁式抽油机是最常见的有杆采油机械，由于其结构简单，能适应野外恶劣天气， 便于维护，能长时间运转，依旧广泛应用于各大油田。但其能耗大、效率低的缺点至今 仍没有很好的解决。无论是以水换油还是以电驱油，都造成了能源的浪费，因此针对游 梁式抽油机节能降耗问题的研究显得十分重要。 本文分析了游梁式抽油机的运动规律，并对其四连杆机构进行精确分析和仿真研 究。在此基础上，结合游梁式抽油机的悬点动、静载荷，曲柄扭矩等，计算出游梁式抽 油机的等效力矩和等效转动惯量，得到系统的等效动力学模型。在施耐德电气平台上， 通过u n i t yp r o 软件、p l c 和变频器实现对游梁式抽油机实验装置的转速控制，分析了 产液量、悬点峰值载荷、电机输出功率和电机频率之间的关系，设计通过泵充满度进行 动态反馈控制电机转速的节能方案。通过变频器实现对电机的软启动和无级调速，可以 有效保护电机，延长其使用寿命。在u n i t yp r o 中实现了对转速的p i d 控制和操作员屏 幕组态，再结合人机界面工程软件v i j e od e s i g n e r 实现触摸屏画面的组态，通过将工程 下载到单个或多个目标机器中，可在触摸屏上直接进行操作，简单方便。 本实验充分利用中国石油大学( 华东) 施耐德联合电气实验室的现有装置，通 过以太网连接，实现上位机、p l c 、变频器和触摸屏之间的交互式通信。结合游梁式抽 油机实验装置，进行节能问题的研究和控制。 关键词：游梁式抽油机，动态模型，施耐德p l c 、节能、人机晃面 _ j b e a mp u m p i n gu n i td y n a m i c m o d e l i n ga n d c o n t r o lb a s e do nt h em e c h a n i s m a n a l y s i s c h e n gh u a n ( c o n t r o ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f y uz u o j u n a b s t r a c t b e a m p u m p i n g u n i ti st h em o s tc o m m o nr o bo i lm a c h i n ew h i c hi su s e di nm a n y o i l f i e l d s b e c a u s ei th a ss i m p l es t r u c t u r e ，c a l la c c o m m o d a t eb a dw e a t h e ro u t d o o r s ，a n de a s yt om a i n t a i n a n dc a nw o r kf o ral o n gt i m e b u tt h e r es t i l le x i s t st w od i s a d v a n t a g e so nl a r g ee n e r g y c o n s u m p t i o na n dl o we f f i c i e n c y , w h i c ha r en o ts o l v e de f f e c t i v e l yu pt on o w w h e t h e r r e p l a c i n gt h eo i lb yw a t e ro re l e c t r i c i t yc a i ll e a dt oe n e r g yd i s s i p a t i o n s oi ti sv e r yi m p o r t a n t t or e s e a r c he n e r g ys a v i n go f b e a mp u m p i n gu n i t t h ep a p e ra n a l y z e sm o t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fb e a mp u m p i n gu n i t ，d o e sa c c u r a t ea n a l y s i s a b o u ti t sf o u rb a rm e c h a n i s ma n dc o n d u c t ss i m u l a t i o nr e s e a r c h o nt h a tb a s i s ，e q u i v a l e n t m o m e n ta n de q u i v a l e n tm o m e n to fi n e r t i ao fb e a mp u m p i n gu n i ta r ec a l c u l a t e dc o m b i n i n g d y n a m i ca n ds t a t i cl o a do fs u s p e n s i o np o i n lc r a n kt o r q u ea n ds oo n d y n a m i c a l l y e q u i v a l e n t m o d e lo ft h es y s t e mi so b t a i n e d o nt h ee l e c t r i c a lp l a t f o r mo fs c h n e i d e r , s p e e d sc o n t r o lo f b e a mp u m p i n gu n i te x p e r i m e n t a lf a c i l i t yi sr e a l i z e dt h r o u g hu n i t yp r os o f t w a r e ，p l ca n d f r e q u e n c yc o n v e r t e r t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf l u i dp r o d u c t i o n , p e a kl o a da ts u s p e n s i o np o i n t ， o u t p u tp o w e ro fe l e c t r i cm o t o ra n df r e q u e n c yc o n v e r t e ri s a n a l y z e d e n e r g ye f f i c i e n c y p r o g r a mo fc o n t r o l l i n gm o t o rs p e e dt h r o u g hp u m pd e p t hr a t i ot od od y n a m i cf e e d b a c ki s d e s i g n e d p r o c e e d i n gs o f ts t a r ta n ds t e p l e s ss p e e dr e g u l a t i o no fe l e c t r i cm o t o rv i af r e q u e n c y c o n v e r t e rc a np r o t e c tt h em o t o ra n de x t e n di t s o p e r a t i n gl i f e i tc a nr e a l i z ep i dc o n t r o lo f s p e e da n do p e r a t o rs c r e e nc o n f i g u r a t i o ni nu n i t yp m c o m b i n i n gh u m a n c o m p u t e ri n t e r f a c e s o f t w a r ev 巧e 0d e s i g n e r , c o n f i g u r a t i o no ft o u c hp a n e lp i c t u r ec a nb er e a l i z e d b ym e a n so f d o w n l o a d i n gp r o j e c t st oas i n g l eo rm u l t io b j e c tm a c h i n e ，w ec a r lo p e r a t eo nt h et o u c hp a n e l d i r e c t l y , w h i c hi sv e r yc o n v e n i e n t t h ee x p e r i m e n tm a k e sf u l lu s eo ff a c i l i t i e si ns c h n e i d e re l e c t r i c a ll a b o r a t o r y , a n dr e a l i z e i n t e r a c t i v ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nu p p e rc o m p u t e r , p l c ，f r e q u e n c yc o n v e r t e ra n dt o u c h p a n e lt h r o u g he t h e r n e tc o n n e c t i o n c o m b i n i n gb e a mp u m p i n gu n i te x p e r i m e n t a lf a c i l i t y , t h e p a p e rm a k e ss o m er e s e a r c ha n de x p e r i m e n t a lc o n t r o la b o u te n e r g yc o n s e r v a t i o np r o b l e m s k e y w o r d s ：b e a mp u m p i n gu n i t ；d y n a m i cm o d e l ；s c h n e i d e rp l c ；e n e r g y - s a v i n g ； h u m a n - m a c h i n ei n t e r f a e e 1 1 1 目录 第1 章前言：1 1 1 课题研究目的1 1 2 国内外研究现状2 1 3 本文的主要研究内容2 第2 章游粱式抽油机技术发展4 2 1 有杆抽油技术装备发展现状与趋势4 2 2 游梁式抽油机的工作原理5 2 2 1 游梁式抽油机的结构和基本参数5 2 2 2 游梁式抽油机平衡原理5 2 3 游梁式抽油机技术发展方向6 2 3 1 常规游梁式抽油机的特点和存在的问题6 2 3 2 游梁式抽油机技术发展方向6 2 4 本章小结6 第3 章游梁式抽油机等效动力学模型7 3 1 游梁式抽油机运动规律分析7 3 2 游梁式抽油机的动态特性：1 1 3 2 1 抽油机的悬点载荷计算1 1 3 2 2 抽油机机构的等效力矩。1 3 3 2 3 抽油机构等效转动惯量1 5 3 2 4 抽油系统等效动力学模型1 6 3 3 本章小结1 7 第4 章可编程逻辑控制器p l c 18 4 1 可编程控制器概述18 4 2 可编程控制器的组成及工作原理18 4 2 1可编程控制器的控制系统18 4 2 2 p l c 的基本组成。1 9 4 3 p l c 的工作过程2 1 4 4 本章小结2 2 第5 章抽油装置节能控制方案实验研究和设计2 3 5 1 抽油机实验装置介绍及软硬件组成2 3 5 1 1 抽油机整体实验装置2 3 5 1 2m o d i c o nm 3 4 0 2 4 5 1 3 u n i t yp r o 编程软件2 5 5 1 4 变频器a 1 v 7 l 2 5 5 2m o d i c o i lm 3 4 0 通 乳j 2 7 5 2 1p l c 网络简介2 7 5 2 2m o d i c o nm 3 4 0 与a t v 7 1 的以太网通讯2 9 5 3p i d 控制器在抽油机实验装置的应用3 1 5 3 1 数字p i d 控制算式：31 5 3 2 u n i t yp r o 中的p i d 控制器3 2 5 4 节能控制方案设计3 4 5 5 本章小结。4 1 第6 章抽油机实验装置人机界面4 2 6 1 人机界面组成4 2 6 1 1触摸屏x b t g t 5 2 3 0 ：4 2 6 1 2 v i j e od e s i g n e r 4 2 6 1 3 s c a d a 系统监控组态软件v i j e = oc i t e c t 4 3 6 2 人机界面通讯4 4 6 2 1 v i i e o - d e s i g n e r 配置4 4 6 2 2 人机界面画面组态。4 5 6 3 本章小结4 8 总结与展望4 9 参考文献5 1 致 射5 5 v 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 课题研究目的 第1 章前言 自新中国成立以来，我国先后开发出陆上油气田共四十多个，油井7 万多口，原油 年产量可达1 4 亿多吨。其中，具有自喷能力的油井极为少见，还有少数稠油井，大多 数油井都需要借助地面采油机械进行开采，如利用各种抽油机、电潜泵、水利活塞泵和 螺杆泵等进行机械采油。在这类油井中，通过有杆采油方式进行陆上原油开采的油井占 到陆上采油井总数的9 1 6 ，其装机总容量为2 1 2 万多千瓦，原油年产能力达到1 0 6 7 亿 吨，占到陆上油井原油产量的7 6 2 。 由于有杆采油装置经久耐用、便于维护，能在野外恶劣天气长时间连续运转，适应 范围广等一系列的优点，也形成了一定的标准，在世界各产油国，得到了较大范围的推 广和应用。但是通过有杆抽油机在油田的长期使用实践中，也暴露出很明显的缺点：首 先是其能耗高，目前就我国来说，陆上油田有杆抽油机的装机容量平均为3 6 2 千瓦，陆 上油田有杆抽油机年耗电量为6 7 6 5 亿千瓦时，占陆上油气田生产用电总量的3 4 4 ： 占陆上油田机械采油井总用电量的7 2 3 ，其对电能的消耗十分惊人。其次是有杆抽油 装置的效率低下，由于有杆采油机械通常由笨重的平衡块、体积较大的变速箱装置和活 动四连杆机构，并通过皮带方式进行传动，在其运转过程中，除需要消耗大量的动能， 还需要克服多种形式的摩擦力做功，能量损耗较大，其地上效率平均只有3 9 0 1 ，系 统效率仅有2 6 0 3 。第三是由于采油装置体积庞大且笨重，需要专业的安装队伍和设 备来进行安装。 随着世界石油工业的飞速发展，在常规游梁式抽油机诞生后，就迅速的在各大油田 得到了广泛的应用。在长期的生产实践中，常规游梁式抽油机作为有杆采油装置的典型 代表，既有其自身的优势，也同样不可避免的继承了有杆采油装置的能耗高的缺点。全 世界共有数百万计的油井都面临着开采耗电量大的困扰。各大油田开采者，都希望以最 少的投入、最低的开采成本，获取高回报，来使经济利益最大化。因此，为了追求最终 的经济效益，各大油田、石油石化行业联合科研团队，在抽油机节能降耗领域开展了大 量的实验研究工作，也不断研发出节能高效的节能设备。如各种节能型抽油机、节能型 电机以及节能型配电箱等等。保守估计，全世界有百万口抽油机井，其耗电量非常可观， 因此国内外对有杆抽油系统效率和对节能技术的的研究都非常重视，做了大量的研究和 第l 章前言 试验工作。为克服常规抽油机能耗高的缺点，国内外的研究者采取了两个途径：一个是 在常规抽油机的基础上记性技术革新和创造，继承其优点，克服其缺点，从平衡方式上 着手攻关，按照变矩平衡原理，研制开发了许多节能高效的新型游梁式抽油机，使传统 的游梁抽油机又呈现出强大的生命力；另一个是从原理到结构型式上另辟新径，研制开 发非四连杆机构的新型节能抽油机，如立式无游梁抽油机、电动潜田螺杆泵和无杆泵等。 这两大类抽油机都在油田上被广泛采用，各有一定的应用条件和范围，形成了并驾齐驱 的竞争局面。可见，石油行业是推广“电机系统节能 的重点行业，如何节能、降耗和 提高抽油机系统的自动化程度是油田长期要解决的重要问题。 1 2 国内外研究现状 如今，以电机为核心动力的常规抽油机已广泛的应用于油田。这种抽油机由减速器 和连杆机构构成，连杆机构是将电动机的旋转运动转换成线性运动。它的缺点是由于有 一系列的齿轮装置，控制性能差且效率低。在石油工业中，电费约占到整个石油开采过 程成本的3 5 。用于石油精炼的电费占到了全世界电费的2 0 3 0 ，而它的能量消耗达 到5 0 巧0 。世界上关于抽油机节能问题的研究已经取得了一些成绩，在电动机方面主 要做了以下两方面的工作：一是可以通过改变电压或是结构来改善电机的机械特性。换 句话说，通过有效地改善电机和抽油机之间的协调性来节能；二是通过增加电机的功率 因数和负载比来提高它们的效率。为了解决抽油机的轻载荷问题，人们提出了各种方案： 1 、软启动器和电压控制器；2 、无功补偿器；3 、高转差率和多电压制电机驱动装置；4 、 变频和调速装置。 除了在电动机上做了很多研究，人们在改善抽油机的机械构造方面也做了很多试验 性的工作，例如安装超越离合器，增添游粱抽油机的弹簧等等。总体来说，创新和改进 工作主要是针对常规的游粱式抽油机。一些其他类型的抽油机，譬如链式传动抽油机和 行星式齿轮抽油机，这些抽油机也是依靠减速器和连杆装置将电机的高速转动转化成光 杆的低速线性运动。正因为这样，它们仍然具有内在的缺点，比如复杂的传送装置，较 差的控制性能和低效性。 1 3 本文的主要研究内容 本文主要针对油田最常见的游梁式抽油机，分析其运动规律，动态建模，并在实验 平台上实现控制，设计节能方案，最后组态出触摸屏操作画面。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 分析了近年来国内外的抽油机技术现状，以及其发展趋势。游梁式抽油机目前仍 是国内外各大油田最常见的采油设备，因为其结构简单，能适应野外恶劣天气并能长时 间运转。但其能耗问题和工作效率仍是迫切需要改进的现状。 2 根据游梁式抽油机的结构特点和工作原理，分析其运动规律。游梁式抽油机在研 究其运动规律时，可以分为简化分析和精确分析。本文精确分析了游梁式抽油机的几何 机构，即由游梁后臂、连杆、曲柄以及游梁支点和曲柄轴中心的连线构成的四连杆机构。 对悬点位移、悬点速度和悬点加速度，以及游梁和连杆的速度和加速度进行仿真。 3 在对游梁式抽油机运动规律分析的基础上，研究其动态特性。游梁式抽油机动态 特性需要首先分析悬点载荷，包括动载荷、静载荷及摩擦载荷，在构建等效动态模型时， 以曲柄轴为等效部件，分析曲柄轴扭矩，建立系统的动力学方程。 4 在施奈德实验平台上，结合u n i t yp r o 编程软件和m o d i e o nm 3 4 0p l c 以及a 7 1 变频器实现对抽油机转速的控制，并将p i d 控制器应用到抽油机实验平台。通过分析悬 点载荷、电机功率、电机转速和产液量之间的关系，设计闭环控制方案。 5 在v i j e od e s i g n e r 软件中设计组态触摸屏画面，使得在x b t g t 5 2 3 0 触摸屏上实现 对抽油机实验装置的基本操作以及p i d 控制。 3 第2 章游粱式抽油机技术发展 第2 章游梁式抽油机技术发展 目前，油田油井大概分为两大类，除了依靠天然能量的自喷井外，其他都是依靠传 统的地面采油机械进行生产的人工举升井。在这类油井的开采过程中，采油方法可以分 为两大类： ( 1 ) 有杆抽油系统。这类系统的抽油泵抽汲主要是依靠地下的抽油杆柱，并通过杆 柱的上下往复运动来进行能量传输。 ( 2 ) 无杆抽油系统。这类系统的抽油泵驱动则是区别于有杆泵，它不依靠抽油杆柱。 以上介绍的这两类方法中，前者是以游梁式抽油机为代表，而后者则以液压抽油机 和离心泵抽油机为代表。随着抽油机采油技术的飞速发展，这两大类抽油技术也在不断 的更新和完善。 2 1 有杆抽油技术装备发展现状与趋势 据相关资料，世界上8 0 9 0 的人工举升井都是在采用有杆抽油方式进行生产；而 其中最常见的要数游梁式抽油机。以下列出的一些相关的具有代表性的举升系统，都从 它们在世界上占有的装置数量说明了它们的地位。它们又因地域、洲际或是国家而有所 不同。 1 有杆抽油泵( 游梁抽油机) 2 气举法 3 电潜泵 4 液压泵 5 射流泵 6 水利活塞泵 7 其他方法 国内外大量的采油经验表明，有杆抽油系统采用长冲程、低冲次抽汲可以明显的提 高系统的经济效益，因此，长冲程抽油机是目前有杆抽油技术一个比较活跃的领域，国 内外研制了多种类型无游梁式长冲程抽油机。另外，节能型抽油机也是近年来研究的热 点，如何提高系统效率、节能降耗，对于提高油田开发的综合经济效益具有重要的现实 意义。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 2 游梁式抽油机的工作原理 2 2 1 游梁式抽油机的结构和基本参数 游梁式抽油系统主要由以下5 个部分构成： ( 1 ) 地下的有杆驱动抽油泵； ( 2 ) 传送地面驱动力和能量到地下的抽油杆柱，当然也包括储存原油的套管和泵 ：p 冗； ( 3 ) 地面的抽油设备，负责将驱动装置的旋转运动转化为线性往复运动； ( 4 ) 能量传送装置或者说减速器； ( 5 ) 驱动装置，负责给系统提供必需的能量。 虽然游梁式抽油机的机械结构简单，并证明了适合长期运转，也是比较经济的开采 方式，但在设计游梁式抽油机时仍然需要考虑很多因素。 抽油设备的功用就是从一定的井下深处抽出一定数量的原油，所以，井深和产液量 就标志着抽油设备的工作范围。 2 2 2游梁式抽油机平衡原理 关于游梁式抽油机的平衡问题的讨论，由来已久。平衡问题是做好抽油机节能技术 的关键因素之一。它不仅影响到抽油机的工作效率，也会影响到抽油机的耗电量多少。 目前平衡方式主要有机械平衡和气动平衡两种，在常用的机械平衡中，又根据平衡重的 不同位置可以分为曲柄平衡、游梁平衡和复合平衡三种。下面简要介绍曲柄平衡原理： 曲柄平衡就是在曲柄轴末端加上一个平衡块，这个平衡块的质量固定，但可以调节 平衡重在曲柄轴上的位置。在曲柄运动的上半个周期中，也就是在上冲程过程中，光杆 需要做功将液柱从地下提升到地面上。如果游梁抽油机此时平衡状态欠佳，那么在整 个上冲程过程中，需要驱动电机一直工作在大功率下，直到液柱被提升上来。如果平衡 良好，那么此时的平衡块自然落下释放的重力势能可以帮助电机去提升液柱和油杆。在 下半个循环周期( 即下冲程时) 电机将处于”滑行 状态，在平衡块重力作用下使得光 杆和井下抽油泵将恢复到初始状态。所以，若游梁式抽油机达不到好的平衡状态，驱动 电机将需要在上冲程过程中尽全力做有用功。这就意味着对应需要大功率电机和大的减 速器装置，并且在一个效率极低的状态下生产原油。 游梁式抽油机的工作原理：通过电机转子的高速旋转将能量通过皮带和减速箱传递 5 第2 章游梁式抽油机技术发展 给曲柄，并带动曲柄轴低速旋转，曲柄又通过连杆经横梁带动游梁上下摆动，驴头前端 的悬绳器便带动抽油杆作直线往复运动。 2 3 游梁式抽油机技术发展方向 2 3 1 常规游梁式抽油机的特点和存在的问题 游梁式抽油机是最常见也是应用最广泛的有杆抽油设备之一。自它诞生以来，不仅 历经百年磨练，而且经历了各种地域油田和复杂工况环境下生产的考验，经久不衰。目 前它的身影仍然大量出现在国内外各大陆上油田。常规游梁式抽油机以其结构简单、能 不间歇运转、操作方便等优点，而区别于许多其他类型的抽油机，也因此一直占据着有 杆泵采油地面设备的主导地位。尽管如此，游梁式抽油机还是存在着一些缺点。由于其 四连杆结构上的不合理性，使得常规式游梁抽油机无法解决“大马拉小车”、能耗高的 缺点。 2 3 2 游梁式抽油机技术发展方向 随着市场经济的不断发展，各大油田也都以经济利益为首要考虑因素。在原油开采 技术不断创新的过程中，节能降耗的思想显得举足轻重。为了使得利益最大化，众多石 油石化公司投入大量精力，摸索着节能型抽油机的发展方向。在近期内，节能型抽油机 必须立足于常规式游梁抽油机的基础之上，扬长避短，开发出适合油田野外恶劣环境因 素下的节能型抽油机。 2 4 本章小结 本章主要介绍了游梁式抽油机的发展现状及其存在的问题，概要介绍了游梁式抽油 机的工作原理，包括其组成结构和平衡原理，还有日后的发展改进方向。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第3 章游梁式抽油机等效动力学模型 3 1 游梁式抽油机运动规律分析 我们只有掌握了有杆抽油设备的悬点运动规律，才能更好的对游梁式抽油机进行动 力学分析，才能正确合理的使用抽油系统，确定出抽油系统的各项抽汲参数和对抽油设 备进行优化设计。基于以上种种，我们必须要弄清抽油机悬点的运动规律，包括悬点位 移、速度和加速度与时间的关系函数，来方便我们计算减速箱曲柄轴的扭矩和各运动杆 件的速度等参数。 常规游梁式抽油机的主要运动杆件构成了一个以曲柄轴为中心的四连杆机构。该机 构的固定杆是以游梁支点和曲柄轴中心的连线构成，而游梁后臂、曲柄和连杆则是三个 活动杆。目前分析有杆抽油设备主要采用两种方法【3 】：第一种是简化分析；第二种是精 确分析。前者在一定程度上将复杂的连杆机构运动进行简化，容易求得悬点的位移、速 度和加速度随曲柄转角的变化规律，但是在做精确的分析计算和有杆抽油设备的优化设 计时，简化后的运动模型远不能满足要求。这时就要求有更完善更精确的分析方法，来 准确研究抽油机悬点及其四连杆机构的运动规律。下面主要介绍精确分析方法： 图3 - 1 游梁式抽油机运动机构示意图 f i 9 3 - 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo fb e a mp u m p i n gu n i tk i n e t i cc o n f i g u r a t i o n 图3 1 为游梁式抽油机运动机构的示意图。图中，r 为曲柄半径，m ；p 为连杆长 7 第3 章游梁式抽油机等效动力学模型 度，i n ；k 为基杆长度，m ；a 为游梁前臂长度，1 1 1 ；c 为游梁后臂长度，m ；i 为基杆 在水平方向的投影，m 。各运动杆件的参考角0 2 、0 3 、眈均从基杆算起，并且取逆时针 方向为正方向。 图中几何关系为： 口i n ( 去) q = o o + 伊 0 2 。2 1 r - 0 1 + 口 l = 一r ? + k 2 2 r k e o s 0 2 一证( 兰呲) 岛= 一( 等卜 幺一s ( 等卜 f ，c 2 + r p 、 胪黜瞄l 瓦一j 飞= ? c + 9 将图中各杆件看成矢量，可得如下的矢量方程： 衰+ p = 良+ e 用复变矢量表示得到如下方程： r e i 0 2 + p 毒岛= k + c e t 0 4 将上式两边都对时间t 求导，可得各t - t - 件运动的角速度为： 8 ( 3 - 1 ) ( 3 - 2 ) ( 3 3 ) ( 3 q ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) ( 3 - 9 ) ( 3 - l o ) ( 3 1 1 ) 将上式对时间求导，可得各杆件运动的角加速度： 岛一幺 岛一幺 c o t ( 8 3 一幺) + c o t ( 0 3 - 0 4 ) + 见一岛 皖一岛 c o t ( 0 4 c o t ( 0 2 ( 3 1 2 ) 岛) j ( 3 1 3 ) j 刚 令晓= 一国；晓= 一占；国和占分别表示曲柄的角速度和角加速度，则绣和幺分 别表示连杆和游梁的角速度；鼋和包分别表示连杆和游梁的角加速度。 悬点冲程长度s p r ： s p r = ( 甲一一甲m i 。) 么 甲一酬生掣】 甲曲= 一s 生铲 ( 3 - 1 4 ) ( 3 - 1 5 ) ( 3 1 6 ) 悬点位移p r ： 若以下死点为位移零点，上冲程方向为正方向，则悬点位移可表示为： p r = 呷曲。一v ) a ( 3 - 1 7 ) 悬点速度和加速度可表示为： i 屹= 幺彳 【a = 幺么 图3 2 为悬点位移、悬点速度和悬点加速度随曲柄转角变化的仿真曲线， 和游梁随曲柄转角变化的速度和加速度曲线： 9 ( 3 - 1 8 ) 图3 3 为连杆 岛一幺幺一幺 二一 二一 只一岛岛一幺 ，i一，l，l一，l眦一咄试一咄 髓一5暑 5暑一盯 胡鹏一尸鹏一c = = = 岛岛 幺 一 一 。垒幺一鱼见 。以1 = = = 岛岛 幺 图3 - 2 悬点位移、速度和加速度曲线 f i 9 3 - 2 c u r v eso fs u s p e n s i o nc e n t e rd i s p l a c e m e n t 、v e l o c i t ya n da c c e l e r a t i o n 图3 - 3 连杆和游梁的速度、加速度曲线 f i 9 3 - 3c u r v e so fv e l o c i t ya n da c c e l e r a t i o no fb e a ma n dc o n n e c t i n gr o d 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 3 2 游梁式抽油机的动态特性 游梁式抽油机的光杆载荷是分析抽油机机械四连杆结构和体现其工作性能的重要 参数之一，也是在进行优化设计计算和选择的重要依据。游梁式抽油机在正常运行时， 电机输出到曲柄上的驱动扭矩用来与悬点载荷及平衡块产生的阻扭矩形成平衡，通过分 析悬点载荷及其平衡性就可以计算出曲柄轴处的扭矩，以此来检查变速箱的工作环境， 也可以检查和计算电机输出功率及其利用率。在悬点参数、冲程长度和冲次一定时，并 且在一定应用范围( 产液量和井深或下泵深度) 内，抽油机的各运动构件的运动、受力 等情况都需要得到确定，这样才能进行抽油机的优化设计计算。 在将抽油机系统简化为四连杆活动机构后，即可将整个机构看成是自由度为1 的机械 构件。系统所受的外力矩和惯性矩通过曲柄转化后进行等效分析，进而得到抽油机系统 的等效动力学模型。 由于曲柄是定轴转动，并假设曲柄是匀速转动，则以曲柄为转化部件，将游梁和连杆 的质量和惯性以及悬点载荷所产生的外力矩和转动惯量折算到曲柄轴处，可以得到抽油 机系统的等效力矩和等效转动惯量。 3 2 1抽油机的悬点载荷计算 抽油机在正常工作时，驴头悬点上的载荷可以分为三类：静载荷，动载荷和摩擦 载荷。其中静载荷包括抽油杆自重以及作用在柱塞顶部的液柱产生的静载荷；动载荷包 括抽油杆柱和油管内流体因运动而产生的动载荷，即惯性载荷。摩擦载荷包括光杆和密 封部分之间的摩擦力、油杆与流体之间的摩擦力、油杆和油管之间的摩擦力，流体在油 杆、油管环形空间的流动形成的流动阻力，流体通过泵阀和柱塞内孔的局部液体阻力， 以及柱塞和泵筒之间的半干摩擦阻力m 。 ( 一)悬点静载荷 悬点静载荷可用公式( 3 1 9 ) 计算： 上行程 q u = 9 8 1 q ：+ 4 0 见+ 1 0 6 ( 易一p c ) a p i( 3 1 9 ) 下行程 w d = 9 8 1 q z ,i 、 7 式中w j 。一上行程悬点静载荷，n ；凡一油管内流体密度，k g m 3 ；q ：一每米抽油杆在 液体中的质量，培m ；卜泵深，m ：，一动液面，m ；彳p 一柱塞面积，i n 2 ；只一油 兰? 2 万9 8 1 l s n 2 4 胡 仔2 。， 下雒2 需q ，j q ，一每米抽油杆的质量，k g m ；4 一柱塞面积，1 2 ；成一油管内流体密度，k g m 3 ； 占一考虑油管过流断面变化引起液柱加速度变化的系数；w 0 一下冲程悬点最大惯性载 删叫两 p 2 ， 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 式中乞一上冲程摩擦载荷，n ；历一下冲程摩擦载荷，n 。 ( 四)悬点最大和最小载荷 可用公式( 3 2 3 ) 计算： 乃，眦= 0 + 陟z + 形+ e ( 3 - 2 3 ) 陟孟= 形0 一形么一吸一冗 式中一悬点最大载荷，n ；一悬点最小载荷，n 。 如果下泵深度和沉没深度都不很大，油管压力和冲数都不太高的稀油直井，计算悬 点最大、最小载荷时，通常可以忽略振动载荷、摩擦载荷、液柱惯性载荷以及油套管压 力和沉没压力的影响，公式可以进一步简化。 用于中深低速的油井并考虑液柱动载时可用公式( 3 2 4 ) 计算： 叫哪+ 筹 - 仔2 4 ， 不考虑液柱动载时可用公式( 3 - 2 5 ) 计算： = 形+ 形+ 等( 1 + ( 3 - 2 5 ) = 形( 1 - 0 1 2 8 , o m 器( 1 二 式中一悬点最大载荷，n ；一悬点最小载荷，n ；形一抽油杆质量；一液柱 在柱塞环形面积上的质量，n ；彤一液柱在柱塞面积上的质量，n ；s _ 冲程，m ；n 一 冲数，m i n 一；r 曲柄半径，m ；卜连杆长度，m ；p 一井液相对密度，无量纲。 3 2 2 抽油机机构的等效力矩 根据功率相等原则，系统等效力矩所做功应等于系统所受全部外力所做的功。系统 受力情况主要包括连杆、游梁的受力，驴头悬点的载荷( 包括抽油杆自重、油杆与泵筒 之间的各种摩擦力、抽油杆运动产生的各种振动载荷、惯性载荷等，具体值可以以现场 数据为准) 及电机驱动力。 ( 一)等效阻力矩 1 3 第3 章游粱式抽油机等效动力学模型 若令下标，和y 分别表示连杆部件和游梁部件，则q 和q 分别表示连杆和游梁的角 速度；和分别表示连杆和游梁的质量；g 为重力加速度；厶和分别表示连杆和 游梁的质心到转轴的距离；和心分别表示连杆和游梁的等效力矩；m 昭为悬点载 荷产生的等效力矩，p 为悬点载荷，m ，表示各传动副摩擦力矩总和。 连杆的等效力矩为： 心= m g ( r e o s 幺+ 厶c o s 岛堕) ( 3 - 2 6 ) 游粱的筹兹力锥为： = 踢c o s 幺詈 驴头的悬点载荷是曲柄转角的函数，悬点载荷产生的等效力矩可表示为： 则系统的等效阻力矩为： ( 二) 等效驱动力矩 m p g - - n 川导 m 盯= me l + m 叮+ m f + m 口g ( 3 - 2 7 ) ( 3 2 8 ) ( 3 2 9 ) 整个抽油系统由电动机驱动，电机的输出功率即为曲柄的输入功率。电机的工 作特性曲线可以实际测量得到，在不便测量时，亦可根据其额定参数计算得到。 电机输出扭矩即为系统的等效驱动力矩，由电机的特性曲线可知，等效驱动力矩是 电机转速的函数。在转速保持不变的情况下，电机输出力矩可以看作常量。若无法得到 电机机械特性曲线的实测时，可根据电机铭牌的额定参数由下式计算得到【1 】： m 。d - - - - 笔搿 p 3 。， = 9 5 5 0 p h ( 3 - 3 1 ) & = 品( 以+ 五2 - 1 ) ( 3 3 2 ) 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 品= ( 一万 o( 3 3 3 ) 铴= 2 刀6 0( 3 - 3 4 ) 其中： 五一一电机最大扭矩与其额定扭矩之比；弓一一电机额定功率，k w ； 一一电机同步转速，m i n 一；一一电机额定转速，m i n 一。 3 2 3 抽油机构等效转动惯量 与分析等效力矩类似，将连杆部件和游梁部件的质量和转动惯量分别转化到曲柄轴 处，可得： 连杆部件运动转化到曲柄轴处的等效转动惯量为： j e l l - = m t r 2 + 置( 鲁) 卜2 r l t ( c 国0 1 ) e o s ( 0 2 一岛) 】( 3 - 3 5 ) 国 国 。 连杆部件绕其质心的转动惯量转化到曲柄轴处的等效转动惯量为： 厶：= 厶( 堕) 2( 3 3 6 ) c o 则连杆的等能转动惯量为： 厶= 厶- + 厶2 - - m t r 2 + 葺( 罢) 卜2 r l t ( c 缈。t ) e o s ( 包一岛) + 厶( 罟) 2 ( 3 - 2 7 ) 国 缈 。 一国 厶和厶分别表示连杆和游梁的等效的转动惯量：厶和厶分别表示连杆和游梁绕其质 心的转动惯量，其他符号含义同上节。 游梁部件运动转化到曲柄轴处的等效转动惯量为： 厶，= 从7 2 , , i c o y ，x 2 游梁部件绕其质心的转动惯量转化到曲柄轴处的等效转动惯量为： 则游梁的等能转动惯量为： 厶：厶( 旦) ： 。 c o 1 5 ( 3 - 3 8 ) ( 3 3 9 ) 第3 章游梁式抽油机等效动力学模型 厶：厶，+ 厶2 ：( m y e y + 厶) ( 笪) 2 ( 3 - 4 0 )厶。厶，+ ：。 + 厶) ( 言) 2 3 2 4 抽油系统等效动力学模型 整个抽油机械系统的转动惯量表达式n 3 ： 系统的动能表达式为： je = j s j + m i v i 2 i = 1i - - i e = 委以国2 二 ( 3 4 1 ) ( 3 - 4