抽油机功率平衡系统的设计

毕业论文抽油机功率平衡系统的设计系别自动化工程系专业名称测控技术与仪器班级学号5061025姓名任姗指导教师金伟2010年6月15日抽油机功率平衡系统的设计摘要我国的油田多为低渗透的低能、低产油田，大部分油田要靠注水压油入井，再靠抽油机把油从地层中提升上来。以水换油、以电换油是我国油田的现实，电费在我国的石油开采中占了很大比例。因此石油行业十分重视节能。在我国石油开采中，机械采油井占绝大多数，其中有杆采油占总机械采油的90以上，所以研究有杆抽油设备的节能对于减少能耗具有重大意义。由于抽油机载荷的不平衡性，使电机大多数情况下处于轻载状态，电能的利用率低，能耗增加，因此抽油机的平衡对于节能降耗十分重要。本文诣在通过调整抽油机的平衡提高电能利用率，减少能耗。首先，在有杆抽油系统的结构和工作原理的基础上，根据抽油机的平衡条件和平衡准则，对油田在役的常规抽油机进行平衡分析和计算。然后，在对游梁式抽油机进行动力学分析的基础上，根据机械系统的力学原理，将整个系统简化为一个等效动力学模型，分析扭矩变化情况。当抽油机的改变平衡点时，可在扭矩变化的基础上重新调整抽油机的平衡。最后，组建了一个监测抽油机运行情况的系统，该系统以捷尼特为核心器件，可以监测抽油机的电流、电压、功率因数、功率等参数，根据测得参数可以查看抽油机的工作状态，当抽油机的工作状态不平衡时，可以根据上述的扭矩变化情况来重新调整它的平衡。整个设计的核心是平衡的计算，在不增加成本的基础上，通过调整平衡块的质量和半径，使抽油机处于平衡状态，实现了节能增效。因此，本成果对调整抽油机平衡有很强的实际意义，成本不变的同时增加了其可行性。关键词抽油机，平衡，功率，扭矩THEDESIGNOFPUMPINGUNITPOWERBALANCESYSTEMAUTHORRENSHANTUTORJINWEIABSTRACTTHEOILFIELDSINOURCOUNTRYARELOWPRESSANDLOWYIELDINGINMOSTCASES,THEOILENTERSINTOTHEWELLUNDERTHEPRESSPRODUCEDBYWATER,ANDTHENELEVATEDFROMTHESTRATUMUPTOTHEGROUNDTHEREALITYOFCHINASOILFIELDSISTHATWEOBTAINOILPRODUCTIONBYMEANSOFINJECTINGWATERANDCONSUMINGALOTOFELECTRICITY,SOELECTRICITYFEETAKESALARGEPROPORTIONSOTHEOILINDUSTRYATTACHESGREATIMPORTANCETOENERGYCONSERVATIONINTHEPETROLEUMEXPLOITATIONOFCHINA,THEOVERWHELMINGMAJORITYOFOILPRODUCTIONWELLSISMECHANICALTHEQUANTITYOFRODHAVINGPUMPUNITISOVEROVERNINETYPERCENTOFTHEWHOLEQUANTITYOFTHEEQUIPMENTSOFOILEXTRACTIONINOILFIELDTHEREFORETHESTUDYOFPUMPINGEQUIPMENTTOREDUCEENERGYCONSUMPTIONPLAYSANIMPORTANTROLEASTHEPUMPINGLOADISOUTOFBALANCE,INMOSTCASESTHEMOTORISINLIGHTLOADCONDITION,SOITISOFLOWEREFFICIENCYANDHIGHERELECTRICITYCONSUMPTIONRATETHEBALANCEOFPUMPINGUNITSISVERYIMPORTANTFORENERGYSAVINGTHISARTICLEISAIMEDATINCREASINGTHEPUMPINGPOWERUTILIZATIONRATEANDREDUCINGENERGYCONSUMPTIONTHROUGHTHEADJUSTMENTOFTHEPUMPINGUNITSFIRSTOFALL,ONTHEBASISOFRODHAVINGPUMPSYSTEMSSTRUCTUREANDWORKINGPRINCIPLEWECOMPLETETHEBALANCEOFTHECONVENTIONALPUMPINGANALYSISANDCALCULATIONACCORDINGTOTHEBALANCECONDITIONSANDBALANCESTANDARDTHEN,WESIMPLIFYTHEWHOLESYSTEMASANEQUIVALENTDYNAMICMODELTOANALYZETHETORQUECHANGESONTHEBASISOFTHEBEAMPUMPINGUNITFORDYNAMICANALYSISANDTHEMECHANICSPRINCIPLEOFMECHANICALSYSTEMWHENTHEPUMPINGUNITCHANGESTHEBALANCEPOINT,WEREADJUSTTHEBALANCEOFPUMPINGUNITSONTHEBASISOFTHETORQUECHANGEFINALLY,WESETUPAMONITORINGSYSTEMPUMPINGOPERATION,THECOREDEVICEOFWHICHISJIENITEANDWECANMONITORTHEPUMPINGUNITOFCURRENT,VOLTAGE,POWERFACTOR,POWERANDOTHERPARAMETERSBYTHESYSTEMBASEDONTHEMEASUREDPARAMETERSWECANOBSERVETHEPUMPINGUNITSWORKINGSTATEWHENTHEWORKINGSTATEISOUTOFBALANCE,WECANREADJUSTITSBALANCEACCORDINGTOTHETORQUECHANGETHECOREOFTHEDESIGNISTHEBALANCECOMPUTATION,ANDWITHOUTADDITIONALCOSTTHEBALANCECANATTAINBYADJUSTINGTHEDISTANCEFROMTHECRANKPINTOTHEBALANCEBLOCKSTHENWEACHIEVETHEGOALTHUS,THERESULTFORTHEADJUSTMENTSOFTHEPUMPINGUNITBALANCEISOFGREATPRACTICALSIGNIFICANCEWITHCOSTSUNCHANGEDANDITSFEASIBILITYINCREASEDKEYWORDSPUMPINGUNIT,BALANCE，POWER,TORQUE目录1绪论111抽油技术的工业背景及发展112调节抽油机功率平衡的意义413国内外抽油机功率平衡研究现状514本文设计的目的及方法72基于工作原理的功率平衡方法821游梁式抽油机8211游梁式抽油机的结构8212游梁式抽油机工作原理822无游梁式抽油机9221无游梁抽油机的结构9222无游梁式抽油机工作原理1023平衡调节方式113抽油机的平衡分析与计算1431抽油机平衡准则1432抽油机静态平衡分析计算1633游梁式抽油机扭矩平衡分析计算1834抽油机曲柄平衡的调节214抽油机功率平衡的调节系统2341数据采集系统硬件简介24411MICROLOGIX1100简介24412捷尼特简介2542系统软件简介27421RSLOGIX500编程软件27422RSLINXCLASSIC28423GRIDVIS软件简介28424MSG指令简介30425数据采集编程实现3243功率平衡调节实例32结论35致谢36参考文献37附录39附录A39附录B53附录C541绪论11抽油技术的工业背景及发展随着人类对石油研究的不断深入，到了21世纪，石油不仅成为现代社会最重要的能源，而且其五花八门的产品已经深入列人们生活的各个角落，所以，石油被人们称为“黑色的金子”、“现代工业的血液”，极大地推动了人类现代文明的进程2。采油方法有自喷采油方法和人工举升采油方法两种。自喷采油法的特点是利用地层本身的能量来举升原油，是最经济的采油方法。但是随着油田的不断开发，地层能量逐渐消耗，即使在注水开发的油田，它的中后期也出现了水淹和强水淹的现象。为了保证原油稳产、高产，这些油田就不能用自喷法开采。同时，由于油层的地质特点，有一些油井一开始就不能自喷对于上述这些不能自喷的油井，就必须人为地用机械设备给油井内液体补充能量，才能将原油从井内举升到地面，这种开采方法称为人工举升采油3。在我国大部分原油开采过程是采用人工举升法，抽油技术也逐渐得到发展。国内外应用最广泛的抽油设备是游梁式抽油机，或称作有杆抽油设备。它的结构简单、制造容易、可靠性高、耐久性好、维护方便，适应现场工况条件等优点，所以长期使用，经久不衰，在石油机械中占有无可取代的地位。在今后相当长的一段时间内将具有强大的生命力和广阔的发展前景4，在该种抽油机中最常用平衡方式是机械平衡。随着井深和产量的不断增加，同时随着油井开采复杂条件经常出现如高粘、多蜡、多砂、多气、水淹和强腐蚀性等条件，采油工艺对有杆抽油设备提出了长冲程、低冲次、大泵、深抽等要求，游梁式抽油机不能满足要求。首先，游梁式抽油机减速箱输出轴扭矩与冲程长度成正比，加大冲程，抽油机外形尺寸增大，换大扭矩减速箱，都造成整机重量急剧增加，制造成本上升，经济上不能接受；其次，游梁式抽油机四连杆机构，决定了驴头运动的不均匀性，悬点产生较大的加速度，为了避免加速度过大，四连秆机构的游梁摆角和曲柄连杆比都不能过大。当增加冲程长度时，四连杆机构尺寸也随之加大，整机轮廓尺小和至量显著增加，当冲程超过6M时，抽油机体积和重量增长将成为推广应用的致命障碍5。为了减轻抽油机的重量，采用无游梁式抽油机。它分为机械式无游梁抽油机和液压式无游梁抽油机即液压式抽油机两种6。它们的共同特点是保留了抽油杆，维持有杆抽油设备的工作方式。无游梁抽油机，特别是液压式抽油机的采用，可以降低抽油杆柱中的应力和改善它的工作条件，因而扩大了有杆抽油设备的使用范围。目前采用了几种不同类型的无游梁式抽油机机械式无游梁抽油机包括链条式和曲柄连杆式；液压式抽油机包括用油管柱做平衡重的液压是抽油机；钢绳式长冲程抽油机等。为了减少抽油杆事故和克服抽油泵排量降低的缺点，彻底改变有杆抽油设备的工作方式，近年来，大力发展了无杆抽油设备。无杆抽油设备的特点是取消抽油杆，把发动机移到井下，直接带动抽油泵抽油。目前，广泛应用无杆抽油设备有水力活塞泵和点动潜油离心泵；正在小规模推广的有电动潜油单螺杆泵和射流泵。无杆抽油设备的主机组要放到井下去，即放到套管柱中去，所以它们的外径受到套管内径的限制，直径要小；同时为了从很深的油井中抽出一定产量的原油，所有长度要大。因此，外径尺寸的细长是无杆抽油设备共同的结构特点。此外，位于井下的主要机组，它所抽汲的是多相混合液，每一相都对无杆抽油设备的特性产生不同的影响。由于主要机组在井下，他们的起下涉及到繁重的修井工作，所以对它们的工作可靠行和使用寿命要求更高。总之，结构细长，输液上的多相和使用上的耐久，这三个特点是无杆抽油设备的特点。一百多年以来，随着采油设备技术研究的深入，设计和制造水平的提高，抽油机在最初的雏形上得到了长足的发展，其技术发明有数百种7。纵观全局，抽油机的发展趋势是81朝着大型化方向发展随着世界油气资源的不断开发,开采油层深度逐年增加,石油含水量也在不断增多,采用大泵提液采油工艺和开采稠油等,都要求采用大型抽油机。2朝着低能耗方向发展为了减少能耗,提高采油经济效益,近年来国外研制与应用了许多节能型抽油机，例如异相型抽油机节电1535，前置式抽油机节电3618。3朝着高适应性方向发展现代抽油机应具有较高的适应性,以便拓宽使用范围。例如适应各种自然地理和地质构造条件抽油的需要，适应各种成分石油抽汲的需要。4朝着精确平衡方向发展近年来国外很重视改进和提高抽油机的平衡效果,使抽油机得到更精确平衡。5朝着长冲程无游梁抽油机方向发展9近年来国外研制与应用了多种类型长冲程抽油机,其中包括增大冲程游梁抽油机、增大冲程无游梁抽油机和长冲程无游梁抽油机。6朝着自动化和智能化方向发展近年来抽油机技术发展的显著标志是自动化和智能化10。美国BAKER提升系统公司、DELTAX公司、APS公司等均研制了自动化抽油机,具有保护和报警功能,实时测得油井运行参数,及时显示与记录并通过计算机进行综合计算分析,推出最优工况参数,进一步指导抽油机以最优工况抽油。总而言之，抽油机将朝着节能降耗并具有自动化，智能化，长冲程，大载荷，精确平衡等方向发展。12调节抽油机功率平衡的意义我国的油田多为低渗透的低能、低产油田，不像中东的油田那样具有很强的自喷能力，大部分油田要靠注水压油入井，再靠抽油机把油从地层中提升上来11。以水换油、以电换油是我国油田的现实，电费在我国的石油开采成本中占了很大比例。因此，石油行业十分重视节约电能。保持抽油机的较高平衡度，可以达到较好的节能。根据在水力模型井上进行的实验数据，绘出了如图11所示的曲线。从曲线可以看出，平衡度为80100时耗能最低，且欠平衡较过平衡省电12。这样调节抽油机的平衡就很重要了，不仅可以节省电资源，也可以使抽油机寿命更长。实耗功率KW平衡度图11抽油机平衡度与耗能的关系曲线在我国的石油开采中，机械采油井占绝大多数，其中有杆采油有杆抽油井占总机械采油的90以上。全国产油量70以上靠有杆抽油机来完成。其能耗已占油田能耗的三分之一。全国每年耗电约四十二亿人民币。由于各油田每年要有几千口新井投入生产，连同原有设备更新，每年要新增几千台抽油机。抽油机在我国石油开采有重要的地位13。游梁式抽油机在整个工作循环内负载是不均匀的。从净载来说，上冲程是需提起抽油杆和油柱，这是电机要付出很大能量，到下冲程是抽油杆依靠自重就可以下落，不需电动机付出能量，反而对电机做功，使电机处于发电机状态，因此，电机在上下冲程的载荷是非常不均匀的，而悬点的运动速度和加速度又加剧了这种不均匀性，载荷的不均匀性严重的影响了四连杆机构，减速器和电机的寿命14。抽油机的平衡正是在这种基础上提出来的，主要有以下两个重要意义。1提高电网质量，减小对电网影响。这主要集中在供电企业对电网质量要求较高的场合，为避免电网质量的下降，其主要目的就是减小抽油机工作过程对电网的影响。2节能。油田抽油机为克服大的起动转矩，采用的电动机远远大于实际所需功率，工作时电动机利用率一般为2030，最高不会超过50，电动机常处于轻载状态，造成资源浪费。13国内外抽油机功率平衡研究现状人们已普遍认为游梁式抽油机工作效率不高的主要原因是其载荷特性与其所用的普通三相异步电动机的工作特性不匹配15。因为抽油机悬点载荷在减速器曲柄轴上的扭矩曲线与曲柄平衡的正弦曲线不吻合,使得曲柄轴上的净扭矩曲线波动很大,甚至出现负值。而普通三相异步电动机所输出的转速和扭矩基本上是恒定不变的,这样就造成了游梁式抽油机长期的工作效率低、耗能高的客观存在，因此国内外对于抽油机节能的研究十分重视，节能的核心是使抽油机工作在平衡状态，调节抽油机的平衡主要包括几下几个方面16。1改进抽油机的结构主要是通过对抽油机四杆机构的优化设计来改变抽油机曲柄轴净扭矩曲线的形状和大小,使其波动变得平坦,减少负扭矩的存在。从而减小抽油机的周期载荷系数,提高电动机的工作效率,达到抽油机节能的目的。比如异相曲柄平衡抽油机的推广应用和二次平衡方式的出现就是对抽油机结构优化设计和改进的结果。异相曲柄平衡抽油机就是通过改变上、下冲程时间的比例和曲柄平衡的相位角,使曲柄轴的净扭矩曲线变得平坦并降低了峰值扭矩。2改变动力机的工作特性由于抽油机的负载是周期性的，波动范围大，并且要求启动转矩大，故在运行过程中经常是“大马拉小车”，使电机处于轻载状态，造成电机效率低，耗能大，故改变它的工作特性也就十分重要了。改变动力机工作特性的主要办法是用高转差率电动机和超高转差率电动机代替常规转差率电动机。它们的主要特点是启动扭矩大,其输出转速随着承受扭矩的变化而有较大范围的变化,能有效地适应游梁式抽油机的载荷特性,对波动很大的承载扭矩具有良好的动能均衡作用,能较大幅度地降低曲柄轴最大扭矩和扭矩变化范围,同时也改善了抽油机系统的受力状况。3调整抽油机的平衡。游梁式抽油机在整个工作循环内载荷是不均匀的，因此，电动机在上、下冲程的载荷是非常不均匀的，而悬点运动速度和加速度的变化有加剧了这种不均匀性，载荷的不均匀性影响了电能的利用率，使耗能增加，因此合理的解决平衡问题，使能量充分利用达到节能的目的。平衡方式主要有机械平衡和气动平衡。气动平衡主要是前置式抽油机。4推广使用无游梁抽油机游梁式有杆抽油机具有结构简单,使用、维护方便,可靠性高等优点。但是,在开采稠油、高凝油、深层油、特别是高含水油田时,使用常规游梁式抽油机已无法实现更经济、有效地开采。对游梁式抽油机进行增大行程的改进设计时,存在着造价高,外形尺寸大,使用中消耗功率多等问题。按照采油工艺的要求,国内外都在研制长冲程,大载荷,低冲次,高效节能的抽油机8。其中链条抽油机具有结构简单,质量轻,耗能少,冲次低,冲程长,悬点加速度变化小,惯性载荷小,运行平稳,减速器额定扭矩小和易于安装等特点,因此得到了普遍发展。5采用变频调速技术在油井开采前期储油量大，供液足，为提高功效可采用工频运行，保证较高产油量；在中后期，由于石油储量减少，易造成供液不足，电动机若仍工频运行，势必浪费电能，造成不必要损耗，这时须考虑实际工作情况，适当降低电动机转速，减少冲程，有效提高充盈率。使用变频器可以提高油井的产量和泵效，根据油井的实际供液能力，动态调整抽取速度，节约了电能又增加了原油产量；提高了电动机的功率因数；真正实现了电动机的软启动，对电网无冲击；操作方便，不需停产即可任意调节速。14本文设计的目的及方法经过实际考察发现大多数在役抽油机都存在不平衡的问题，长期以来人们都在不断调整抽油机平衡，但实际效果并不理想。抽油机的不平衡使能耗增加，电能的利用率下降。上述调节平衡的方式中，通过调节平衡块的质量和位置的方式，无需增加成本，容易实现，增大了其可行性。本文通过分析电机的功率和抽油机的扭矩，调整平衡块质量与位置，使上下冲程中电动机的功率平衡，充分利用电机所提供的动能，减少耗电量，提高抽油机的效率。1通过深入的学习和调研，知道了目前最常用的判断抽油机不平衡的方法是根据电流，用钳式电流表测量电机电流，根据电流的比值来确定抽油机是否工作在平衡状态。但由于电流没有方向，而电动机可能会工作在发电机状态，故根据电流值得到的结论并不真实。基于以上原因，本文提出了平衡准则，根据在上下冲程中电动机所做的功相同，来调节平衡块的位置。2在功率平衡的基础上，提出了抽油机扭矩平衡，计算抽油机在工作过程中的扭矩，用抽油机的出厂参数和现场的示功图，绘制抽油机的扭矩曲线，根据扭矩峰值来判断抽油机的工作状态，并在此基础上给出了应用扭矩峰值来进一步调节抽油机的平衡的计算公式，对于实际生产具有知道意义。3在完成上述理论分析后，用罗克韦尔公司的MICROLOGIX1100控制器和捷尼特UMG103设计了一套在线测量抽油机的各项参数，为抽油机平衡的调节提供数据。这样，本设计提供以调节电动机在上下冲程中功率平衡的方法来调节抽油机平衡，根据监测系统采集的数据，计算其扭矩峰值来进一步调整抽油机的平衡。在实际中简单易行，并不需要增加成本，增大了其可行性。2基于工作原理的功率平衡方法21游梁式抽油机211游梁式抽油机的结构该系统由三个部分组成15一是地面部分游梁式抽油机，它是有电动机、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，可分为杆式泵和管式泵；三是联接地面抽油机和井下抽油泵的中间部分抽油杆柱，它是由一种或几种直径的抽油杆和接箍组成。如图21。1电动机2减速器3四连杆机构4抽油杆柱5油管6套管7抽油泵8游动阀9固定阀图21游梁式抽油机装置简图212游梁式抽油机工作原理电动机将电能转化为旋转运动，再经过减速箱两次减速后，利用四连杆机构将旋转运动转变为直线往复运动，通过驴头、悬绳器、光杆、抽油杆带动深井泵抽油。运动形式的转换过程如下当曲柄作旋转运动时，驴头弧面以中轴承为圆心，以前臂长为半径的圆弧，而且悬绳器又是用毛辫子与驴头软连接，因此其切点运动规律是垂直直线往复运动16。抽油泵是抽油系统井下设备，主要由工作筒外筒和衬套、柱塞及游动阀排出阀和固定阀吸入阀组成，其上、下冲程过程见图22。上冲程下冲程1游动阀2柱塞3衬套4固定阀图22抽油泵工作过程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，该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，连续做上下往复运动，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。22无游梁式抽油机221无游梁抽油机的结构无游梁抽油机以其节能、重量轻、易实现长冲程、惯性载荷小等优点得到了发展。目前使用最多的是链条式抽油机。链条抽油机是我国自行研制的一种结构独特的无游梁抽油机。其结构如图23所示由五个系统组成151动力转动系统，包括电动机、皮带传动装量、减速箱、主动链轮、上链轮、轨迹链条和主轴销等。2换向系统，即往返架总成，包括往返架、滑套、滑块和滚轮等。3平衡系统包括平衡链平衡链条、平衡缸及其柱塞、储气包、补气压缩机、润滑油泵及其油气管线等。4悬重系统，包括天车轮、轮架、钢丝绳和悬绳器等。5机架底座系统，包括机架、导轨、底座和油底壳等。1底座2电动机3减速箱4光杆5悬绳器6钢丝绳7天车轮8机架9轨道10上链轮11往返架12滑块13特殊链节14轨迹链条15主动链轮16皮带轮17柱塞18平衡链条19平衡链轮20油底壳21平衡缸图23链条抽油机结构示意图222无游梁式抽油机工作原理链条抽油机工作原理是电动机通过减速箱减速后驱动主动链轮，带动主动链轮和从动链轮之间的轨迹链条上下运动。轨迹链条上有一个特殊链节，其上装有主轴销，通过滑套和滑块带动往返架沿机架导轨作垂直运动。当轨迹链条上的特殊链节在链轮上作环形运动时，主轴销带动滑块沿滑杠移动，完成往返架的换向动作。绕在天车轮上的钢丝绳端连在往返架的上部，另一端与悬绳器相连。往返架的垂直往复运动，通道钢丝绳和悬绳器带动光杆、抽油杆和深井泵实现抽汲任务。往返架的下部连有平衡链条，绕过平衡链轮固定在机架上。平衡链轮与平衡气缸中的活塞相连，利用气体压缩产生的压力变化和推力满足抽油机平衡的需要。23平衡调节方式在我国石油开采中，机械采油占绝大多数，其中有杆采油有杆抽油井占总机械采油的90以上。研究有杆抽油机的平衡对于节约电能具有重要意义。上述中我们介绍了各种抽油机的工作原理，下面我们基于它们的工作原理来调节抽油机的平衡，说明它们的平衡原理，达到节能降耗的目的。一、游梁式抽油机1、机械平衡1、游梁平衡游梁平衡是最简单的一种平衡方法，就是在游梁的尾端装设荷重。平衡重位置不可调，大小可调。该种情况下，当冲程次数相当大时，整个系统将发生相当大的动载荷。2、旋转平衡将荷重加于曲柄的延长部分上，荷重与曲柄轴连为一体，跟曲柄轴一同旋转。在该种平衡条件下，因为角速度固定，所以转子的加速度为零，因而转子的质量对整个系统的动载荷不给予直接影响。法线加速度将产生沿曲柄方向的离心力，该力由曲柄轴的轴承承担。3、复合平衡若抽油机的平衡，一部分用旋转平衡，而另一部分用游梁平衡，则这种平衡就称为复合平衡。这种方法常用于中等载荷的抽油机中。图24为复合平衡的游梁式抽油机。在游梁尾端和曲柄上都装了平衡重。在悬点下冲程时，要把这些平衡重从低处抬到高处，就增加了平衡重的位能。为了抬高平衡重，除了依靠抽油杆柱下落所放出的位能外，还要电动机付出部分能量，所以消除了下冲程时电动机反而接受能量的现象。而上冲程时平衡重由高处下落，把下冲程时储存的位能释放出来，帮助电动机去提升抽油杆柱和油柱，这就减小了电动机在上冲程时需要给出的能量。如果平衡重选择得合适，那么就可以使电动机上冲程时给出的能量等于下冲程时给出的能量，也就是电动机在悬点上、下冲程所作的功相等。1刹车装置2马达3减速箱皮带轮4减速箱5动力输入轴6中间轴7输出轴8曲柄9连杆10支架11曲柄平衡块12连杆13横船轴14横船15游梁平衡块16游梁17支架轴18驴头19悬绳器20底座图24游梁式抽油机的结构2、气动平衡该平衡就是把一个装有活塞的气缸与抽油机固定在一起。用气体的可压缩性，储存当下冲程时和放出当上冲程时能量，从而使电动机上、下冲程作功相等。在下冲程时，活塞向下对气体作功，抽油杆下落所放出的位能与电动机给出的能量以气体的压能形式贮存起来。到下冲程时，气体膨胀推动活塞，帮助电动机作功。对于一定的气缸面积，只要气缸内的压力比较合适，同样可以使电动机上、下冲程作功相等。1电动机2皮带3减速器4曲柄5连杆6游梁7驴头8气动平衡图25气动平衡抽油机二、无游梁抽油机链条式抽油机的平衡装置是“液封柱塞气平衡”。其特点是应用柱塞并在动密封处有密封液。它是一种利用气体压缩储能、膨胀放能的装置。调整方便，平衡效果好。而游梁抽油机不可能达到理想的平衡，因为游梁式抽油机是利用质量回转式平衡。为了得到最大平衡切线力，就要有一定重量的平衡块。曲柄平衡只有曲柄转角在时，平衡重才能得到充分利用。链条式抽油机的链条滑道机构的运动特性，32或特别是由于采用“液封柱塞气平衡”装置，取得了良好的平衡效果，在调整合理的情况下，链条式抽油机的减速器扭矩曲线、电动机的电流曲线几乎是一条直线，仅在换向段波动一下，这一瞬间的波动也因各旋转运动件的惯性飞轮作用而得以缓解。链条式抽油机的悬点运动大段的工作行程是匀连的，使抽油机避免惯性载荷的作用，这对“三抽”系统的工作状况极有好处。减速器和电动机的工作是平稳的，而且减速器扭矩和重量成倍下降，可以使用铭牌功率小得多的电动机。可以在悬点的任何位置停机而不必刹车，可以在任何位置启动电机而没有困难。气动平衡可靠、效能高，易于调节。电动机效率高，功率因数高，可以大大地节省电能。由此可见，抽油机的各种平衡的基本原理是一样的，即下冲程时，以某种方式把抽油杆住所放出的能量和电机给出的能量储存起来，到上冲程时再放出来帮助电动机作功。3抽油机的平衡分析与计算抽油机在实际生产中存在功率不平衡问题，通过分析知道游梁式抽油机功率不平衡是由于悬点载荷的复杂性，在上冲程中，电机要提起抽油杆和原油，需要付出很大的能量，而在下冲程中，抽油杆靠自重下落，此时，电动机不但不需要付出能量，还会处于发电机状态，这种情况下，在上下冲程中，电机载荷不同，功率因数低，电能利用率低。为了克服这种情况，在实际生产中抽油机加入平衡块，在下冲程中存储能量，在上冲程中释放能量，保证电动机在上下冲程中做相等的正功。这样可以提高电能利用率，减少能耗，因此抽油机的平衡对于节能具有重大意义。下面提出了调节抽油机平衡的平衡准则。31抽油机平衡准则准则一、抽油系统中电动机上下冲程做功相等3首先根据电动机上下冲程做功相等这以准则求出下冲程对机械平衡或气动平衡装置所对应储存能量的大小或上冲程时抽油机下落是所释放的能量的大小。在下冲程中，电机和下冲程悬点载荷一起对平衡重做功，把重物升高储存位能31WDMA则得到电机在下冲程中做得功为32MDWD在上冲程中平衡重释放能量，帮助电机悬点做功33UWMUA则得电机在上冲程中做的功为34MUW平衡条件是在下冲程中把能量储存起来，在上冲程中利用储存的能量来帮助电动机做功，从而是电动机在上下冲程中都做相等的正功。35MUDA连立上述32、34、35式得到362UDWA由以上知，为了使抽油机平衡，在下冲程中需要储存的能量或上冲程中需要释放的能量应该是悬点载荷在上下冲程中所做功之和的一半。当只考虑静载荷做功时，悬点在上冲程做的功为37URLAWS下冲程做功为38DR由前式得理论上需要的平衡功为3922UDLWRAS如果有抽油机静力示功图，可根据示功图进行计算图31静力示功图31002LRWAS准则二、悬点上下冲程中减速箱曲柄峰值扭矩相等。这一准则多用于运动中抽油机平衡状态的检验和调整。由于电动机的输入电流和功率与减速箱曲柄扭矩成正比，其变化规律也相同，又因为减速箱输出轴扭矩难以测量，所以常用电流法和功率法来代替准则二。电流法在抽油机悬点上、下冲程中，电动机的最大工作电流相等。若上冲程最大工作电流大于下冲程最大工作电流，表示抽油机平衡不够，需加大平衡重的数量或加大曲柄平衡重的平衡半径；若上冲程最大电流小于下冲程最大电流，表示平衡重过大，即属于过平衡。在油田实际使用中，一般规定电流平衡度在85以上。功率法功率法与电流法的原理相同。值得说明的是在用电流法检测抽油机的平衡时应注意假像平衡。因为所测的是电流值没有正负，可能是电动机作为发电机运行时的电流，而功率法检验则可以避免。扭矩法在悬点上、下冲程中，曲柄轴扭矩峰值相等。虽然直接测量减速箱曲柄扭矩比较困难，但根据实测的光杆示功图及扭矩因数便可较方便的绘出扭矩曲线。在抽油机出厂时，制造厂家已经给出了曲柄每转时的扭矩因数和相应的光杆位置15TF从下死点算是，以悬点位移占冲程的比例表示即，那么根据实测示功PRCSCSPR图就能绘出曲柄扭矩曲线。32抽油机静态平衡分析计算应用准则一进行抽油机平衡的计算，如下图32所示，计算如下OL游WAQ游R曲R曲Q曲OCRL图32抽油机简化分析在下冲程时，驴头悬点向下走完冲程长度S，游梁支点O左边的游梁后臂及游梁平衡重都提高，把能量储存起来。游梁平衡重提高的距离为储存的能量为，游梁部件自2LALSRC2LRQC游重抬高的距离为,储存的能量为。曲柄平衡重抬高的距离为，储存的2LRC游LQ游游R曲能量为，曲柄自重抬高的距离为，储存的能量为。所以平衡装置储存RQ曲曲2R曲2RQ曲曲的能量为0A31102LLARQRRQRC游曲曲游游曲曲上式中实际上是抽油机结构不平衡重的重量，若将其转化到悬点，就是抽油机Q游结构不平衡重B，其值等于连杆与曲柄销脱开时，为了保持游梁处于水平位置而需要加在光杆上的力。此力向下时B取正值；向上时取负值，即。LBQA游游则上式简化为312022LAARQRRC曲曲游曲曲如果利用静力示功图进行计算，即将带入上式02LLRRWASC中，则可得到不同机械平衡方式时的平衡重计算公式。1、对于复合平衡方式31312LRCQWBAQRQRLR游曲曲曲曲或314LRLR曲游曲曲曲31512LRALBRQQRQC曲游曲曲曲对于单独曲柄平衡31612LRWRQR曲曲曲曲或31712LRWARBRQQC曲曲曲曲对于单独游梁平衡31812LRAQRL游曲曲33游梁式抽油机扭矩平衡分析计算抽油机工作时，由悬点载荷及平衡重在曲柄轴减速箱输出铀上造成的扭矩与电动机输给曲柄的扭矩相平衡。因此通过悬点载荷及平衡来计算曲柄轴扭矩，不仅可以检查减速箱是否在超扭矩条件下工作，而且可以用来检查和计算电动机功率及功率利用情况19。一定型号的抽油机所配减速箱都有允许的最大扭矩。在一定条件下，它即限制着油井生产时所采用的最大抽汲参数，同时又限制这为了保证大参数生产所需要的电动机功率。下面以复复合式抽油机为研究对象，分析其受力情况。图33图33复合平衡抽油机受力分析为其结构简图。图中各量如下W悬点载荷，N；曲柄平衡块重量，N；Q曲曲柄平衡块重心到曲柄旋转中心的距离，M；R曲曲柄自重，N；Q曲曲柄重心到曲柄旋转中心的距离，M；R曲游梁平衡重重量，N；Q游杆杆所受的拉力，N；P连T连杆力在曲柄切向上的分力，沿曲柄旋转方向为正值，N；连M减速箱曲柄功输出扭矩，沿曲柄旋转方向为正值，NMACKJR曲P切P法RTP连PWQ曲L图33复合平衡抽油机受力分析为了便于分析，将曲柄平衡块重量及曲柄自重折算至曲柄销处20，这种折Q曲Q曲算保证折算前后对曲柄旋转中心的力矩不变，折算后的等效载荷用来表示。0Q3190SINSINSINRRR曲曲曲曲首先取游梁为研究对象，将诸力对游梁旋转中心取力矩可得连杆力为P连32021COSSINQALLAWCGAPC游游连为游梁平衡重绕游梁支点所产生的惯性力矩为2QLAGCA游321MJ游式中，J游梁平衡质量的惯性矩，；游梁传动角加速度，2QLG游。AA则连杆力在曲柄切向上的分力T为P连3222SINCOSCQKALATWCGA游游取曲柄为研究对象，为提升油井内的抽油杆柱和油柱，减速箱曲柄轴输出扭矩M曲柄平衡块重量与曲柄自重的等效载荷所产生的扭矩共同克服切向力所产生的扭矩，由曲柄平衡条件3230SINMQRT32432520SINCOSSIALLAWRQRCGCA游游3260IISLLQ游上式中的第一项表示悬点载荷P在曲柄上所产生的扭矩，称为油井负荷扭矩327SINAMRWC式327中的只取决于抽油机的几何尺寸和曲柄转角，其意义为单位悬SINARC点载荷在曲柄上所产生的扭矩，将其称之为扭矩因数，用表示TF328SINATFRC式326中的为曲柄自重及曲柄平衡重在曲柄轴上所产生的扭矩称之为曲0SINQR柄平衡扭矩，用表示，而则为游梁平衡重在曲柄上产生的扭CMCOSLLATAG游矩，称为游梁平衡扭矩，用表示，则、为YYMC329C0SINQRMAXSI330YCOLLTFAG游式中为曲柄最大平衡扭矩，即曲柄处于水平位置时和时曲柄自MAXM90O27O重及曲柄平衡重对曲柄所产生的扭矩。由上述简化后，326式可以写成331MAXCOSSINLLAWQTFMAG游在上式中未考虑抽油机游梁、驴头、连杆和横梁等结构部件的自重。当考虑抽油机本身的结构不平衡性时，式331可以写成3322MAXCOSSINLLAMQBQTFAG游游式中B抽油机的结构不平衡重，B值可以实测也可以根据抽油机部件的重量计算。在式332中，由于考虑了游梁摆角的影响及游梁平衡重的惯性力矩，因而公式比较复杂。为简化计算，可忽略上述两项的影响19计算误差一般不超过10最大扭矩计算误差小于5，则可得如下简化计算公式对复合平衡抽油机333MAXSINLMTFWBQMA游对曲柄平衡抽油机MAXSI334对游梁平衡抽油机335LMTFWBQA游34抽油机曲柄平衡的调节在大多数油田中使用的平衡大多数为曲柄平衡，因此研究曲柄平衡有重大意义。根据得到的扭矩曲线可以计算抽油机的平衡率，上冲程和下冲程最大功率的百分比大于85，则认为是平衡的；反之，认为不平衡。当不平衡时可用扭矩峰值调整曲柄块平衡半径为336SINIUDBTRW式中,平衡块的位移量，M；R上冲程的峰值扭矩，；UTNM下冲程的峰值扭矩，；D平衡块重，N；BW对应于上冲程中峰值扭矩的曲柄转角，；U对应于下冲程中峰值扭矩的曲柄转角，。D由电机功率与扭矩的关系式为3379740TNP式中，电机功率，；PKWN抽油机运转中的光杆冲数，；/MIN皮带减速箱的传动效率，由实际测定。在上冲程中的峰值功率和峰值扭矩分别带入337中，有3389740UTNP在下冲程中的峰值功率和峰值扭矩分别带入337中，有3399740D338339得3409740UDUDTNP由340中解出，并带入336，得UDT341SINIUDBRWN4抽油机功率平衡的调节系统现以大庆油田中井为例。该井抽油机型号为11348HB。抽油参数为泵3109J径95MM，冲程3米，冲次12次/MIN，泵深11855M，平衡块重，平衡半径21730N为15M为了测量抽油机的参数包括电压、电流、功率等，我们组建了一套实时监测抽油机运行状态的系统。该系统以捷尼特UMG103为核心，对抽油机的电流、电压和功率因数等参数，进行检测，通过MODBUS通信协议与AB公司的MICROLOGIX1100进行通信，对检测到的数据进行读取，通过对数据的分析，来确定抽油机的工作状态。41数据采集系统硬件简介系统组成如下图41，其接线图见附录B。图41监测系统411MICROLOGIX1100简介在本次实验中，MICROLOGIX1100的主要作用是与捷尼特进行通讯同时收集捷尼特采集上来的抽油机的数据并进行存储。首先介绍一下MICROLOGIX1100的通讯方式23。MICROLOGIX1100控制器有两个通讯口，通道0为RS232/485通讯端口，通道1为以太网端口。通道0支持以下通讯协议DH485DF485通讯协议DF1FULLDUPLEXDF1全双工协议DF1HALFDUPLEXMASTERANDSLAVEDF1半双工主从协议DF1RADIOMODEMDF1无线调制解调器MODUSMASTERANDSLAVEMODUS主从协议ASCIIASCII通讯协议以太网通讯通道通道1使控制器可以连接到本地网络传输率为10MBPS/100MBPS的各种设备上。由于捷尼特只有MODBUS从通讯方式，需把MICROLOGIX1100组态成MODBUS主通讯方式。故使用通道0，并组态成MODBUS通信协议，用以与捷尼特进行通讯。用通讯口1完成程序的上载和下载。MODBUS是一种半双工、主从通讯协议。MODBUS网络主节点读写线圈和寄存器。MODBUS协议允许一个主节点与最多247个从节点通讯24。下面对MICROLOGIX1100的通讯组态进行介绍。在RSLOGIX500编程软件中，选择CHANNELCONFIGURATION，出现CHANNELCONFIGURATION对话框，如下图42所示图42通道组态由于捷尼特只能做从机，于是把CHANNEL0组态成MODBUSRTU主协议，设置通讯速率与奇偶校验方式。412捷尼特简介它主要用于测量和计算电气参量，例如电压、电流、功率、电功、谐波组成等等，应用于建筑设施、配电屏、开关和总线线槽系统。UMG103可以永久地安装在控制柜内或小配电箱内，并且可以安装在任何位置。测量得出的结果将通过RS485接口被读出。在本设计中它主要用于接收来自电流互感器的电流，及通过电机的三相电压，用UMG103把进入电机的电流电压采集上来，同时还可以得到有效功率，无功功率，电压和，电流和，功率因数等参数。捷尼特UMG103的外观如下图43所示图43捷尼特外观图中的RS485接口用来传送捷尼特采集上来的数据，编码开关可以设置捷尼特的设备地址，我们选择了默认地址为1，上面还有两个LED灯，这两个指示灯用来反映UMG103的工作状态，其含义如下表41表41指示灯说明绿灯亮所有的测量电路和电源电压都位于运行电压的范围内之内设备正处于运行之中LED每5分钟熄灭05秒红灯绿灯同时亮设备已经准备好但是至少有一个测量电路和电源电压小于运行电压范围绿灯闪亮正在使用RS485接口进行数据传送红灯绿灯同时闪亮正在使用RS485接口进行数据传送，但是传送存在错误红灯亮设备存在致命性错误，设备必须送回生产厂进行查看红灯闪亮至少一个电流或电压测量输入存在过载例如，测量范围超标红灯绿灯交替闪亮存在一个固件检错验和错误，设备为准备好投入使用，执行一个固件升级另外，GRIDVIS编程软件可以对UMG103进行设置以及数据的读取等操作。为了让UMG103可以和MICRO1100进行通讯，我们首先要用GRIDVIS软件对UMG103进行设置，具体的操作参见软件部分。该系统的结构图如下图44所示断路器电流互感器MMICRO10RS23/RS485UMG103MODBUS协议交流380V图44系统组成框图42系统软件简介421RSLOGIX500编程软件RSLOGIX500软件是针对SLC500和MICROLOGIX处理器，以32位WINDOWS操作系统为基础的梯形图编程软件。RSLOGIX500软件包括1方便灵活的梯形图编辑器2功能强大的工程校验器3拖放式编辑功能，用户能够在数据文件直接快速移动数据元素4寻址向导可以方便的输入地址5查询和替换功能，能够快速改变特定地址或符号的值6树形结构工程目录为点击式界面，可方便访问工程目录内所有文件夹和文件7用户数据监视功能，能够独立显示数据元素8为监视和显示过程数据提供趋势图和柱状图功能应用该软件对MICROLOGIX1100进行配置和编程，控制数据的采集和保存。422RSLINXCLASSIC用户程序在SLC500或者MICROLOGIX控制器中运行，就需要采用一些方式建立计算机与控制器的连接，RSLOGIX500的通讯是通过RSLINXCLASSIC这一软件实现的。根据不同的需要选择不同的驱动，可选的驱动如图45所示图45驱动选择在本实验中我们使用通道1进行程序下载程序，故选择的驱动设备为ETHERNETDEVICES。在设置中输入MICROLOGIX1100的IP地址，可在组态中可以进行查看，为1921681106。423GRIDVIS软件简介使用该软件，通过捷尼特本身的RS485通讯口对其进行配置，配置完成后，在进行下载时需要注意通讯口的转换。打开该软件之后，出现图46所示对话框。图46捷尼特配置点击添加设备，弹出如下图47对话框图47设置新增设备设备类型选择UMG103，连接类型选择MODBUSRTURS485,通讯端口选择COM1，波特率设为38400，设备地址选择1。这些参数的设置一定要和MICRO1100中设置的一致，否则通讯将不成功。进行好配置后，连接测试，如果连接正常，在设备列表中会出现UMG103点击配置设备，弹出如下图48对话框图48完成配置在这里可以对设备进行各种设置。配置完成后，点击传送，就会把设置的信息传送到UMG103中。424MSG指令简介该指令为输出指令，用于控制器间的通讯，当梯级条件由假变真时，指令执行一次。该指令用MG文件来记录指令的执行情况。该文件包含24个子元素，根据所选择的消息传递方式不同，会包含不同的子元素。双击SETUPSCREEN，出现如下图49设置对话框。图49MSG指令配置THISCONTROLLER在通道组态时把通道0组态成MODBUS通信方式时，MODBUSCOMMAND选项卡就可以进行操作，并出现可以进行的相关的操作。01READCOILSTATUS0XXXX02READINPUTSTATUS1XXXX03READHOLDINGREGISTERS4XXXX04READINPUTREGISTERS3XXXX05WRITESINGLECOIL0XXXX06WRITESINGLEREGISTE