（机械工程专业论文）地面驱动螺杆泵工况诊断技术研究.pdf

j=， 。一_ - 叭目0叫-： 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已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： 孛! 乞日期：2 口l 年多月；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f - j ( 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 指导教师签名： 日期：知年 日期：如l 年 s 其j ，e t 5 月3 7 日 地面驱动螺杆泵工况诊断技术研究 申亮( 机械工程) 指导老师：王旱祥( 教授) 摘要 螺杆泵是一种旋转容积泵。作为一种新兴的人工举升方式，它具有结构简单、流量 均匀、扰动小、携带能力强等优点，特别适宜于高含砂量、高粘度和高含气量原油的举 升。在油田开采中，发挥着巨大的作用。随着螺杆泵的应用规模不断扩大，抽油杆柱断 裂、管漏、蜡堵等故障出现次数增多，对现场工况诊断的要求也越来越高。 本文对地面驱动螺杆泵采油系统各部分的组成和工作原理做了简单介绍。系统分析 了地面驱动螺杆泵工况诊断系统的组成和工作原理。对抽油杆柱进行受力分析，给出了 计算模型和振动模型。总结了地面驱动螺杆泵采油井可能出现的故障类型，以及不同故 障时，各参数的变化情况。最后应用模糊综合诊断法建立判断矩阵，对现场数据进行故 障诊断，并对2 1 口螺杆泵采油井的现场测量数据做了振动分析。 关键词：螺杆泵，工况诊断，故障类型，模糊判断法，振动分析 t h e s t u d yo fs u r f a c e d r o v e dp r o g r e s s i v eca v i t yp u m p w o r k i n g c o n d i t i o nd i a g n o s i st e c h n o l o g y s h e n l i a n g ( m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ) 。d i r e c t e db yp r o f w a n g h a n x i a n g a b s t r a c t t h ep r o g r e s s i v ec a v i t yp u m pi sak i n do fr o t a r yd i s p l a c e m e n tp u m p a san e wk i n do f a r t i f i c i a l l i f t i n gw a y , i t h a sm a n ya d v a n t a g e s t h es t r u c t u r ei ss i m p l e ；t h ef l o wi s w e l l d i s t r i b u t e d ；t h ed i s t u r b a n c ei ss m a l l ；t h ec a r r yc a p a c i t y i ss t r o n g i th a ss om a n y a d v a n t a g e st h a ti ti sw e l lu s e di nl i f t i n gt h ec r u d eo i lw i t hh i g hs a n dc o n t e n t ，h i 曲a i rc o n t e n t o rh i 曲v i s c o s i t y i nr e c e n ty e a r s ，t h ep r o g r e s s i v ec a v i t yp u m p sp l a yi m p o r t a n tr o l e si nt h e o i l f i e l de x p l o i t a t i o n w i t ht h ea p p l ys c a l ee x p a n d i n g ，t h e r ea r em o r ef a u l t sh a p p e n t h e r ea r e s e v e r a lf a u l tt y p e s ：s u c k e rr o db r o k e n 、o i ll e a k e d 舶mp i p e s 、p a r a f f i nb l o c k a g ea n ds o m e o t h e rf a u l t s t h ew o r k i n gs i t er e q u e s t sf o rah i g h e rw o r k i n gc o n d i t i o nd i a g n o s i s t h i st h e s i si n t r o d u c e st h eb a s i cw o r k i n gp r i n c i p l e sa n dt h ec o m p o n e n tp a r t so ft h e s u r f a c e d r o v e dp r o g r e s s i v ec a v i t yp u m po i lp r o d u c t i o ns y s t e m i t a l s o a n a l y s e s t h e c o n s t r u c t i o na n dt h ep r i n c i p l eo ft h es u r f a c e d r o v e dp c pw o r k i n gc o n d i t i o nd i a g n o s i ss y s t e m t h ep a p e rm a k e st h er o ds t r i n gf o r c ea n a l y s i s i ta l s og i v e st h ec a l c u l a t i o nm o d e l sa n dt h e v i b r a t i o nm o d e l s i ts u m m a r i z e st h ef a u l tt y p e sa n dt h ep a r a m e t e rc h a n g e si nd i f f e r e n tf a u l t s i t u a t i o n s i nt h ee n d ，i tu s e st h ef u z z yc o m p r e h e n s i v ed i a g n o s i st h e o r yt ob u i l dt h ej u d g e m e n t m a t r i xf o rt h ef i e l dd a t aa n a l y s i sa n dm a k e sav i b r a t i o na n a l y s i sf o rt h e2 1s c r e wp u m pw e l l s k e yw o r d s ：p r o g r e s s i v ec a v i t yp u m p ( p c p ) ，w o r k i n gc o n d i t i o nd i a g n o s i s ，f a u l tt y p e ， f u z z yc o m p r e h e n s i v ej u d g i n gm e t h o d ，v i b r a t i o na n a l y s i s 第一章绪论 目录 1 1 1 课题研究的目的和意义。1 1 2 地面驱动螺杆泵采油系统概述2 1 2 1 地面驱动螺杆泵采油系统组成2 1 2 2 螺杆泵的工作原理。4 1 3 螺杆泵工况诊断技术发展现状。4 1 4 课题的主要内容和方法6 第二章螺杆泵工况诊断系统7 2 1 地面驱动螺杆泵工况诊断系统7 2 2 转速测量8 2 2 1 概j 述8 2 2 2 光电传感器原理。8 2 2 3 光电式转速测量系统结构图8 2 3 扭矩、载荷及电功率测量l o 2 3 1 扭矩、载荷测量1 0 2 3 2 电功率测量1 1 2 4 振动测量1 4 2 4 1 概述1 4 2 4 2 电涡流传感器工作原理1 5 2 4 3 振动测量电路1 6 第三章螺杆泵井抽油杆柱分析 1 8 3 1 抽油杆柱受力分析1 8 3 1 1 杆柱变形阶段2 0 3 1 2 井下螺杆泵启动阶段2 2 3 1 3 井下螺杆泵工作阶段2 3 3 2 计算模型2 3 i i i 3 2 1 抽油杆柱轴向载荷计算模型2 3 3 2 。2 抽油杆柱所受扭矩载荷计算模型2 5 3 2 3 抽油杆柱所受弯矩计算模型2 7 3 3 动力学模型、振动模型2 8 3 3 1 抽油杆柱纵向振动模型2 9 3 3 2 抽油杆柱横向振动模型3 2 3 3 3 抽油杆柱扭转振动模型3 6 3 4 实例计算4 0 第四章螺杆泵故障诊断参数及故障集 4 1 螺杆泵故障类型4 3 4 1 1 地面驱动部分故障类型4 3 4 1 2 中间动力传递部分故障类型4 4 4 1 3 井下螺杆泵系统故障类型4 5 4 2 故障集建立4 6 4 2 1 不同故障时油井参数变化情况4 6 4 2 2 建立故障判断矩阵5 0 第五章现场测试分析 5 1 现场振动测试分析5 4 5 1 1 测试标准与测试方法5 4 5 1 2 现场测试结果5 5 5 2 故障诊断分析实例6 0 结论 参考文献 攻读硕士学位期间取得的学术成果。 致谢 6 4 6 5 6 8 6 9 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 1 1 课题研究的目的和意义 第一章绪论 螺杆泵是一种旋转容积泵，是一种新兴的人工举升方式。螺杆泵具有很多优点：螺 杆泵的结构简单，只有转子一个运动部件，易于管理；螺杆泵的流量非常均匀，当压力 改变时，流量改变很小：螺杆泵是优质的自吸泵，具有良好的吸入特性；螺杆泵对杂质 和磨损具有很高的承受能力，通常被称为“最耐久泵”【1 1 。螺杆泵具有很大的过流面积， 并且扰动小，携带能力强，特别适于传输或提升高含砂、高黏度和高含气原油 2 , 3 1 。早在 2 0 世纪2 0 年代中期，螺杆泵由法国人勒内莫依诺设计发明。随后的几十年内，p c m 公 司、m o y n o 公司、k o i s & m y e r s 公司都开始生产这种泵。2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初， 美国的k o i s & m y e r s 公司制造了首批采油螺杆泵，螺杆泵开始被应用在石油工业中【4 5 6 】。 采油用螺杆泵是单螺杆式水力机械的一种。与电动潜油离心泵和有杆泵抽油系统相比 较，螺杆泵采油系统的效率最耐7 】，螺杆泵采油比传统采油可降低4 0 f l 邑耗。而且螺杆 泵采油地面驱动部分的寿命在五年以上，并有占地面积小、投资低、系统效率高、节能 效果明显的特点i s , 9 1 。 石油是社会发展的重要资源，它的生成至少需要2 0 0 万年的时间，属于一次性能源。 如何对有限的原油进行合理长期的开采、如何提高采油率已经成为当今各大油田必须面 对的问题。螺杆泵凭借其优势，日益受到人们的重视，在油田生产中得到了越来越广泛 的应用。不但在高粘度原油、高含砂量原油以及高含气量的原油开采中发挥着独特的作 用。而且，在普通油藏和水驱油藏后期的高含水开采阶段，螺杆泵采油也具有良好的适 应性【1 0 1 。螺杆泵采油在前苏联首先得到了应用，美国、加拿大、法国和我国也都相继应 用【1 1 1 。为满足油田开采工艺需要，近十年来，各国有关制造厂商相继推出了以地面驱动、 抽油杆传动为主的井下单螺杆抽油泵系列产品【1 2 】。按照头数来分，螺杆泵有单头和多头 之分 1 3 1 。按照驱动方式来分，采油用单螺杆泵可分为电动潜油单螺杆泵、液动式单螺杆 泵和井口驱动式单螺杆泵【1 4 1 。螺杆泵采油在各油田所占的份额在逐年增加，应用也越来 越广泛。目前，加拿大的6 0 ，0 0 0 口采油井中有6 0 是螺杆泵采油井。我国到1 9 9 9 年底 时，螺杆泵采油井也已达2 5 0 0 口【1 5 , 1 6 】。螺杆泵已有了很大程度的发展，种类也多种多 样，在油田开采中，正在发挥着巨大的作用。 随着螺杆泵采油系统在油田应用规模的扩大，现场随之暴露的故障问题也越来越 第一章绪论 多。目前常见的故障现象主要有：抽油管脱断、油管漏失、油管结蜡、螺杆泵漏失、转 子磨损、定子橡胶溶胀、卡泵等【l 刀。由于地下油层面会随着开采的进行而不断降低，要 求采油井的深度也越来越深。现场操作人员无法直接了解到井下螺杆泵的工作情况。如 果螺杆泵已经出现故障，但操作人员却没有及时对抽油泵采取一定的措施，那么不但会 影响油井生产，还会造成设备损坏。造成螺杆泵采油系统出现故障的原因有很多，同一 种故障现象也有可能是由不同原因造成的。有关设备和零部件的设计、制造、组装、运 输、现场安装和使用，以及现场复杂的工况条件都有可能是产生故障的原因。 过去工作人员只是按照常规的检修周期对设备进行相应的定期检查。很多时候，设 备的故障隐患不能被及时发现，有时，螺杆泵带病运行，加大了对设备的磨损破坏。当 故障扩大严重后，必须停泵维护，对生产产生影响，造成不必要的损失。每年，都有大 量资金被用于设备的维修上，并且在整个采油行业中占很大比例，产生很大的浪费 1 8 1 。 针对现有螺杆泵工况所存在的问题，研究螺杆泵诊断方法，进一步提高地面驱动螺杆泵 采油系统的工况检测诊断技术。 这就要求加强对螺杆泵采油系统进行工况诊断，了解螺杆泵的工作运行状态，提高 螺杆泵的工作可靠性，可以为螺杆泵的科学管理提供合理参考【4 】。减少停泵时间，减少 作业费用，维护螺杆泵采油生产安全正常进行，充分发挥其独特的优势。提高工况诊断 技术对于提高油田的经济效益和市场竞争力具有非常重要的意义。 1 2 地面驱动螺杆泵采油系统概述 螺杆泵采油系统按驱动方式可划分为地面驱动和井下驱动两大类1 8 】。地面驱动发展 较早，技术相对较成熟。国内各油田现在用的螺杆泵采油系统，一般都选取地面驱动方 式。随着油田的深入开发，螺杆泵所具有的独特性能让其优势越来越明显。螺杆泵采油 已经成为了油田主要的举升方式之一。地面驱动螺杆泵具有很多优点：地面设备尺寸小、 设备结构简单、质量轻、操作方便、系统效率高、适应粘度范围广以及适应性强等【1 9 1 。 既可以应用于低黏度原油开采，也适用于稠油、高凝固点油、高含蜡油、高含砂量油和 高含气量油的开采 1 3 , 1 9 】。 1 2 1 地面驱动螺杆泵采油系统组成 地面驱动螺杆泵采油系统图如图1 1 。按照不同的功能和位置，地面驱动螺杆泵采 油系统可以分成三个部分：地面驱动部分( 井口动力装置和减速机构) 、中间传递部分 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 ( 抽油杆) 及井下螺杆泵部分。螺杆泵采油系统的配套设施主要有：专用井口、光杆、 套管、油管、油管扶正器、筛管、防空转器、抽油管防倒转装置 6 a 9 。系统通过驱动杆 带动抽油杆柱旋转，将动力传给井下螺杆泵。油液从油管和抽油杆之间的环形空间中被 举升至地面。 图1 - 1 地面驱动螺杆泵采油系统图 f i g 1 - 1 t h es u r f a c e - d r i v i n gp r o g r e s s i v ec a v i t yp u m po i ls y s t e m ( 1 ) 地面驱动部分 地面驱动部分由电机和减速装置组成，主要作用是为井下螺杆泵提供旋转动力。驱 动电机提供机械能，由传动部分将机械能经方卡子传递给光杆。再经抽油杆传递给井下 螺杆泵，通过转子旋转举升井液，最后转化为液体能。 按照驱动方式，地面驱动可以分为机械驱动和液压驱动。两种驱动方式各有优缺点。 机械驱动装置设备简单，但不能实现无级调速，液压驱动装置可以实现低速启动，调节 转速，但是价格较高，不易管理。现在油田很多现场都为螺杆泵配备了电控箱，用来控 3 第一章绪论 制螺杆泵的启、停。并设置过载、欠载保护，保证螺杆泵井采油正常进行。 ( 2 ) 中间传递部分 抽油杆是重要的中间传递设备，它将地面驱动装置的动力传递给井下螺杆泵部分。 抽油杆柱的材质为合金钢，是很多根抽油杆由接箍连接起来组成。除了抽油杆柱，中间 部分还包括油管、套管、扶正器等。 ( 3 ) 井下螺杆泵部分 在螺杆泵采油系统中，井下螺杆泵是整个系统的核心部分。它包括螺杆泵和油管配 套工具。将传递过来的机械能转化为液体能。井下螺杆泵主要由转子和定子组成。考虑 到原油中含有介质的腐蚀性，转子一般是合金钢材质，而定子是由橡胶衬套浇铸粘接在 钢制的外套形成。通过螺杆泵转子的旋转，油液在衬套副作用下被举升。机械能最终转 化为液体能。 1 2 2 螺杆泵的工作原理 螺杆泵是一种容积式泵，主要由定子和转子两部分组成。转子表面呈螺旋曲面，定 子表面呈双螺旋曲面。通过转子外表面和定子橡胶内表面的螺旋线配合，在螺杆泵内， 形成一个个的连续空间密闭的腔体。当转子在定子中作旋转运动时，转子与定子间所形 成的密闭腔体的容积也随之发生变化。当容积增大的时候，在腔室压差压力的作用下， 腔体吸入液体；当容积减小的时候，腔体又会排出液体。随着转子不停的旋转，从螺杆 泵的吸入端向排出端，密闭腔室容积不断的形成，并沿轴向推移，然后消失，从而实现 传输或举升液体介质的功能。 1 3 螺杆泵工况诊断技术发展现状 为了适应螺杆泵在油田的广泛应用，相应工况诊断技术也有很大发展。螺杆泵工况 诊断的主要功能是：螺杆泵的工况监测，螺杆泵的故障诊断，为螺杆泵井的管理提供合 理化建议【4 1 。 国外的一些发达国家在采油井工况检测和故障诊断方面的研究开展的比较早，目前 已经取得了很大的发展。人工神经网络、专家系统、模糊判断等都开始被引用到螺杆泵 的故障诊断中，并编制了相应的软件【2 0 ，2 1 2 2 1 。美国科学家s c t g i b b s 于1 9 6 3 年最先提出 了有杆抽油系统动态参数诊断模型，随后开发了相关的计算机诊断技术。a & m 大学首 先建造了抽油井工况诊断专家系统。我国在螺杆泵油井工况的监测和诊断方面也取得了 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 一定的成果。1 9 8 3 年我国开始引进及应用计算机诊断技术，各油田和大学都开展对有杆 抽油诊断技术的研究【2 3 1 。1 9 9 3 年大港油田和天津大学共同合作开发了抽油井智能诊断 系统【2 4 1 。大庆油田自主研制出了无线式螺杆泵工况测试仪【2 5 1 。胜利油田、华北油田也都 研究并使用了相应的螺杆泵诊断系统【1 7 溯。 螺杆泵检测最初是依靠人工判断的。操作人员通过自己手掌的感觉加上平时工作所 得的经验来分析抽油设备的工作状态，即所谓的“五指示动分析仪法”。具体操作是现 场人员用手握住螺杆泵采油系统的光杆，并随着光杆上下运动几个冲程，然后由该操作 人员凭借自身的感觉和经验来判断采油螺杆泵的工况和故障情况。但是这种方法比较原 始，因而只适用于不是很深的采油井上。随着诊断技术的发展和油井深度的增加，这种 方法目前已经很少使用。目前仍在使用的技术方法可分为以下几种：扭矩测试诊断法、 电参数测试诊断法、憋压诊断法、动液面位置变化诊断法【7 ，1 7 ，2 0 2 5 2 7 2 8 2 9 3 0 , 3 1 , 3 2 , 3 3 1 。 方法一、扭矩测试诊断法。通过在光杆上安装传感器，测量螺杆泵抽油杆柱工作时 所承受的扭矩，根据扭矩的变化规律来判断螺杆泵采油系统的工况。该方法所测得的数 据比较准确，能直接反应井下螺杆泵的工况。但是这种方法也存在一定的弊端。测量时， 需要先停井，拆卸方卡子，安装传感器，再装上方卡子进行测量。测量完毕后，还要重 复之前的反复拆卸操作。比较费力和费时，还容易导致抽油杆柱脱螺纹。 方法二、电参数测试诊断法。这种方法是通过测量螺杆泵驱动电机的工作电流、工 作电压和功率因数等参数。考虑电机内部损耗，计算出电机的输出扭矩，能够换算得光 杆扭矩。然后根据光杆扭矩和电流变化与螺杆泵采油系统工况之间的对应关系进行故障 诊断。这种方法比较容易，测量时不需要停机，操作方便。 方法三、憋压诊断法。螺杆泵井憋压法是通过关闭生产阀门憋压后，检测油管压力 随时间的变化来判断螺杆泵井工况。憋压方法一共有三种：开机憋压、关机憋压和停机 憋压。憋压法具有独立性强、灵活性强、可靠性强的特点，能初步判断油井故斟3 4 1 。但 是憋压过高时不易控制，安全性差，这种方法没有得到推广。 方法四、液位诊断法。液位诊断法是根据液位的高低变化来判断油井工作状况。这 种方法比较直观，液位读取也易于操作。但是当油井出现故障时，根据这种方法不能判 断出具体故障原因。目前，一般用于辅助判断。 目前现有的一些方法还有一定的局限性，比较单一。为了能更好地检测螺杆泵的工 况情况，更准确地判断螺杆泵采油系统的故障原因，诊断方法正在向着综合诊断的方向 发展【3 5 1 。 5 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第二章螺杆泵工况诊断系统 2 1 地面驱动螺杆泵工况诊断系统 地面驱动螺杆泵工况诊断系统的组成如图2 1 所示。主要有三大部分：传感器检测 部分、信号传输装置和计算机数据处理部分。 ( 1 ) 传感器检测部分 这一部分主要是传感器。系统通过传感器获取所需相关信息，将被测物理量转换成 相应的电信号输出。油田的螺杆泵采油系统工况环境较差，这就要求检测所用的传感器 具有抗干扰、耐高温的特点，最好能实现远距离非接触测量。例如，通过集流环，采用 非接触式信号传输。目前，非接触式螺杆泵特征参数传感器在华北油田、辽河油田和渤 海油田都有应用【3 0 】。螺杆泵采油井驱动杆的危险点在杆柱的边缘【1 9 j 。可在驱动头上检 测光杆转矩、转速、轴向力的变化规律，对采油系统工况诊断、杆柱受力分析、油井参 数和采油工艺调整有重要作用。 ( 2 ) 信号传输装置 螺杆泵采油现场如果布线较多，会影响油田生产，所以采用无限信号发射、接收装 置。 ( 3 ) 计算机数据处理部分 计算机具有强大的数据存储、处理功能。通过相应的诊断软件，可以对接收的信号 进行分析，判断螺杆泵井工况。还可以给出相应的维护建议，具备数据的存储、打印功 能。 图2 - 1 螺杆泵工况诊断系统组成 f i g 2 1 t h es t r u c t u r eo ft h es c r e wp u m pw o r k i n gc o n d i t i o nd i a g n o s i ss y s t e m 传感器将所测得的电机电压、电流以及杆柱所受载荷和扭矩转变为电信号；无线信 7 第二章螺杆泵工况诊断系统 号发射和接收装置将传感器产生的信号发射出去，实现远距离传输，然后通过接口传递 给计算机；计算机对所接收的信号数据进行工况诊断，并绘制出工况曲线。 2 2 转速测量 2 2 1 概述 在螺杆泵采油系统中，电机通过输出轴将机械能传递给光杆，然后经抽油杆柱传递 给井下螺杆泵，驱动转子旋转。根据现场实际情况，电机和抽油杆的转速比较方便测量。 螺杆泵转子因为在井下，不方便直接测量。电机输出轴将机械能输出后，要经过减速器 再传递给抽油杆，因此，电机输出轴转速与抽油杆转速具有一定的比例关系。杆柱与螺 杆泵的转速可以看作相同。 目前可用来测量转速的传感器种类很多：光电传感器、霍尔传感器和电涡流传感器 等。为了不影响采油井的正常生产，同时考虑测量方便。选取抽油杆柱的转速作为测量 对象。采用投射式光电传感器进行非接触测量。杆柱的转速与井下螺杆泵转子转速相关 联，一定程度上反映了油井的采油效率和采油量的大小，是螺杆泵采油系统的重要参数 之一。通过测量抽油杆转速的大小和变化情况，可以为判断螺杆泵采油井的工况情况提 供可靠参考。 2 2 2 光电传感器原理 当光敏二极管被光照射时，会产生很大的反向电流，产生的电流大小与光线的强弱 成正比；当光敏二极管加上反相电压且没有光照时，几乎不产生电流，电路视为断路。 光电传感器的工作原理就是利用光敏元 件的光电效应。可见光照射到光电传感器 上会发生光电效应。光敏元件能将接收到 的光信号转换为相应的电信号输出，实现 对被测物体的非接触测量。光电式转速传 图2 - 2 投射式光敏元件 体 感器可分为投射式和反射式两大类。投射 f i e 2 2p r o i e c t i o n 瞅p h o t o s e n s i t i v ee l e m e n t 式光敏元件如图2 2 所示。 2 2 3 光电式转速测量系统结构图 在光杆上固定一个齿轮圆盘作为测量用圆盘。圆盘上的齿轮在圆盘侧表面上均匀分 布。抽油杆柱转动时，齿轮盘也随之一同旋转。选择红外线或激光作为光源。光源发出 8 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 的光照射到齿轮盘上，发生反射。当光线照射到齿根的时候光线透过齿轮，照射到光敏 元件上。当光线照射到齿项的时候发生反射，不能继续到达光敏元件。当齿轮盘随抽油 杆一起转动时，每经过一次从齿项到齿根的变化，照射到光敏元件上的光线就会发生一 次明暗变化，光敏元件会产生光电效应，输出一个电信号。这样，杆柱的旋转速度就与 光敏元件输出的电信号相联系起来，通过记录单位时间内产生电信号的多少，就能得到 杆柱的转速。转速测量系统如图2 3 所示。 图2 3 转速测量系统 f i g 2 - 3 t h es t r u c t u r eo ft h er o t a t i o n a ls p e e dm e a s u r e m e n t 假设齿轮圆盘上的齿轮个数为幻，则光杆每转过一圈，光电传感器就会输出k ，个 数的电脉冲信号。如果每秒测得的脉冲信号为幻，则杆柱每分钟转速计算式为： 万：k 26 0(2-1) 万2 k l 式中，n 为抽油杆柱实际转速，r p m 。 如果在测量齿轮圆盘上设置6 0 个齿轮，且这些齿轮在圆盘上均匀分布，则上式可 写为： 刀= k 2( 2 2 ) 这样，每秒钟光电传感器被触发的次数就等于抽油杆柱每分钟的转速。即： = ，l( 2 3 ) 式中，厂为输出脉冲频率，h z ；刀为抽油杆柱实际转速，r p m 。 随着抽油杆柱的旋转，不断地有光经过齿轮缝隙到达光敏元件。经过放大整形电路， 输出一定幅值的脉冲电信号。将得到的脉冲信号送至计数器，即显示出杆柱转过的圈数。 记录下单位时间内显示器所显示的圈数，即可得到抽油杆柱的转速。 9 第二章螺杆泵工况诊断系统 2 3 扭矩、载荷及电功率测量 2 3 1 扭矩、载荷测量 ( 1 ) 概述 抽油杆柱由地面电机驱动，在螺杆泵采油系统中起着传递能量的重要作用。杆柱在 工作过程中，承受着拉力和扭矩的作用，发生拉伸、扭转变形。螺杆泵采油系统的工况 可以通过测量抽油杆的受力情况得到2 7 1 。 测量杆柱扭矩的基本原理和方法可以分为三种：传递法、平衡力法和能量转换法【3 6 1 。 能量法涉及到的影响因素比较多，误差较大。平衡法用作对静止或匀速运动状态下的对 象进行测量。这两种方法都不适于用在动态测量【3 7 1 。传递法的原理是利用测量对象在传 递扭矩时物理参数( 如应力、变形和应变等) 发生变化来测量扭矩【捌。测量扭矩的传感 器有：应变式扭矩传感器、光电式扭矩传感器、压磁式扭矩传感器等【3 8 1 。目前，传递类 的扭矩测量仪器比另外两种方法的应用较广泛。测量杆柱受力也可以利用测量弹性元件 变形的方法。弹性元件受力后会发生弹性变形，变形量与力的大小成正比。测量力的传 感器有：压电式力传感器、压磁式力传感器、差动变压器式力传感器等。 ( 2 ) 测量原理 转轴在承受扭矩发生扭转时，会产生扭应力和扭转角位移。用非电量电测量技术检 测出扭应力或扭转角位移即可求出扭矩值。 弹性轴受扭矩作用时，产生的扭转角计算式为： 伊= i 3 2 筹( 2 - 4 ) 伊= 一鬲 冗u n 式中，矽为扭转角，t a d ；m 为作用扭矩，n m ；l 为转轴长度，m ；d 为转轴直径，m ； g 为转轴材料弹性模量，p a 。 可变形为： m ：；r c g d 4 q 。 3 2 l 式中，m 为作用扭矩，n 。m 。 杆柱转轴表面剪切应力计算式为： 式中，t 为剪切应力，p a 。 1 6m 忙i 万刀口。 1 0 ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 可变形为： m = 警( 2 - 7 )1 6 应用应力、应变测量扭矩和轴向力。当电阻丝在外力作用下发生变形时，会发生应 变效应，其阻值也会发生相应的变化。应变片是由电阻丝贴在很薄的基座上制成。测量 对象受力的大小与应变片变形的大小成一定的比例关系。测量采用带温度补偿箔式应变 片，在杆柱表面上对称地贴4 个应变片。应变片分别与轴线成4 5 0 和1 3 5 0 分布。 扭矩和载荷测量系统组成如图2 4 所示。 图2 4 扭矩、载荷测量系统 f i g 2 - 4 t h et o r q u ea n dl o a dm e a s u r es y s t e m 驱动头经方卡子将驱动扭矩传递给光杆，并将杆柱的拉力传递给井口法兰。将传感 器安装在方卡子与驱动轴之间。扭矩、载荷传感器对杆柱的扭矩、载荷信号进行检测， 由信号传输装置传出。放大器将所得信号放大。滤波器将干扰信号滤除。最后由显示仪 器显示出来。 2 3 2 电功率测量 ( 1 ) 概述 在地面驱动螺杆泵采油系统中，螺杆泵的电机一般采用防爆三相异步电动机，启动 时三相电流和电压都不对称。螺杆泵的电机功率是一个非常重要的参数，可以采用单片 机实现三相功率测量。将由互感器测得的两组电压信号和电流信号送入单片机，进行数 据处理后得出三相电功率。功率可分为有功功率、无功功率和视在功率【3 9 】。三种功率关 系式如下： f p = 缸t c 0 s 妒 o - - 历v d l s i n ( 2 8 ) is = 缸厶 式中，缈为每项负载的阻抗角。 三相三线负载电路有星形和三角形两种接法。 第二章螺杆泵工况诊断系统 对于星形接法的三相三线制负载电路，如图2 5 所示。三相功率计算式为： p2 “彳i + u b i b + u c i c 根据基尔霍夫电流定律可得： 代入式( 2 9 ) 中，可得： i 一+ i 口+ i c = 0 p = “彳i + ub i 矗+ “c ( - i 一一i 口) = i 一g 一“c ) + i b0 口一“c ) = i a u 彳c + i b u b c2 p l + p 2 三角形接法的三相三线制负载电路，如图2 6 所示。该电路的三相功率计算式为： p = 材舳f 柚+ “口c f 舱+ “翻f 翻 根据基尔霍夫电压定律，有： ( 2 - 9 ) ( 2 一l o ) ( 2 - 1 1 ) “仙+ 甜此+ = 0j “一占= “此一“( 2 - 1 2 ) 根据基尔霍夫电流定律，对彳、召点有方程组： 代入式( 2 - 11 ) n - - f 得： a b c p = ( - “口c 一“翻，朋+ 甜占c i 鲇+ “a i 翻= “此( f 肥一f 仙) + “翻o 翻一匕) = u b c i 占一”d = u b c i 矗+ u a c i 2 p l + p 2 ( 2 - 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) 图2 - 5 三相三线制星形负载连接电路图 图2 - 6 三相三线制三角形负载连接电路图 f i g 2 - 5 t h r e e - w i r et h r e e - p h a s ec i r c u i t f i g 2 - 6 t h r e e - w i r et h r e e - p h a s ec i r c u i t o f y 二l o a do ft h r e e - d h a s e1 0 a d 由上述推导可知，对于三相三线制负载电路，不论负载是否对称，不论电路的连接 1 2 0 0 i i i i o k 一 一 0 膳小 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 形式是星形还是三角形，都可以采用两表法测量功率【3 6 1 。采油螺杆泵电机负载为感性， 相电压超前相电流矽，电路矢量图如图2 7 、图2 - 8 所示【3 7 1 。 u 图2 7 星形接法电路矢量图 图2 - 8 三角形接法电路矢量图 f i g 2 7 yc o n n e c t i o nc i r c u i tv e c t o rg r a p h f i g 2 8 d e l t ac o n n e c t i o nc i r c u i tv e c t o rg r a p h ( 2 ) 测量原理 用电压表和电流表测量驱动电机电流和电压。 电压互感器测量电压的原理简图如图2 - 9 所示。设初级绕组和次级绕组的匝数分别 为m 和m ，其中原边电流和副边电流分别为乃和乃。则： 丢= 瓮 p o = = z i3 l i ，n 1 、。 电压互感器：原边的( + ) 端接a 相，( ) 端接c 相。 副边的( + ) 端接+ 1 5 v ，( ) 端接地。设r ，上的电压为巩， 通过的电流为乃，r e 上的电压为，通过的电流为2 。 则： u 也j 厶= 鲁= 警 吣衿瓮驰= 器r = 篇u ： a c + 1 ( 2 - 16 ) 图2 - 9 电压互感器检测原理图 为了不影响生产，采用钳形电流表检测电流。握紧 f i g 2 9p 他8 s u 仃a n s f o m e r 扳手，电流互感器的铁芯张开，将需测量电流的导线穿 h e m a 廿cd a g r a m 过铁芯，放开扳手后铁芯闭合。此时，铁芯就形成一个闭合回路。钳形电表内部结构原 理图如图2 1 0 所示。铁芯内的导线相当于电流互感器的一次线圈。根据电磁感应定律， 当导线中有电流通过时，在闭合铁芯中产生磁场。铁芯中的磁场又引起线圈中产生电流， 1 3 第二章螺杆泵工况诊断系统 在二次线圈中产生感应电流。电流通过电阻转换为电压，实现测量。 线i 卜 摩 1 |- 图2 1 0 钳形电表内部结构原理图 f i g 2 - 1 0 t h es c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ei n t e r n a ls t r u c t u r eo ft h ec l a m pa m m e t e r 用电流互感器测量线电流，用电压互感器测量相电压。两次读数求和，得出三相总