（电机与电器专业论文）抽油机电机在变电压及变负载条件下节能控制方法研究.pdf

声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文抽油机电机在变电压及变负载条件下 节能控制方法研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的 研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 王拯查 日期：呈! ! ! ! ! ! 监 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) e t 期： 星! 乜u ! ： 导师签名： 1-i习 一 华北电力大学硕士学位论文 摘要 论文首先建立了以描述抽油杆柱一维振动的有阻尼波动方程为基础，选取光杆 运动和抽油泵负荷为边界条件，考虑电动机转速波动对系统动态特性影响的抽油机 一电动机一维动态模型，该模型的电机转速特性是依据电机机械特性曲线来体现 的。然后重点研究了电动机部分，即考虑电机参数变化的电机能耗模型，将之与 抽油机部分模型结合，完善了抽油机电机系统模型，使之能够完成能耗的求解。此 外，论文对曲柄平衡及断续供电方法进行了仿真研究并实测，结果表明，对于抽油 机电动机系统，曲柄平衡结合断续供电控制，可以获得更高的节能效果。 关键词：感应电机，抽油机，参数变化，能耗 a b s t r a c t t h et h e s i sf i r s te s t a b l i s h e st h ep u m p i n gu n i t e l e c t r i cm o t o r so n e - d i m e n s i o n a l d y n a m i cm o d e l t h em o d e lt a k e st h ed e s c r i p t i o no ft h es u c k e r - r o do n e d i m e n s i o n a l v i b r a t i o n sd a m p e dw a v ee q u a t i o na st h ef o u n d a t i o n a n dt h e s i ss e l e c t st h ep o l i s h e dr o d m o v e m e n ta n do i lp u m p sl o a da sb o u n d a r yc o n d i t i o n t h et h e s i sa l s oc o n s i d e r st h e i n f l u e n c eo ft h ee l e c t r i cm o t o r s p e e d s f l u c t u a t i o n so nt h e s y s t e m sd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c t h ee l e c t r i cm o t o rs p e e d sc h a r a c t e r i s t i co ft h i sm o d e lr e f l e c t sb a s e do nt h e e l e c t r i cm o t o r sp h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c sc u r v e t h e nt h e s i ss t u d i e st h ee l e c t r i cm o t o r s p a r tm a i n l yw h i c hc o n s i d e r s t h ee l e c t r i c m o t o r se n e r g yc o n s u m p t i o nm o d e lo ft h e e l e c t r i cm o t o rp a r a m e t e r s sv a r i a t i o n a n dt h ep a p e rc o m b i n e st h i sm o d e lw i t ht h em o d e l o ft h ep u m p i n gu n i t t h e s i sc o n s u m m a t e st h ep u m p i n gu n i t e l e c t r i cm o t o rs y s t e m s m o d e la n de n a b l e st h i sm o d e lt oc o m p l e t et h e e n e r g yc o n s u m p t i o n s s o l u t i o n i n a d d i t i o n ，t h ep a p e rc a r r i e so ns o m es i m u l a t i o ns t u d i e sa n da c t u a lm e a s u r e m e n t st ot h e c r a n k sb a l a n c ea n dt h ei n t e r m i t t e n tp o w e rs u p p l e sm e t h o d s t h er e s u l ts h o w st h a ti tc a n o b t a i nah ig h e re n e r g yc o n s e r v a t i o n se f f e c tw h e nt h ec r a n k sb a l a n c ec o m b i n e st h et h e i n t e r m i t t e n tp o w e rs u p p l y sc o n t r o lf o rt h ep u m p i n gu n i t - e l e c t r i cm o t o rs y s t e m w a n gy a n - j i e ( e l e c t r i cm a c h i n ea n dd e v i c e ) d i r e c t e db yp r o f l u oy i n g - l i k e yw o r d s ：i n d u c t i o nm o t o r ，p u m p i n gu n i t ，v a r i a t i o no fp a r a m e t e r s ，e n e r g yc o n s u m p t i o n 华北电力大学硕士学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章引言1 1 1 课题研究意义l 1 2 抽油机电机节能技术发展概况1 1 2 1 抽油机节能电机2 1 2 2 节能配电箱2 1 3 抽油机电机国内外研究现状3 1 3 1 基于m a t l a b 的感应电机仿真研究现状3 1 3 2 有杆抽油系统仿真研究现状4 1 4 论文主要内容5 1 4 1 论文的主要研究内容5 1 4 2 所涉及的主要问题及解决途径6 第二章抽油机动态负载的建模及仿真7 2 1 游梁式抽油机采油工作原理7 2 2 抽油机电机的负载特性8 2 3 有杆抽油系统的力学数学模型与仿真9 2 3 1 电动机转子力学模型9 2 3 2 抽油机机构分析与建模1 1 2 3 3 电动机与抽油机机构部分仿真分析1 3 2 3 4 抽油杆柱的力学分析1 6 2 3 4 1 抽油杆柱建模1 6 2 3 4 2 抽油杆受力分析1 6 2 3 4 3 抽油杆方程的建立1 7 2 3 4 4 抽油杆部分仿真分析1 8 2 3 5 有杆抽油系统的仿真分析2 0 2 4 本章小结2 2 第三章考虑参数非线性的抽油机电机动态能耗模型2 3 3 1 感应电机非线性参数的求取2 3 3 1 1 感应电机电抗的计算2 3 3 1 2 励磁电阻的计算2 4 3 1 3 参数求解过程2 4 3 1 4 流程图2 7 3 2 感应电机数学模型的建立2 8 3 3 抽油机电机损耗计算3 1 3 3 1 定、转子铜损耗的计算3 1 3 3 2 铁心损耗的计算3 l 3 3 3 机械损耗的计算3 2 3 4 仿真研究3 2 3 5 本章小结3 5 h 华北电力大学硕士学位论文 第四章抽油机一电动机系统动态能耗模型在节能控制中的应用3 6 4 1 抽油机电动机系统的平衡问题3 6 4 1 1 平衡原理3 6 4 1 2 平衡准则3 6 4 1 3 仿真与实测3 7 4 2 抽油机配重平衡与断续供电节能控制方法相结合4 2 4 2 1 断续供电节能原理4 3 4 2 2 断续供电节能控制技术的方法及控制策略4 3 4 2 3 仿真研究4 5 4 3 本章小结4 6 第五章结论与展望4 7 5 1 结论4 7 5 2 展望4 7 参考文献4 9 致谢5 2 附录5 3 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 4 i 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题研究意义 第一章引言 油田开采原油的方法分为两类：一类是利用地层本身的能量来举升原油，称为 自喷采油法，常见于新开发且储量大的一些油田；另一类是到了油田开发的中后 期，地层本身能量不足以使原油产生自喷，必须人为地利用机械设备将原油举升到 地面，称为人工举升采油法或机械采油法n 】。 目前我国大多数油田已相继进入了开发的中后期，油井逐渐丧失自喷能力，基 本上已从自喷转入机采。2 0 0 0 年我国油田共有抽油机采油井约8 万口，占油田总井 数的9 0 。在这些机采油井中，采用抽油机有杆式抽油的占9 0 t 2 。近几年，随着 稳油控水和节能的要求不断提高，各种节能型抽油机和长冲程抽油机的数量在不断 增加，游梁式抽油机是国内外各大油田的主要机械采油设备。据报道我国抽油机总 数已达2 0 万台，每天耗电量超过0 5 1 0 8 k w h 2 1 ，而抽油机总体效率很低，在国内 般地区平均只有1 2 - - 2 3 ，先进地区至今也不到3 0 。美国的常规型抽油机系统 的总效率较高，但也仅有4 6 t 3 1 。如何节能、降低损耗成为有杆抽油系统的一个亟 需解决的问题，也是油田长期以来需要研究的重要课题。 1 2 抽油机电机节能技术发展概况 我国大部分油田均采用机械式采油方式，其中又以游梁式抽油机应用最为普 遍。抽油机一般由电机驱动，通过抽油杆柱的上、下运动将原油抽到地面的管网中。 电机轴上形成的负荷，即抽油机的合成扭矩呈周期性波动，每周期有数次载荷冲击、 有一两次负值扭矩出现，抽油机的合成扭矩r 随曲柄转角p 的变化曲线如图1 1 所示 【3 1 。每口井的抽油机负荷曲线几乎都不相同，千差万别。通过大量的现场测试发现， 抽油机的平均负荷一般为最大负荷的l 3 ，电动机的负荷率大部分在1 0 , - - 2 0 ，负荷 率最高的也不过3 0 。电动机的平均负荷率低，电动机的容量没有被充分利用，存在 着严重的“大马拉小车现象i j 4 j 。 r 图i - 1 曲柄净扭矩曲线 华北电力大学硕士学位论文 目前直接针对抽油机节能的技术主要有两大类【5 】：抽油机节能电机以及节能配 电箱。 1 2 1 抽油机节能电机 ( 1 ) 超高转差电机 据称在美国油井上已安装几万台，节电率达2 0 。但在我国实测结果是超高转 差电机只在轻载3 0 以下时有节电效果。主要原因：首先要使用超高转差率电机节 电，对象必须是振动载荷大的井( 美国油井的振动载荷、惯性载荷都大) 。其次要 求电机的转差率要适度，不可过高。一般来说，各大油田的电机，其转差率的最大 值不能超过6 0 o , - , 8 。近些年，采油工艺的发展日趋于大冲程、低冲次，这种工艺 本身就能最大限度的减少惯性负荷和振动负荷，因此超高转差率电机的应用范围被 大大缩小。 ( 2 ) 永磁同步电机 这是一种油田所用的新型抽油机电机，其效率和功率因数都优于一般异步电 机。电机本身是硬特性，运行中无转差。如t y c 2 5 0 m 6 ，功率3 7 k w ，功率因数0 9 8 3 ， 额定电流6 0 6 a ，堵转电流1 2 7 倍，堵转力矩3 6 9 倍。其缺点是，和高转差电机比， 没有消减振动载荷的能力，反而会增大对减速箱齿轮的冲击损害；钕铁硼材料本身 的居里点只在1 2 0 - - - 1 3 0 。c ，一旦电机烧毁就会失磁；此外转子极数已定，不能适 应调参的需要实行变极调速。 ( 3 ) 双定子电机 双定子电机是一种新型的异步电机，做成两部分定子。起动时集两部分的合力 矩以加大起动力矩，待起动完成时则切除一部分，留下另一部分运行，以适应低负 荷时以低功率匹配来达到节电的目的。缺点是电机的制造难度和成本增加。 ( 4 ) 电磁调速电机 在抽油机既定的负荷条件下，通过仅改变其绕组结构完成6 8 极，8 1 2 极的单绕 组非倍极改型设计，使其运行在原井抽油机上，其负荷率从2 0 - 8 0 变化，电机都 运行在高效区，这种方式既适用于旧电机改造，又适用于新电机生产。 1 2 2 节能配电箱 ( 1 ) 定子绕组y - 转换调压 电机正常运行时，定子绕组为接法，起动时为y 接法。起动时绕组电压为电 网额定线电压的1 、j ，起动电压降低，待接近额定转速时，定子绕组转换为接法， 控制简单，但每次起动需要人工干预，减压范围一定，用途受到限制。 ( 2 )电容器动态无功补偿及静态无功补偿 无功补偿的基本原理是把容性负荷与感性负荷并联在同一个系统中，能量在两 2 华北电力大学硕士学位论文 者之间互相转换。这样，感性负荷所需的无功功率可由容性负荷提供，功率因数也 提高了，也减小了无功损耗，还可以提高设备的有功功力、降低功率损耗和电能损 失。根据以上的想法，如果在高压电动机起动时并联适当电容值的电容器，同样可 以补偿起动时的无功功率，减小起动电压降。其工作原理是：在起动高电压电动机 时，同时将电容器投入，经过适当的时间，迅速退出电容器组。整个过程可理解为 无功功率的就地补偿，只是时间很短。电容补偿起动的优点在于起动时，电动机的 端电压不降低同样可以减少起动电流，并且不减少起动转矩，缩小起动时间。 ( 3 ) 可控硅调压( 软起动) 一般称之电机的软起动，通过采用晶闸管调压电路来控制电压的大小。虽然采 用双向晶闸管实现了定子电压随负载变化的连续调节，节电效果较好，但是电源电 流波形发生畸变，电网谐波污染严重，另外在油田的恶劣环境下，其可靠性等都受 到制约。同时结构复杂，成本较高。 ( 4 ) 液态电阻软起动 在起动过程中，将可变电阻串入定子，实现限流，在起动完成后将它短接。电 阻的可变性是靠改变电解液电阻箱的极板距离实现的。电解液电阻箱串入定子的方 法在本质上属于降压起动，它是以牺牲起动力矩为代价的。电阻值随着电机转速的 升高而均匀减少，借以不断增加起动力矩，并为短接时不产生电流冲击准备条件。 电液变阻起动器由三个相互绝缘的电液箱构成，内部分别盛有电液及一组相对应的 导电极板，导电极板为一动一定，动极板组通过传动机构及伺服控制系统控制运行。 起动开始后，根据电动机起动电流的大小可自动地调整液阻值，使整个起动过程控 制在较小起动电流下均匀升速，而液阻无极切除，从而实现电动机的软起动。优点 是成本低，易于维护，工作环境要求不高；缺点是体积大，占地面积大。 ( 5 ) 变频电源 随着大功率半导体器件的发展，研制的具有高性能价格比的抽油机专用变频电 源是有发展前途的油田节能产品。如采用基于双p w m 变频电路的电源系统，实现 电能的双向流动，同时具有输入功率因数校正作用。以上新型双s p w m 变频电源实 现了能量的双向流动，且功率因数接近1 ，是抽油机类频繁可逆、快速制动负载的 最佳电源选择，其节电效率可达1 5 。其缺陷是设备成本较高，控制系统复杂，在 油田的恶劣环境下工作，其可靠性防盗等都成问题。但长远来看，应该是发展方向。 1 3 抽油机电机国内外研究现状 1 3 1 基于m a t l a b 的感应电机仿真研究现状 感应电机，又称异步电机，在工业中具有广泛的应用。感应电机作为将电能转 换成机械能的一种装置，以其结构简单，制造方便，重量较轻，价格便宜，坚固耐 3 华北电力人学硕士学位论文 用，运行可靠，效率高等优点，在各个领域中应用更普遍。据统计，电动机消耗的 电能约占全国总用电量的6 0 7 0 t 6 1 。因此，了解和掌握电机在稳态和瞬态情况下 的运行性能十分重要。 感应电机数学模型中的电压方程，磁链方程都是复杂的矩阵方程，而m a t l a b 对于解矩阵方程有很大的优势，所以很多研究工作者选用m a t l a b 作为感应电机 运行的动态仿真工具。 m a t l a b ( m a t r i xl a b o r a t o r y ，即“矩阵实验室 ) 最初由美国墨西哥大学教 授提出并应用于矩阵计算的教学中。自从m a t l a b 由m a t h w o r k s 公司推出后， m a t l a b 为各国的工程科学家开发科学应用软件提供了新的基础，并且得到了全世 界的关注和欢迎。m a t l a b 经过不断的扩充和完善，已经发展成为功能强大，适用 于多个学科和领域的系统仿真软件工具。随着版本的不断更新，m a t l a b 的功能不 断完善，已经不仅仅是“矩阵实验室 ，其功能齐备的应用工具箱、良好的用户界 面、便捷的模块化动态仿真环境，使m a t l a b 成为国际上最为流行的科学计算以 及系统仿真领域的系统软件工具。 m a t l a b 语言既是一种“演算纸式 的用于科学工程计算的高级语言，又是一 种功能极其强大的辅助工具( 如：模型仿真、图象处理和i n t e m e t 网络功能) 【7 1 。 目前用m a t l a b 对感应电机所做的仿真工作已经很多，这些用m a t l a b 对感 应电机仿真建模大体可以分成三种形式 8 , 9 , 1 0 】： 1 ) 根据感应电机的数学模型列写状态方程，利用感应电机状态方程，编写m 文件，调用算法进行求解，获得感应电机的运行特性曲线，对电机进行仿真。 2 ) 直接利用m a t l a b 模块库中的电力系统模块库p s b 中的电机模型对感应电 机进行仿真。p s b 中的电机模型是已经封装过的电机模型，使用时只要将其拖拽到 指定的位置，然后对电机模型中的参数值进行修改，就可以得到需要仿真的电机模 型。 3 ) 用m a t a l b s i m u l i n k 工具箱，根据电机的数学模型，应用其中的信号源，数 学运算器件等搭建感应电机的仿真模型。如此建立的感应电机的数学模型具有更好 的图形界面，更改电机参数也更容易，还可以根据研究者的需要设定输出量，获得 需用信息。 1 3 2 有杆抽油系统仿真研究现状 从国内外范围研究现状可以看出，目前在建立有杆抽油系统的数学模型与仿真 模型时做了大量简化，主要研究了抽油杆、液柱、油管柱与电动机四个子系统。有 杆抽油系统动态参数计算机仿真技术主要包括抽油机、抽油泵、抽油杆、电动机。 s g g i b b s 于1 9 6 3 年首先提出了有杆抽油系统的预测模型。该模型建立了描述 抽油杆柱纵向振动的一维有阻尼波动方程加上光杆运动与井下抽油泵工作情况的 4 华北电力大学硕士学位论文 边界条件以及抽油杆运动的初始条件，应用有限差分法求解波动方程，从而较精确 地预测出了油油机悬点以及抽油杆柱任意截面的示功图。s g g i b b s 在他后来的研究 中也把有杆抽油系统动态预测技术称为有杆抽油系统动态参数计算机仿真，并指出 有杆抽油系统动态参数计算机仿真技术适用于各类型的抽油机、任意材料的抽油 机、各种类型的电动机以及井下抽油泵的任意工作状况。1 9 8 3 年，d a l er u s s e ld o t y 和z e l i m i rs c h m i d t 建立了同时考虑抽油杆与液柱振动的有杆抽油系统动态参数计算 机仿真的数学模型与仿真模型。j x u 在后来的研究中建立了定向井中抽油杆柱三维 振动数学模型，即抽油杆柱沿井眼轴线方向的纵向振动与在两个相互垂直平面的横 向振动的数学模型【9 】。 我国对有杆抽油系统动态参数计算机仿真技术的研究起步较晚。自2 0 世纪8 0 年代中期至2 0 世纪8 0 年代末，一维模型与二维模型的有杆抽油系统动态参数的计 算机仿真技术先后在我国油田得到应用。结合我国油f f l 的特点，西安石油学院余安 国教授首先建立了同时描述抽油柱、液柱和油管柱振动的三维仿真模型，从而进一 步完善和发展了有杆抽油系统动态参数的计算机仿真技术。从国内外研究现状可以 看出，目前在建立有杆抽油系统的数学模型与仿真模型时做了大量简化，但主要研 究了抽油杆、液柱、油管柱与电动机四个子系统。西南石油学院董世民的博士学位 论文有杆抽油系统动态参数的计算机仿真中建立了单元模块仿真方法，解决了 高度耦合的混合模型的仿真算法问题。 1 4 论文主要内容 - 1 4 1 论文的主要研究内容 本文的主要工作是研究分析感应电动机和抽油机负载的数学模型，以 m a t l a b 2 0 0 8 b 为运行环境，考虑电机参数的非线性及抽油杆柱振动，建立合理的 抽油机一电动机系统的动态仿真模型，用来满足研究者对感应电机带特殊性负载时 电动、发电工况变换运行的需要。 本文研究的主要内容包括几个方面： 1 首先对曲柄运动规律和抽油机机构进行分析并建立其数学模型，接着建立抽 油杆柱振动力学模型，由此模型得到考虑抽油杆纵向振动的波动方程，然后建立 了考虑电机转速波动以及抽油杆柱纵向振动的完善的抽油机一电动机一维动态模 型并进行仿真； 2 将考虑感应电机定、转子漏抗置、x ：，励磁电抗x 。和励磁电阻尺。这四个 参数非线性的电机动态模型、抽油机偏心平衡块的动态储能表达式、四连杆机构与 游梁共同作用将旋转运动转化为悬点直线运动的动态运动方程与描述细长抽油杆 上下往复运动中弹性变形的波动方程相结合，建立了抽油机一电动机系统动态耗能 华北电力人学硕士学位论文 模型，进而在m a t l a b 环境下进行仿真； 3 运用抽油机一电动机系统动态能耗模型，研究该系统的平衡问题，并通过仿 真和实测表明，对抽油机的配重进行平衡调节可以达到节能的目的，为抽油机寻求 新的节能途径提供参考； 4 利用抽油机一电动机系统动态能耗模型，研究了抽油机一电动机系统的调压 节能，采用断续供电的方法，并与抽油机调节平衡相结合，寻求节电效果更优秀的 节能控制方法。 1 4 2 所涉及的主要问题及解决途径 1 在对抽油杆柱振动规律以及抽油机曲柄运动规律编程时，由于抽油杆柱振动 规律的数学模型为偏微分方程，可以选择差分方法建立仿真模型；抽油机曲柄运动 规律的数学模型为常微分方程，可以选用数值积分方法建立仿真模型；这就产生了 两个单元模块之间关联变量数据联系的同步性问题和时间如何协调一致的问题。本 文在两个方程耦合求解时，对常微分方程采用欧拉法，对偏微分方程采用三层隐式 差分法，对待求解量，在时间上离散，时间上每走一步，求解一次方程，得到一个 时间点上的值，然后按照时间步长向下继续进行，直到满足一定精度时结束求解。 2 在考虑电机参数非线性时，因为电机的饱和程度不确定，相应的也就无法 确定求解耦合方程时某一时刻的电机参数值。对于这一问题，本文采用迭代修正的 方法，先假设某一时刻电机的饱和程度，然后根据该时刻抽油机仿真部分给出的转 速，结合电机模型求取电机的饱和程度，将之与假设值迭代、循环、比较，直到满 足条件，即确定该时刻电机的饱和程度，进而求得电机的非线性参数及电机数学模 型。 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章抽油机动态负载的建模及仿真 游梁式抽油机是目前量大面广、使用最普遍的采油设备，在人工举升方式上它 属于抽油杆往复运动类。目前应用最广泛的游梁式抽油机抽油系统如图2 1 所示， 该系统由三部分组成：一是地面部分游梁式抽油机，它由电动机、减速箱和四 连杆机构( 包括曲柄、连杆和游梁) 等组成；二是井下部分抽油泵( 包括吸入 阀、泵筒、柱塞和排出阀等) ，它悬挂在套管中油管的下端；三是联系地面和井下 的中间部分抽油杆柱，它由一种或几种直径的抽油杆和接箍组成。 、 图2 - 1 有杆抽油系统示意图 2 1 游梁式抽油机采油工作原理 有杆抽油系统的工作原理是【1 2 】：电动机通过皮带轮和减速器带动曲柄作圆周运 动，曲柄通过连杆带动游梁以支架上中央轴承为支点，做上下摆动，从而带动游梁 前端的驴头悬点连接的抽油杆柱、油泵柱塞做上下往复直线运动，实现机械采油。 当悬点( 抽油杆) 处于上冲程时，抽油杆柱带动抽油泵活塞上行，抽油泵的游 动阀受阀的自重和油管内液柱压力的作用而关闭，并提升柱塞上部的液体。与此同 7 华北电力大学硕士学位论文 时柱塞下面的泵筒空间里的压力降低，当其压力低于套管压力时，外空间的液体将 顶开油泵固定阀而进入抽油泵活塞上冲程所让开的泵筒空间；当柱塞下行时，油泵 的固定阀靠自重下落而关闭，泵筒内的液体受到压缩，在柱塞继续下行过程中，泵 内的压力不断增高，当泵内压力增至超过油管内液柱压力时，将顶开抽油泵的游动 阀使泵筒内的液体进入油管内。由于抽油泵柱塞在抽油机的带动下，连续做往复运 动，因而抽油泵的固定阀和游动阀也将交替地关闭与打开，完成抽油泵的抽吸工作 循环。概括地说：上冲程时，将柱塞之上的液体排入输油管线，将泵外的液体吸入 泵内；下冲程时，将柱塞之下油泵内的液体吸入柱塞之上的油管内。 2 2 抽油机电机的负载特性 游梁式抽油机是一种典型的周期性变工况势能负载n 射。抽油机的上冲程，一般 来说对应着抽油机电动机的电动工况，当驴头向下运动的下冲程时，如果驴头和井 下泵杆的下落拖动电动机的转速超过了同步速，此时机械力矩成为驱动转矩，电磁 转矩为负，感应电机处于发电工况n 3 1 钔。由于平衡块配重的不同，使感应电机的电 动和发电工况出现的位置和程度也不同，期间还包含若干重载、轻载与空载工况周 期性地交替变化。廊坊第四采油厂实测一抽油机电动机( 3 0 k w ) 的输入功率曲线如图 2 2 所示。 , m a x1 6 5 5 k w v b i n - 5 8 7 k w a 触i 他鳓蜘脚搬) i m a x0 7 5 2 r a i n - 0 3 5 9 冬触触鳓荆彬 图2 2 现场实测抽油机电动机的输入功率与功率因数曲线 从图中的功率曲线可见其主要特点：负荷有特定的周期性。这是因为抽油机的 平衡重力矩、悬点负荷力矩和动载力矩的合成力矩呈现出周期性的正负波动。不同 抽油机电机由于其负荷力矩受到不同采油工况的影响，所以其最终的合成力矩有各 种各样的形式。由于抽油机载荷的复杂性，造成了其负载曲线的复杂性，但是抽油 机电机的负载转矩一般都会有正负的周期性变化。由于负载转矩的变化，线路上的 电流有效值不再恒定，呈现出大小波动的变化( 负值表示电流反向，电动机运行在 发电机状态) 。所以，在抽油机抽油的一个冲程周期中，感应电机交替运行在发电 和电动状态。 8 华北电力人学硕士学位论文 2 3 有杆抽油系统的力学数学模型与仿真 从图2 2 中可以看出抽油电动机负载功率呈周期性变化，包括重载、轻载、空 载和发电状态。 以往研究感应电机特性，对感应电机不同工作状态进行计算机仿真时，一般给 电机加额定负载都是定值负载，负载转矩为一常量，通过控制感应电机供电电源来 改变电机运行状态，而对电机负载变化的仿真研究很少。本文用m a t l a b m 对感 应电机进行仿真时，由于抽油机机械特性的复杂性，抽油机井况多样性，抽油机电 机的负载也是多种多样，为了与真实的电动机运行特性相吻合，需要构造出电机的 负载转矩特性曲线。 根据抽油机负载的数学模型，考虑到抽油机一电机系统仿真模型等因素，用m 文件搭建抽油机负载仿真模型是可行的。但是抽油机的数学模型由于包含了很多因 素，而且这些因素也在不断的发生变化：如载荷的情况，不同井的载荷不同，同一 井在不同的时间段载荷也会不同，这使得根据数学模型建立仿真模型非常复杂。 对图2 - 1 的有杆抽油系统示意图，为便于对单元模块( 即各子系统) 的建模，作 如下几点假设【ll 】： ( 1 ) 不考虑电动机转子到减速箱曲柄各传动副的间隙与传动件的弹性变形； ( 2 ) 在分析抽油机主体机构的运动规律时，不考虑各传动副的间隙与传动的弹性 变形； ( 3 ) 不考虑油井液体、油管柱的振动，抽油杆柱与油管同心。 根据上述三点假设，在对有杆抽油系统的动态特性进行仿真时，可将整个系统 分成三个子系统：电动机、抽油机、抽油杆柱。下面分别讨论各个子系统的力学模 型。 2 3 1 电动机转子力学模型 电动机转子到减速箱输出轴的传动装置具有恒定的传动比，如果能确定曲柄的 运动规律，也就确定了电动机转子的运动规律。因此，在研究电动机转子和皮带减 速箱装置的运动规律时，只需研究曲柄的运动规律。 图2 - 3 曲柄运动规律力学模型9 】 9 华北电力大学硕十学位论文 根据机械系统动力学原理，将有杆抽油系统简化为如图2 3 所示的一个等效的 动力学模型，将对有杆抽油系统动力学的研究转化为对一个等效构件的研究。图中 m 耐为转化到曲柄上的等效驱动力矩；m 一为转化到曲柄上的等效阻力矩；以为系 统转化到曲柄上的等能转动惯量。 ： 由系统动力学理论可得曲柄运动规律微分方程【9 】： r 以外三1 矿等州耐埘矿( 2 - 1 ) 【0 | f i o 2o ，臼b2 q o 式中以悬点下死点为基准，在任意时刻f 时曲柄所在位置的转角，r a d ；q 。一在 p = 如时，曲柄转动的角速度，j 居。 1 等效驱动力矩膨耐 按功率相等原则将电动机输出轴扭矩转化到曲柄轴处所得的扭矩即为系统的 等效驱动力矩m 耐。显然，系统的等效驱动力矩取决于电动机的机械特性。 在无实测电动机机械特性曲线的情况下，可以根据电动机的额定参数由下式近 似计算等效驱动力矩尬，1 1 】： m ：堡鲣塑避d 些( 2 - 2 ) 黾2 q 0 2 + ( q o f 扭口) 2 虬= l u b r u b m ( 2 - 3 ) 式中 肘h ：9 5 s o e , , ，s u ：n o - - n i l ，& = 品( k + 疥) ，q = 矽， 厶= 猖，耻蝴慌撼r ； 刀措子额定转速，r m i n t 妇是电动机角速度和曲柄角速度的比；，7 m 广电动机输出轴 到减速箱输出轴的传动效率；- 讶l 电动机在转子角速度为k 矽时的输出扭矩；七l 一系数， 当m o 时，k l = 一1 ；当m o 时，乞= 一1 ；当o 时， 华北电力大学硕十学位论文 屯= 1 。 3 等能转动惯量以 按照动能相等原则，将从电动机转子到抽油机悬点的所有运动件的质量和转动 惯量转化到曲柄轴处，以由下式计算【1 1 】： 城俐协2 仁5 ， 式中以一第f 个部件绕其质心的转动惯量，姆m 2 ；q ，一第f 个部件转动的角速度， l s ：一第i 个部件的质量，堙；y ；一第f 个部件质心的运动速度，所s 。 2 3 2 抽油机机构分析与建模 抽油机机构分析的目的是确定任意时刻悬点的位移。图2 4 为抽油机运行机构 示意图，其中各个角及各量的规定：r 为曲柄半径；p 为连杆长度；c 为游梁后臂 长度；k 为基杆长度；a 为游梁前臂长度：i 为基杆的水平投影；o o 为曲柄的偏置角； 口为任意时刻t 曲柄相对于悬点下死点时曲柄所在位置的转角，r a d ；鼠是曲柄位于 1 2 点钟方向为零点，曲柄顺时旋转至图中位置时的角度；只为r ，k 之间的夹角； 只为p 相对于k 的夹角；见为k 到c 之间的夹角；为和k 之间的夹角。 图2 - 4 抽油机运动机构示意图【8 】 正方向的规定： ( 1 ) 曲柄转角q 在1 2 点钟算起，并且沿顺时针方向为正； ( 2 ) 各杆件的参考角岛，岛，幺均从基杆k 算起，并且沿逆时针方向为正。 图2 - 4 中几何关系为【1 1 】： 口t n ( 毒) ( 2 6 ) 兰型盔堂堡主堂垡笙壅 q = o o + 口 ( 2 7 ) = 届i 丽( 2 - 8 ) 一i n ( 争岛) ：亿9 ， 色= a r c c o s p 2 + l 2 _ c 2 一 幺= a r c c o s ( p 2 _ l 2 _ c 2 - 将图中各杆件看成矢量，可得如下的矢量方程： 尺+ p = k + c 上述矢量方程可以用复变矢量表示为： r e 0 2 + p e 0 3 = k + c 台以 将上式两边对时间t 求导，可得各杆件运动的角速度为， 和游梁的角加速度： 幺= 一0 爱：r02 s i n ( 0 4 - 9 2 ) 3 p s i n ( e 3 一吼) 占。：堕s i n ( o , - o , ) c s i n ( e , 一以) ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) 其中岛，幺分别为连杆 将上式对时间f 求导，可得连杆和游梁的角加速度嚣，反为： 0 2 = 一口 0 ：坑【拿3 = 口3 【= 0 2 0 ：“拿4 = p 4 = 0 ， 一( 0 3 一 一( 口3 一 日4 ) c o t ( 0 3 秒4 ) c o t ( p 3 ( 2 1 3 ) 一0 4 ) + ( 坑一反) c o t ( e 。一口：) 】( 2 - 1 4 ) 一0 4 ) + ( 口2 一矽3 ) c o t ( 0 2 0 3 ) 】 苎喜尊竺u ，a ： “= 。b 4 彳( 2 - 1 5 ) 悬点加速度口彳： 4 = 反彳 ( 2 1 6 ) 扭矩因数卵，其定义为悬点的速度对曲柄的加速度的比值，它的物理意义为单位 悬点载荷在曲柄轴上产生的扭矩。表达式为： 华北电力大学硕士学位论文 t f ：一r a s i n ( 0 3 - 8 2 ) f 2 1 7 ) c s i n ( 0 3 一以) 、 由上式可见，万为随曲柄转角9 而变的位置函数，与曲柄角速度无关。若曲柄 角速度为常数，巧随曲柄转角秒的变化规律与悬点速度变化规律一致。 以下死点为位移零点，向上为位移的正方向，则任意时刻的悬点位移p 尺为： p r = ( y 一一) 彳 ( 2 1 8 ) 以上死点为位移零点，向下为位移的正方向，则悬点位移“( f ) 为： u ( f ) = ( y 一缈晌) 么 ( 2 1 9 ) 其中： 沙一= a r c 州生铲】 y 晌= 一s 【生掣】 2 3 3 电动机与抽油机机构部分仿真分析 方程( 2 1 ) 为二阶非线性常微分方程，其中的变量p 、矽和痧间的关系不可能用直 接积分的方法求解，因此实际应用中对式( 2 1 ) 微分方程常采用数值近似解法。 将式( 2 1 ) 微分方程改写为： 痧= 去( m 耐一一三矽2 等) ( 2 - 2 0 ) 对于单纯求解式( 2 2 0 ) 这个微分方程，常用的解法可采用欧拉法、改进欧拉法 和龙格一库塔法。为了与后文一致( 2 4 节) ，这里采用欧拉法求解。 将时间t 离散成个时间段，以下标j 表示，产0 ，1 ，2 ，山其时间段为出则 式( 2 2 0 ) 写成差分形式为： 钆= 去 c 忆一坞) ，_ 1 2 舻j c 等，) 谚+ 。= 谚+ 谚f ( 2 2 1 ) 8 峨= e j 8 攀 这样，利用曲柄运动和抽油机机构运动的分析结果，对型号c y j y l 0 4 2 - 5 3 h b 型抽油机编制相应的m 语言程序。所用抽油机参数如下：悬点最大载荷为1 0 0 k n ； 结构不平衡重为0 k n ；游梁前臂长度4 为4 4 0 0 m m ；游梁后臂长度c 为2 5 0 0 m m ；连 杆长度为3 6 0 0 m m ；曲柄旋转半径r 为l1 0 0 m m ；基杆长度k 为4 7 4 2 m m ；基杆水 华北电力大学硕士学位论文 平投影，为3 2 0 0 m m ：支架轴承输出轴中心至底座底面之高度日为6 1 0 0 m m ；减速箱 输出轴中心至底座之高度g 为2 6 0 0 m m ：曲柄偏置角r 为1 0 0 。所用电机参数为：八 极三相异步电机参数：额定功率p = - 4 5 k w ，额定电压u = 3 8 0 v ，额定电流i = 9 3 2 a ， 电机接，额定转速n n = 7 4 0 转分；转动惯量j = 1 3 9 k g i n 2 ，摩擦阻力系数 0 0 2 0 4 6 ( n m s ) r a d 。 得出该抽油机在一个周期内负载转矩曲线和机构的运动学特性参数曲线分别如 图2 5 和图2 - 6 所示。此处光杆负荷p r l 取恒值4 0 k n ，平衡配重的块数为4 。 1 1 0 0 e 弓 辎 暴0 景 幂 图2 5 抽油机负载转矩仿真曲线 由图2 5 可见，抽油机是一种周期性变负荷的负载，在一个周期内存在发电和电动 两种工况，该仿真曲线的特性与现场实测的负载转矩特性较吻合。 重 醚 罂 曲柄转角( ) ( a ) 连杆的角速度曲线图 1 4 曲柄转角i 1 ( b ) 游梁的角速度曲线图 华北电力大学硕十学位论文 e 一 静 掣 ( c ) 连杆的角加速度曲线图 ( e ) 悬点的位移曲线 e 重 型 艘 晨 援 ( d ) 游梁的角加速度曲线图 曲柄转角( 。) ( 0 悬点的速度曲线 曲柄转角i ) 曲柄转角( ) ( g ) 悬点的加速度曲线 ( h ) 扭矩因数曲线 图2 6 抽油机机构分析仿真图 通过对上述运动学分析，一方面可以对机构的运动规律有所认识，更重要的是 所得的运动学特性数据为以后求解抽油杆波动方程提供了初始值( 即上边界条件) 1 5 r，p曼毯鬻景援 一萼量避豫 一n里曼毯嚣量 华北电力大学硕士学位论文 2 3 4 抽油杆柱的力学分析 上节图2 5 、2 - 6 是在光杆负荷为常值的情况下得到的，本节将研究抽油杆柱的 振动，其动力学仿真的直接结果是得到悬点载荷，该载荷不再是常值，而是变化的 了。因此，对抽油杆柱的动力学仿真成为有杆抽油系统动态参数预测( 仿真) 的重点 和关键。 2 3 4 1 抽油杆柱建模 当不考虑抽油杆柱悬挂系统的弹性时，可采用图2 - 7 所示的物理模型来研究抽 油杆柱的纵向振动。抽油杆柱任意截面的运动可以分解成为两部分：一是该截面随 悬点的运动；二是该截面相对于悬点的运动。 悬点上死点a j l 、 u 掌 1， jl j 0 a x 十 x j r l + u ( x ，f ) l 1r o 1 2 f l l f + l ，一2 ，一l i p ( f ) 图2 - 7 抽油杆柱的物理模型 2 3 4 2 抽油杆受力分析 对抽油杆任意小微元进行受力分析，可知抽油杆受到4 个力：自身的重力，油 液的阻力，弹性力，惯性力。对抽油杆进行受力分析前，规定抽油杆所受各力的正 方向如图2 - 8 所示，那么各力的实际方向与规定的正方向相