第一篇：變頻技術在游梁式抽油機中的應用

變頻技術在游梁式抽油機中的應用

作者： 劉衛豐

摘要：在保留游梁式抽油機優點的基礎上，將游梁式抽油機固定運動特性改變為隨油井工況可調節的可變運動特性。根據油井工況，通過調整電機頻率來控制抽油機沖次，從而滿足開采工況復雜多變的油井和復雜油藏的需求，最終使油井供排液系統達到動態協調，泵充滿度明顯提高，并具有明顯的增產、節能效果。關鍵詞：變頻；游梁式抽油機；可變運動特性

一、變頻調速技術改造的必要性

（一）游梁抽油機無法滿足復雜油藏的要求

目前熱河臺油田已進入開發生產后期，但是由于受構造影響，部分小斷塊尚未實現注水開發，地層虧空嚴重，油井供液不足。需要降低抽油機參數生產。低沖次的開采工藝即可保證產液量穩定，又可以延長設備使用期限。但是，長期的低沖次生產，又使油井的動液面得到恢復，有時動液面監測，發現動液面上升，為了提高單井產量，又需要加快沖次。生產過程中，經常需要根據動液面變化情況，適當調整沖次。而目前的游梁式抽油機因無法調節其運動規律很難滿足要求。

（二）游梁抽油機調節費時、費力

目前的游梁式抽油機只能靠更換皮帶輪來調節沖次，這樣的維修費用高，工人的勞動時間長，強度高，原油的生產成本高，且浪費了大量的生產時間。因此，生產中急需能夠隨時調節抽油機沖次的技術，來滿足生產需要。

二、變頻技術的選擇

在保留游梁式抽油機優點的基礎上，將游梁式抽油機固定運動特性改變為隨油井工況可調節的可變運動特性，最簡單的方法是應用電動機調速技術。目前異步電動機調速方法有改變電動機的磁極對數、改變轉差率和改變電源頻率等3種。其中改變電源頻率調速即變頻調速是近年來廣泛應用的成熟技術，變頻調速所達到的指標堪與直流電動機的調速性能相媲美。變頻調速技術在我國石油工業的原油集輸、供水系統和采暖供熱系統上已廣泛應用。采用變頻調速技術將游梁式抽油機改造成為可調頻抽油機，可根據油井工況調節運動特性，從而滿足開采工況復雜多變的油井和復雜油藏的需求。實踐證明，在油田設備上應用變頻調速技術不僅節能效果明顯，而且降低了工人的勞動強度，減少了工作量，綜合效益明顯提高。因此，可采用變頻調速技術作為改造游梁式抽油機的主要技術。

三、變頻技術的原理

游梁式抽油機電動機電源頻率為50Hz，電壓為380V，油田普遍使用低轉速的普通異步電動機，具有較硬的外特性，其轉速隨載荷變化很小，因而驢頭懸點的運動規律基本不變。而變頻技術是隨著電子技術的發展而逐漸成熟，并廣泛應用于抽油機電動機的一種新技術，在降低電機功耗，改善其運行狀況中取得了顯著效果。但在現場使用中，由于各油井的工況不同，對電動機頻率通常是以經驗來調節的。電機的輸出功率為P=M1ω，式中，M1電動機輸出扭矩，ω為電動機輸出軸角速度。可見，降低電動機轉速就可以實現降低電動機輸出動率的目的。變頻技術的機理就是通過改變電源頻率，來達到改變電動機轉速的目的。

四、現場應用效果

熱河臺油田目前有抽油機井20口，產油量較高的井有7口，含水較高的井有7口，低產井6口。其中安裝變頻柜的抽油機有7口，今年新安裝變頻柜的有5口。通過使用變頻柜，熱河臺油田產液量、產油量較去年相比，均有所增長。圖為2012年、2013年熱河臺油田日均產液量、產油量對比（不含新井）： 年份 2012年 2013年 對比 日均產液量 85.8 111 +25.2

日均產油量 32.3 34 +1.7

我們根據各井測試結果，通過變頻適當調節沖次，來滿足生產需要，對比效果如下： 熱18-6通過地質測試，動液面較高，我們適當提高沖次，產量對比變化如下：

井號 熱18-6 對比

下： 沖次/分 6 9 +3

日均產液量 14.1 17.2 +3.1

日均產油量 8.1 9.4 +1.3

熱熱11-

5、熱7-07井，由于測試結果顯示含水較多，我們適當降低沖次，來滿足生產需要，對比效果如井號 調整前 對比 調整后 對比

沖次/分

熱11-5 熱11-5 熱7-07 熱7-07 7 4-3 6 2-4.5

日均產液量 日均產油量 5.9 5-0.9 7.8 5-2.8

0.3 0.3 0 0 0 0

熱河臺仍有部分井建議安裝變頻柜，如熱

21、熱27，以滿足復雜多變的生產需要。

實踐證明，變頻調速應用到目前的游梁式抽油機，其投資少、見效快、實用性強，不僅能夠節約成本，提高產量，還能延長抽油機的使用壽命，符合我國提倡的用高新技術改造傳統產業的方針。

第二篇：游梁式抽油機基礎知識

二、判斷題：

（×）

1、盤皮帶時，允許戴手套，不能用手推壓皮帶。

（×）

2、在抽油機上操作時，必須選擇安全合適的位置，操作位置距地面超過2.5m時，必須系好安全帶，同時防止工具掉落。

（√）

3、抽油機操作施工前，必須檢查調整剎車，確保剎車靈活好用。（√）

4、盤車時，操作人員必須相互配合，由技術素質高者控制剎車。

（×）

5、裝、卸光桿方卡子時，抽油機剎車必須剎緊，操作者面向抽油機處于安全操作位置，可以手抓光桿。

（√）

6、開機前檢查抽油機各部件的固定螺絲、軸承螺絲、驢頭銷子螺絲、曲柄差動螺栓、平衡塊螺栓、曲柄銷子螺絲及保險開口銷無松動現象；（×）

7、新投井的管線沒有必要按設計要求試壓。

（×）

8、開機前檢查減速箱內機油確保其未變質，油面應在1/3處。

（√）

9、抽油機運轉方向調整正常后利用抽油機曲柄平衡塊的慣性，分1-2次啟動電機，使抽油機正常運轉。

（√）

10、抽油機開抽后檢查，應聽各連接部位、減速箱、電器設備、軸承等有無異常聲音，井口有無碰泵聲音。

（√）

11、對長停井要及時組織回收電器、抽油機和井口等有關設施。如為報廢井則連地面管線也應全部回收。

（√）

12、對安裝有水套爐的井，需對管線預熱時應提前2-4h將水套爐加夠水，點火加溫。當無法點火預熱時（如無氣源）可用水泥車向管線泵熱水預熱管線。

（×）

13、上行過程中用手背試光桿溫度是否正常，光桿過熱則調緊盤根盒壓帽。

（√）

14、在關井停抽前應錄取各項資料，記錄在班報表上，對結蠟較嚴重的井應提前熱洗一次。（√）

15、冬季停井后應掃線，掃線后關閉計量站該井進干線及進分離器閘門。

（×）

16、新投產井或作業井確定防沖距的原則：泵深在1000m以內，每100m泵深約提8cm防沖距（×）

17、新投產井或作業井確定防沖距的原則：泵深大于1000m，每100m泵深約提10cm防沖距。（√）

18、對防沖距不合適的生產井，可根據示功圖計算應調整距離。

（√）

19、調防沖距時穿戴勞保用品、選擇與光桿直徑匹配的備用方卡子總承、鋼卷尺、活動扳手、管鉗、鋼銼、榔頭、絕緣手套等。

（×）20、調防沖距時，按“停止”按鈕，將驢頭停在適當位置：若調大防沖距，則驢頭停在便于操作的最大位置，若調小防沖距，則停在接近上死點位置。剎車，側身切斷電源。（×）

21、調防沖距時，卸掉盤根盒上的備用方卡子，不用將光桿上的毛刺銼光。

（√）

22、如遇油井有噴勢或光桿密封器關閉不嚴而出現油氣滲漏，則應在計量站將該井放空卸壓，并打開井口取樣閘門放空。

（√）

23、加盤根時應均衡關閉光桿密封器兩翼絲杠，注意讓光桿在盤根盒內處于中心位置。（×）

24、更換井口盤根時應穿戴勞保用品，準備與光桿直徑匹配的膠皮盤根5-6個，并用鋼鋸按順時針方向鋸開45°切口。

（×）

25、更換井口盤根時，若井口尚微有噴勢宜留下底部2-3個舊盤根不掏出。（√）

26、當示功圖反映抽油泵有砂卡現象，應對油井進行洗井沖砂。（√）

27、熱水洗井清蠟時，入井液溫度需要達到70℃以上。

（×）

28、油井洗井時，應選用對油層沒有傷害的洗井液，洗井液量為井筒容積的1-2倍。（×）

29、油井洗井時，同時監測油井出油溫度，達到蠟熔點以后繼續泵入井內的洗井液量必須小于井筒容積。

（√）30、油井洗井時，準備鍋爐車一部，擺放在距井口10m以外便于操作的安全位置。（×）

31、熱洗過程中可以停抽。（√）

32、油井清蠟熱洗時，起動鍋爐車開始加熱，待鍋爐車出口壓力為0.1Mpa時緩慢打開套管閘門。

（√）

33、調整抽油機防沖距時，在光桿上做記號，記下懸繩器上原方卡子所在位置。（×）

34、抽油機井碰泵操作時，松開原方卡子，使懸繩器上升到比防沖距大5-10cm位置重新卡緊。

（√）

35、抽油機井碰泵操作時，松剎車，啟動抽油機，使活塞碰擊固定凡爾座3-5次。（√）

36、抽油機井操作完畢后，啟動抽油機，觀察出液正常后方可離開。

（√）

37、抽油機井碰泵時，穿戴勞保用品，準備管鉗、活動板手、小榔頭、鋼銼、絕緣手套、與光桿直徑相匹配的方卡子總承等。

（×）

38、憋壓操作過程中可以不穿戴勞保用品。

（√）

39、憋壓操作需要準備6Mpa壓力表（帶表接頭），活動扳手、絲扣布等工具。（×）40、憋壓操作中，待回壓上升到5.0Mpa時停抽油機。

（×）

41、憋壓操作中，待回壓上升到4.0Mpa時停抽油機，觀察10min內回壓變化情況并記錄，打開套管閘門。

（√）

42、憋壓操作中，緩慢關閉回壓閘門，觀察回壓變化。

（×）

43、憋壓操作中，待回壓上升到6.0Mpa時停抽油機，觀察15min內回壓變化情況并記錄，打開套管閘門。

（×）

44、憋壓操作中，待回壓上升到6.0Mpa時停抽油機，觀察10min內回壓變化情況并記錄，打開套管閘門。

（√）

45、帶壓換回壓表操作中，應關閉回壓表截止閥，緩慢卸松井口原回壓表。（×）

46、更換光桿密封器需準備的膠皮盤根，應用鋼鋸按順時針方向鋸開55。切口。（√）

47、更換光桿密封器需準備的膠皮盤根必須與光桿直徑匹配。（×）

48、卸舊光桿密封器前，停抽、將驢頭停在接近上死點位置。

（×）

49、更換光桿密封器時，應按照順時針方向掏盡盤根盒內舊盤根，將盤根盒卸離光桿密封器。

（√）50、井口放空時，沒噴勢的油井，關回壓閘門，打開取樣閘門放空。（×）

51、關閉放空時，由計量站放空的井，關閉取樣閘門，開回壓閘門。

（√）

52、更換抽油機井井口盤根時，卸開盤根盒壓帽，將壓帽、壓蓋用細繩牢固系在懸繩器上，嚴禁用管鉗別住。

（√）

53、更換光桿密封器時，應將光桿密封器裝在井口三通上，盤根盒壓帽壓蓋牢固系在懸繩器上。

（√）

54、更換抽油機傳動皮帶應準備：活動扳手、撬杠、絕緣手套、試電筆及規格合適的抽油機皮帶。

（√）

55、更換游梁式抽油機傳動皮帶時，安裝新皮帶后，用撬杠后移電機，調整前頂絲，使皮帶松緊合適。

（√）

56、檢查抽油機皮帶松緊時，用手壓法或上翻法檢查皮帶松緊度。

（×）

57、更換游梁式抽油機傳動皮帶時，安裝新皮帶，利用后頂絲調整電機皮帶輪端面與減速箱皮帶輪端面呈“三點一線”。

（√）

58、更換游梁式抽油機傳動皮帶時，卸舊皮帶，松開電機前頂絲和“T”形螺絲，用撬杠前移電機，取下舊皮帶。

（√）

59、更換抽油機傳動皮帶必須穿戴好勞保用品。（×）60、更換抽油機傳動皮帶后，啟動抽油機，即可離開。（√）61、更換抽油機傳動皮帶必須準備試電筆。

（√）62、更換游梁式抽油機傳動皮帶時，安裝新皮帶，利用后頂絲調整電機皮帶輪端面與減速箱皮帶輪端面呈“四點一線”。

（×）63、更換游梁式抽油機傳動皮帶時，卸舊皮帶，松開電機前頂絲和“T”形螺絲，用撬杠后移電機，取下舊皮帶。

（×）64、選擇抽油機減速箱機油時，夏季應選用20#機油。（×）65、更換抽油機減速箱機油，不需要全部放凈。（×）66、更換抽油機減速箱機油，應準備一把600mm的管鉗。（√）67、啟動抽油機前，應先松剎車，戴絕緣手套側身合閘送電。（×）68、加抽油機減速箱機油時，應將減速箱機油加滿。（√）69、清洗抽油機減速箱應將箱底積聚的臟物清洗干凈。

（√）70、調整游梁式抽油機曲柄平衡時，應準備平衡塊固定螺栓專用扳手。（×）71、調整游梁式抽油機曲柄平衡時，不需要安全帶。

（×）72、調整游梁式抽油機曲柄平衡時，可將曲柄停在大于10o的夾角處。

（√）73、抽油機井在運轉過程中，上沖程負荷重時，應將曲柄向外調整，遠離曲柄軸心。（×）74、抽油機井在運轉過程中，下沖程負荷重時，應將曲柄向外調整，遠離曲柄軸心。（√）75、平衡調整完后，待抽油機運轉一段時間出油正常后，測電機電流，檢查調整效果。（√）76、調整游梁式抽油機沖次時應準備皮帶輪和拔輪器。（×）77、調整游梁式抽油機沖次時，不準用撬杠、大錘。（√）78、新裝皮帶輪內孔應用砂紙進行打磨除銹。

（√）79、安裝皮帶輪應清洗電機軸頭和欲裝皮帶輪孔涂上潤滑脂。（×）80、調整游梁式抽油機沖程時，可將曲柄停在上死點。

（√）81、調整游梁式抽油機沖程時應用銅棒敲擊襯套和鍵，并清洗干凈。（×）82、更換曲柄銷子總承一般將抽油機曲柄停在左上方45°-60°位置。

（√）83、更換曲柄銷子總承時，曲柄銷子軸承座內面與曲柄孔端面保持4-10mm的間隙。（×）84、更換曲柄銷子總承應準備曲柄銷總承一套，襯套兩個。

（×）85、更換曲柄銷子總承時，曲柄銷子軸承座內面與曲柄孔端面保持4-10mm的間隙，否則應調整軸承位置。

（×）86、更換曲柄銷子總承只需準備的工具是套筒扳手、撬杠、大錘、活動扳手和銼刀。（√）87、更換游梁式抽油機曲柄銷總承時，取下曲柄銷總承和襯套后，應清洗曲柄孔并涂上潤滑油。

（√）88、無襯套的曲柄銷子可以直接裝入曲柄孔內。

（×）89、更換游梁式抽油機電動機時，根據新換電動機底座孔距，調整抽油機電機位置。（×）90、更換游梁式抽油機電動機時，應調整滑軌、調整前頂絲使電機皮帶輪和減速箱皮帶輪端面達到“四點一線”。

（×）91、更換電機時只要牢固連接電機接線盒的電源線以及接地線，裝好接線盒即可。（√）92、更換電動機應穿戴勞保用品，準備5t以下吊車一部，扳手、撬杠、大錘、電工工具和絕緣手套等。

（√）93、計算光桿功率公式中Fmax指實測最大負載。（√）94、計算光桿功率公式中S指光桿沖程。

（×）95、更換毛辮子的操作步驟啟動抽油機時，應將驢頭停在接近上死點位置。

（√）96、更換毛辮子操作前應穿戴勞保用品，準備安全帶、管鉗、銼刀、榔頭、扳手、手鉗、撬杠、棕繩，絕緣手套、與光桿直徑匹配的備用方卡子總承等。

（×）97、更換毛辮子的操作步驟應首先停抽，但無須檢查剎車靈活可靠

（√）98、更換游梁式毛辨子時，將懸繩器兩側的開口銷拔出，取出鋼絲繩，使懸繩器座在井口方卡子上。（√）99、游梁式抽油機更換毛辮子時應將鋼絲繩兩端裝入懸繩器兩側的開口，插入開口銷固定。（√）100、更換游梁式抽油機毛辨子時，一人攀上驢頭，系好安全帶，將懸掛盤保險銷拔出，卸松懸掛盤制動蓋板的螺帽，撬松懸掛盤后，將保護板轉至下垂位置，與地面操作人員配合將舊毛辮子取下，換上新毛辮子把保護板復位，上緊螺帽，裝好開口銷，解下安全帶，將所用工具清理干凈后，返回地面。

（×）101、更換游梁式抽油機毛辨子時，將鋼絲繩兩端裝入懸繩器兩側的開口后，無須固定（×）102、如果抽油機毛辮子子打扭，可以不處理。

（√）103、抽油桿對扣應準備環形抽油桿對扣器，并檢查牙板的齒部及滑槽應完好，無異物，嚴禁用管鉗對扣。

（×）104、抽油桿對扣應準備環形抽油桿對扣器，并檢查牙板的齒部及滑槽應完好，無異物，可用管鉗對扣。

（√）105、抽油桿對扣準備應穿戴勞保用品，準備扳手、管鉗、鋼銼、鉗形電流表，與光桿直徑匹配的備用方卡子總承等工具。

（√）106、抽油桿對扣應清除井口周圍的油污，平整場地，雨雪天應有防滑措施。

（√）107、抽油桿對扣應在盤根盒上用備用方卡子卡緊光桿，松剎車、盤車、卸去驢頭負荷，剎緊剎車。

（×）108、抽油桿對扣應將環形對扣器的主半圓手架（帶對扣總承）先提到距盤根盒約30m的光桿上，擰緊對扣器上的蝶形螺帽。

（√）109、抽油桿對扣將副半圓手架配到主半圓手架上，并把搭扣翻轉壓緊。

（×）

110、抽油桿對扣操作中啟動抽油機，將驢頭停在接近下死點，懸繩器離盤根盒距離為100cm的位置，剎車，戴絕緣手套側身切斷電源。

（√）111、抽油桿對扣成功后，倒翻搭扣將主、副手架分開，松開蝶形螺帽，撤下主半圓手架。（√）112、更換光桿應檢查剎車，確保剎車靈活好用，安排專人在操作過程中負責剎車。（×）113、安裝新光桿將準備好的光桿套上盤根盒后穿入懸繩器，松開光桿吊環。

（√）114、更換抽油機光桿時，提出原光桿應停抽油機，將驢頭停在便于操作的最大位置，剎緊剎車，戴絕緣手套側身切斷電源。

（√）115、更換抽油機光桿時，提出原光桿應關回壓閘門，打開放空閘門放空，直至回壓為零，松開盤根壓蓋,取出盤根，卸下盤根盒。（×）116、更換光桿一般井選用Φ32mm光桿。

（×）117、光桿更換完畢后，開抽應先開回壓閘門后關取樣閘門。

（√）118、安裝新光桿松剎車盤車，待懸繩器接近下死點剎住車，在盤根盒上用備用方卡子卡緊光桿。

第三篇：常規游梁式抽油機英語詞匯

常規游梁式抽油機

Conventional beam pumping unit 參數

Parameters 額定懸點載荷

Rated polished rod load 沖程 Stroke 沖次

Times of strokes 曲柄旋轉方向

Rotating direction of crank平衡方式 Balance mode 曲柄平衡 Crank balance 減速器

Speed reducer 總傳動比

Total drive ratio 額定扭矩 Rated torque 電動機 Motor 結構不平衡重

Structural unbalanced weight 整機重量 Total weight 外形尺寸

External dimension 性能參數

Performance parameter 光桿載荷（磅）

Polished rod capacity（lbs）抽油機尺寸 Unit size 最大沖程 Stoke length 游梁

Walking beam 吊繩、懸繩器 Wireline hanger 外直徑

Outer diameter 厘米

Centimeter 毫米

Millimeter 分米

Decimeter 油管 Tubing 不加厚 NUE 加厚 EUE 壁厚

Wall thickness 端部加工形式

Processing type of end portion 鋼級

Steel level 內襯 Lining 超高分子量聚乙烯

Ultra-high molecular weight polyethylene 水垢

Water scale 箍 Hoop 挖掘，疏浚 Dredge 抗磨，耐磨 Anti-wear 高密度

Ultra-high density 磨損 Wear 偏磨

Eccentrically wearing 摩擦系數

Coefficient of friction 粗糙度

Roughness Ra 螺紋

Screw thread 密封 Sealing 螺紋密封 Thread sealing 高密度聚乙烯

HDPE high density polyethylene 內孔

Inner bore 鉆孔，鏜孔，孔 Bore 外箍的外徑

Outer diameter of outer hoop 環氧粉末涂層防腐油管

Powdered epoxy coating anti-corrosive tubing 注水井

Water injection well 侵蝕腐蝕 Corrode 燙 Scald 抑制 Inhibit 耐熱性

Heat resistance 無毒的 Non-toxic 絕緣的 Insulating 技術指標 Quality index 執行標準

Executive standard 抗震強度，沖擊強度 Shock strength 耐腐蝕性

Corrosion resistance 附著力 Adhesion 銷孔 Pin hole 潛油電泵

ESP electric submersible pump 排水量

Displacement 電泵管柱

Electric pump pipe string 井筒 Shaft 偏差 Deviation 自動化裝配流水線

Automated assembly line 鋸齒螺紋

Buttress thread 井口裝置

Wellhead equipment 采油樹

Christmas tree 海上井口

Marine wellhead

第四篇：游梁式抽油機設計計算（推薦）

游梁式抽油機設計計算

盧國忠 編 05-04 游梁式抽油機的主要特點是：游梁在上、下沖程的擺角相等，即上下沖程時間相等。且減速器被動軸中心處游梁后軸承的正下方。

一、幾何計算

1.計算(核算)曲柄半徑R和連桿有效長度P 己知：沖程S、游梁后臂長C、游梁前臂長A、極距K(參見圖1)由余弦定理推導可得： 公式： R?12?C2?K2?2CKcos?t?C2?K2?2CKcos?b

------(1)

?P?C2?K2?2CKcos?t?R

-------(2)式中：?t?900????

1?b?900????2

??tng

K??1I3600?Smas

?1??2? H4?AI2?H2

2.計算光桿位置系數PR：

PR是在給定的曲柄轉角θ時，光桿從下死點計算起的沖程占全沖程的百分比。(圖2)（圖3）

公式：PR?

s?????t?10％

-----------(3)Smas?t??b曲柄

s??PR?Smax

???1?2PR???1

式中：

?t,?b 分別代表下死點和上死點的?

角的值

?Rsin??????

?J???????

??sin?1??1?C2?J2?P2?

J?P?C?2PCcos?

??cos? ???2CJ??22

?C2?P2?2KRcos(???)?K2?R2?? ??cos? ??2CP???1 ??????????? 上沖程

???????360??????? 下沖程 二運動計算

己知：曲柄角速度ω、曲柄轉角θ，分析驢頭懸點的位移s、速度v、加速度a的變化規律。

1.假定驢頭懸點隨u點作簡諧振動：

AR??1?cos??C2ARAR

以Smax?代入得： v????sin?CCARa???2?con?Cs?amax?

1Sm?a1?xco??s21v?Sm?in

asx?212a?Sm?o?sacx2s?1Smax?2 21R?2.接嚴格的數學推導 amax??2Smax??1??

2?P?三動力計算

1．從示功圖上求懸點載荷W 示功圖是抽油機懸點載荷W與光桿位置PR的關系曲線圖。是用示功儀在抽油機井口實測出來的。設計中無法實測，只好用理論公式計算并繪制------稱為人工示功圖，為以后的受力分析、強度計算提供主要依據。

2． 光桿載荷W加在曲柄軸上的扭矩的計算（見圖2，圖3）a.美國石油學會(API)定義TF為扭矩因素，表示單位光桿載荷W在減速器上產生的扭矩T。計算公式推導如下：API規定生產廠要向抽油機用戶提供一張θ角每變化15度的TF值變化表。

TF?WA?FlCsin??Fl?AWCsin?

T?FqR?TARsin??? WCsin?FqR?FlRsin??Fl?

ARsin???W

Csin?Fqsin?考慮抽油機的結構不平衡重B的影響：

T?ARsin????W?B? Csin?光桿載荷在減速器上產生的扭矩：

TWn?TF??W?B?

b.應用PR表、示功圖和TF表求出懸點載荷在減速器上產生的扭矩曲線，如 ??300： T30?TF30??W30?B?

3〃曲柄、平衡重加在曲柄軸上的扭矩計算

設曲柄自重為q，其重心到轉軸中心距為r平衡重總重為Q，其重心到轉軸中心距為R 產生的最大平衡力矩為： Mmax?q?r?QR 4計算減速器凈扭矩

當曲柄處于θ角位置時，其平衡力矩為 M =(QR+qr)×sinθ

懸點載荷在減速器上產生的扭矩TWn?TF??W?B?

其凈扭矩為

Tn?TF??W?B??Mmax?sin?

由此式可以繪制曲柄扭矩圖。

5〃電動機功率計算 a.理論計算

由于曲柄受規律變化的扭矩作用，其計算功率用的扭矩值只能

222Tn21?Tn2?Tn3???TnmTn??m應用均方根扭矩來計算。

式中 Tn1,Tn2,?Tnm?0

曲柄軸的計算功率為：

N?1.424?10?4?Tn??n

電機功率為： Nd?N ?d?? 式中 N---曲柄軸的計算功率 HP Tn--曲柄軸扭矩，N m n---曲柄轉速，沖次，?d,?--抽油機總效率，取0.6—0.8 b.估算公式 N?Q?L KW 3900 式中 Q—深井泵理論日產量，m3/d Q?1440?A?S?n m3/d L--深井泵下泵深度，m A--深井泵柱塞面積，m2

—抽油機沖次，1/min S—抽油機沖程長度，m 5．平衡計算

在抽油機的設計和使用中，被普遍采用的平衡準則有三種：1。上、下沖程中，電動機所付出的平均功率相等。2．上、下沖程中，減速箱曲柄軸的輸出扭矩峰值相等。3．在抽油機的整個沖程中，曲柄軸舜時的扭矩與平均扭矩偏差的平方和最小。

第1條準則的平衡計算簡單、實用。表示為：下沖程時平衡重所儲存的能量Ao等于電動機下沖程所做的功Adx加上下沖程抽油桿下落所做的功Axx，即

A0?Ads?Axx

上沖程時，平衡重所放出的能量Ao加上電動機上沖程所做的功Ads等于上沖程驢頭懸點提升抽油桿和液柱所做的功Axs,即

Ao?Ads?Axs

由于上、下沖程中，電動機所作的功相等，即Ads?Adx，由此可求得平衡重所儲存的能量：

A0?Axs?Axx 2a.如已測得抽油機驢頭懸點的實際示功圖如圖-4，則：

面積OABCFO?面積OADCFO?qp?qs2

1?(面積OADCFO?面積ABCD)?qp?qs2A0?式中 qp----示功圖縱坐標比例，N/mm qs----示功圖橫坐標比例，m/mm b.如果沒有實際示功圖，亦可用靜力示功圖作近似計算，如圖5 A0?Wg?Smax?Wy?Smax2?(Wg?Wy2)?Smax

式中 Wg----抽油桿在油液中的重量，N Wy----油井中動液面以上，斷面積等于柱塞面積的油柱重量，N Smax----抽油機的最大沖程，m 計算平衡重儲能

以圖-3的復合平衡為例，圖中：

Qy----游梁平衡重；

Kc???Qy離游梁支點O的距離； Qb----曲柄平衡重；

R???Qb的平衡半徑；

qy----游梁總成的重量； ly----游梁重心距； qb----曲柄自重； lb----曲柄重心距；

下沖程時，KcKAK?Smax?c?(2r?)?2r?c AACCK 儲存能量為 2r?Qy?c

C游梁平衡重抬高的距離為

曲柄平衡重抬高的距離為 2R , 儲存能量為 2R?Qb 游梁總成的重量抬高的距離為2r?lyC，儲存能量為2r?qy?lyC

曲柄自重抬高的距離為2?lb，儲存能量為2?l?qbb 總儲存能量為 Ao?2r?Qy?為方便計算，設

Q?y?R??Kcl?2R?Qb?2r?qy?b??2lb?qb CCqy?lyKc----游梁總成的重量所相當的游梁平衡重大小；

qb?lb----曲柄自重所相當的曲柄平衡重的平衡半徑。Qb代入上式，求得游梁平衡重的大小： Qy?AoR?R???Qb?Q?y KcKc2r?r?CC曲柄平衡重的平衡半徑： R?AoQy?Q?Ky??r?c?R?，2QbQbC對于單獨的游梁平衡，Qb?0，同時曲柄自重的影響，則： Qy?Ao?Q?y2r?K cC對于單獨的曲柄平衡，Qy?0，同時游梁自重的影響，則： R?Ao2Q?R? b

四．主要構件的受力計算（見圖-3）1．游梁受力分析

?Mo?0??F??L?sin??C??W?B??A

連桿軸向力 ?F??A??W?B?L?C?sin?

游梁切向力 ?F??L?sin? 游梁縱向力 ?F??L?cos? ?Xo?0?xo???F??Lx??F???Lcos????? ?Yo?0?yo???F??Ly??F???Lsin???????W?B?

2．支架受力分析

?MH?0?yQ?E?y?O?D?xO??H y?F??LQ?E?C?sin???????W?B??C?H?cos??????

?MQ???B?D??xo??H ?0?yH?E?yo???F yH?L??E?D??sin???????W?B???E?D??H?cos??????

E?X?0?xH????cos????? ??F?xQ?xoL3． 曲柄—減速器被動軸總成受力分析

?M?X?Yo?~????sin???Q?R?q?r?sin??F?0?FLQCrC

????r?F????sin???Q?R?qr??sin? FCCLo?????cos????? ?0?xo??FLo?????sin??????F??? ?0?yo??Q?q?FLC4． 曲柄肖軸受力分析

???的剪切力作用。曲柄肖軸受一對大小等于FL5． 減速器受力分析 6． 支座受力分析

五．各另部件強度計算（略）

第五篇：游梁式抽油機的節能探討

游梁式抽油機的節能探討

來源:www.tmdps.cn

摘要：游梁式抽油機是原油開采最主要的設備之一。由于其驅動電機在實際運行中負載率和工作效率不高，致使油區配電系統的功率因數偏低，增加了電能的損耗。目前普遍采用的節能方式是對單臺抽油機進行電容器的固定無功補償。針對傳統無功補償方式的缺陷，本次設計提出提出了動態無功補償和進行Y—△轉換相結合的節能方案，設計了動態跟蹤的無功補償裝置，利用實時檢測得到的系統負載率以及無功需求量來控制電容器的分組投切，實現了無功功率的“按需”補償，取得了較為理想的補償效果。

關鍵詞：抽油機；節能；控制器引言

目前，抽油機是應用最普遍的石油開采機械之一，它將石油從地底提升到地面上來，從而完成采油任務。在抽油機的各種類型中，游梁式抽油機又占主要的地位，它是油田使用最廣泛的一種舉升設備，約占油井人工舉升設備的95％[1]。雖然游梁式抽油機與無游梁式抽油機相比有很多弊端，但是由于數量多、采油成本較低等原因，游梁式抽油機在一段時期內還會占據抽油機市場的主導地位。所以，本次就以游梁式抽油機的節能作為研究的方向。

抽油機作為油田的主要生產設備，其驅動電機用電量占油田總用電量的比例很大，是油田的耗電大戶，其用電量約占油田總用電量的40％，且總體效率很低（據有關調查一般效率在30％左右），導致了電能的大量浪費，提高了采油的成本。

綜上所述，我們找到了抽油機節能設計的突破口，可以通過無功補償和Y-△轉換調節電機電壓相結合的裝置來實現抽油機的節能。這樣提高了電機效率和功率因素，減小電機損耗，降低了電費成本，減少了能源的浪費[2]。工作原理和設計思路

2.1 游粱式抽油機工作原理

游梁式抽油機的類型很多，但其基本結構和工作原理是基本相同的。這類抽油機主要由游粱一連桿一曲柄機構、減速裝置、動力設備和輔助裝置等四大部分組成.游梁式抽油機的工作原理：電動機將其高速旋轉運動傳遞給減速箱的輸入軸，并經中間軸帶動輸出軸，輸出軸帶動曲柄作低速旋轉運動。同時，曲柄通過連桿經橫梁拉著游梁后端上下擺動(或者是連桿直接拉著游梁后端)。游梁前端裝有驢頭，活塞、液柱及抽油桿等載荷均通過懸繩器懸掛在驢頭上，由于驢頭隨同游梁一起上下的擺動，結果驢頭帶動活塞作上下的垂直往復運動，就將油抽出井筒[3]。

2.2 總體設計思路

游梁式抽油機占據了抽油機市場的主導地位，故本文的研究主要是針對游梁式抽油機。

同時游梁式抽油機的拖動裝置絕大部分是交流三相異步電動機，其中鼠籠型異步電動機結構簡單、堅固、慣量小、運行可靠、維修少、制造成本低及可應用于惡劣工作環境等優點，使其作為油梁式抽油機動力驅動裝置，得到了廣泛的應用。由于抽油機在工作時負荷匹配不合理，大多數電機處于輕載狀態，造成大量的電能浪費，系統效率低下。因此，本文采用了一種以無功補償為主，并和Y 一△轉換調節電機電壓相結合的裝置來實現抽油機的節能。通過對抽油機工作時的負載率的分析，確定電機是否處于重載狀態，實現了電機在啟動時和高負載時功率因素的提高；同時通過補償電容器組的投切來實現無功補償，從而達到抽油機的節能。游粱式抽油機的節能設計

針對目前的節能方案，考慮到當前油田的管理水平和工人的技術素質以及現場環境和員條件，缺少一種成本低，可靠性高，節能幅度大，又能提高原油產量的節能方法。因此，針對上述這些情況，本次提出了一種以無功補償為主，并和Y—△轉換調節電機電壓相結合的節能裝置，使得抽油機節能控制箱的裝配和使用盡量的簡單，并具有較高的可靠性。

3.1 Y—△轉換調壓控制和無功補償節能的原理

3.1.1 Y—△轉換調壓的節能原理

由于三相異步電動機的總損耗為：ΣP=P1-P2=Pfe+Pcu1+Pcu2+Pmac+Pad，其中，P為輸入電功率，P2為電機軸輸出功率。Pcu1為定子銅損耗，2 2Pcu1 = 3I1 R1 式中I1為定子每相電流，R1為定子每相電阻值；Pcu2為轉子銅損耗，2 2Pcu2 = 3I′2 R′2 式中I′

2、R′2為轉子每相的折算值；Pfe為電機的鐵芯損耗： 2fe mP =P1 50（f）β B50，式中P1 50 為鐵耗系數，其值范圍為1.05~2.50； β 為頻率指數，隨硅鋼片的含硅量而異，其值范圍1.20~1.60；f 為磁通交變頻率；Bm為鐵芯中磁通密度；Pmac為機械損耗。通常認為其是大小不變的常量。由于Bm∞φ m∞E1 ≈ U1，可知鐵損耗Pfe正比于電機端電壓的平方[4]。

Pad為附加損耗，主要由于定、轉子有齒槽存在，當電機旋轉時磁通發生脈振而在定轉子鐵芯中產生附加損耗，其大小也與磁通密度大小成正比。

從上述可以看出，若要提高電機的運行效率η，則必須降低ΣP。而降低電機端電壓可以使鐵損耗大為降低，降低電機線電流，則可減少銅耗，從而使效率η 增加。

電動機轉入Y 接狀態運行時，定子相電流降低，定子銅耗Pcu1和轉子銅耗Pcu2也相應降低。同時，Bm∞φ m∞E1 ≈ U1，隨著U1下降，Bm減少，使得鐵耗Pfe和附加損耗Pad也相應降低，所以總損耗ΣP下降。而電機從電網輸入的電功率P1=ΣP + P2，轉軸上所帶負載沒變，即輸出功率P2沒變，但ΣP減少，使得從電網吸取的有功功率P1減少，電機效率η = P2 P1得以提高，星形及三角形接法運行時的效率特性如圖3.1 所示。出圖3.1 可得，當電動機的負載率β 小于40％時，η Y>η在不考慮電機鐵芯磁路飽和時，磁通與輸入電壓成正比，當換接運行后U1下降為原來的1 3，磁通也降為原來的1 3。電機設計時，與額定電壓對應的磁路通常處于飽和狀態，所以線電壓降低，磁通減少，鐵芯飽和程度降低。磁通以及飽和程度降低，使產生磁通的激中國科技論文在線磁無功電流減少，因而換接后的激磁電流比三角形連接時的1/3 還要低一些。激磁電流的降低，使電機向電網吸取的空載無功功率Q0減少，由功率三角形可知，無功功率Q減少，P值一定時，功率因數角? 減小，功率因數cos? 增大。同時，電動機在Y 形連接和△形連接時的功率因數與負載率β 的關系曲線如圖3.2 所示。可見，當β <70%的時候，Y 形連接的功率因數明顯高于△形連接時的功率因數。

3.1.2 無功補償的節能原理

游梁式抽油機的異步電機可看作電阻R 與電感L 串聯的電路并聯電容后電壓U與I的相位差變小了，即供電回路的功率因數提高了。此時供電電流I的相位滯后于電壓U,這種情況稱為欠補償。電容 C 的容量過大，使得電流I的相位超前于電壓U，這種情況稱作過補償，此時會引起變壓器二次電壓升高，而且容性無功功率在線路上傳輸也會增加電能損耗。同時電壓升高還會增大電容器本身的功率損耗，使溫度上升，影響電容器的壽命。對電機進行無功補償，可以大大減少起動電流和運行電流，減少損耗，并且相關電氣設備溫度降低、噪音減少，可以延長電動機的使用壽命[5]。

3.2 本次設計節能裝置的實施

3.2.1 Y—△轉換調壓控制的方案電動機 Y 一△接法轉換，就是根據電動機負載變化的情況，用改變繞組接線的方式來調整繞組電壓。判斷電動機負載變化的參數為負載率。負載率是指電機的實際輸出功率與其額定功率之比，也稱負載系數，通常以百分比表示.3.1 給出了不同電機的臨界負載率：Y 形接線和△形接線電機損耗相同的負載率就是臨界負載率。通過繪制各臺電機不同接法時的損耗與負載率的關系曲線，找出其交點，即為臨界負載率的切換點。同時可用經驗公式求出電機在工作下的負載率。計算電機負載率有兩種方法，一種是功率法，一種是電流法。

在功率法測負載率中，首先測量電機的輸入功率P1，再由公式計算出電機的輸出功率P2，之后就可以求出負載率。公式如下：

P2 = P1? P0 ? PR（10）

2PR = PRN(P2 P2N)（11）

其中，P2為輸出功率，P1為電機的輸入功率，P0為不變損耗，額定電壓時為P0N，PR可變損耗，額定運行狀態下為PRN。由于在用功率法測量負載率的方法中計算比較麻煩，因此功率法較為少用。在電流法測負載率中，先測量電機的輸入電流I，之后計算出電機的負載率。通過上面的論述，在知道了電機臨界負載率以及通過檢測電流求出實際運行時電機的負載率后，就可以通過比較來決定Y 一△的轉換時刻。當電機的實際負載率大子臨界負載率，即β >β k 的時候，電機接成△形接法；當實際負載率小于臨界負載率，即β < β k 的時候，電機接成Y 形接法。這種方法適合于定子繞組△形連接，有6 個接線柱，且適合于長期輕載運行或重載一輕載交替運行的電動機。它既可節約電能，又可改善電網的功率因數。但是由于電機轉換頻繁進行容易使觸點損壞，因此為了減少轉換頻率一般在轉換點的負載率之間設置一定的回差ε，通常采用負載率β < β k 一ε 時進行△-Y轉換，而當β > β k +ε，進行Y—△轉換，這可以通過軟件的設置進行變換。

3.2.2 無功補償的方案確定

無功補償的方法是多種多樣的，本次設計是從提高功率因數的方面來確定是否需要進行補償。在抽油機日常工作中，節能控制器采用功率因數控制的方式工作，根據功率因數要求確定補償容量。首先節能控制器可以判斷功率因數的符號，以確定當前系統中的負載特性為感性還是容性，并根據是否過補償以及和期望補償后系統功率因數值進行計算比較，從而可以確定是否投切電容。

在前面論述過，當系統負載為容性時，說明可能當前系統處于過補償狀態。如果當前電機的功率因數絕對值比期望的功率因數絕對值大，說明過補償容量在系統允許的范圍內，可以不采取任何動作；如果當前電機的功率因數絕對值比期望的功率因數絕對值小，說明過補償容量超出系統允許的范圍內，則應該切除部分電容即當前補償的電容與系統達到理想的功率因數為1 的運行狀態時相比多補償的容量[6]。

當系統負載為感性時，說明當前可能需要進行電容補償。如果當前功率因數值大于期望功率因數值，則不需要進行無功功率補償；若當前功率因數小于期望功率因數時，說明需要進行無功容量補償。如果抽油機電機的有功功率實測值為P1，補償前的功率因數為cos? 1，補償后的功率因數為cos? 2，則補償容量可用下述公式計算：Qc = P1(tan?1 ? tan? 2)（14）由此可以將Qc與當前補償電容容量計算比較，從而確定該補償或切除的電容量。

在抽油機正常工作狀態下，會遇到大量的干擾，容易造成控節能制器頻繁發出補償與切除電容的指令。因此，為了避免電容的頻繁投切而產生投切震蕩，可以使控制器在軟件上采取連續多次計算結果取平均值的方法來避免電容的頻繁投切。具體方法如下：

首先確定一個負載率的上限基礎值，使得節能控制器發現負載率大于此值后執行補償程序，若實際負載率小于此值后，則不執行補償程序，因此可以認為這個負載率的基礎值為執行補償程序的起點；其次，在確定實際負載率大于設定值后啟動補償程序，連續進行5 至10 次的測量計算，求得的平均值作為電容投切的指令；最后，不僅要關注實際負載率大于上限設定值，而且還要關注實際負載率小于下限設定值時的情況。若實際負載率小于下限設定值時，節能控制器要檢測系統是否處于過補償狀態，在這種情況下可以適當切除電容或者完全切除補償電容，避免系統對電網的影響；另外，cos? 2的確定要適當，通常將功率因數從0.9 提高到1 所需的補償容量與將功率因數從0.72 提高到0.9 所需的補償容量相當。因此，在高功率因數下進行補償其效益將顯著下降。這是因為在高功率因數下，cos? 曲線的上升率變小，故而提高功率因數所需的補償容量將要相應的增加。

通過上述兩節的論述，介紹了游梁式抽油機節能裝置的節能原理，并提出了Y—△轉換控制和無功補償相結合的節能方案，為接下來的硬件及軟件設計做好了鋪墊。結論與展望

本文圍繞游梁式抽油機節能和無功補償進行研究，對抽油機的負載特性進行了較為詳細的分析，對比其它的節能及補償方式，提出了以無功補償為主并結合Y-△轉換節能的控制策略，最后根據這個思路就可以設計出游梁式抽油機節能裝置的硬件和軟件。

然而，本文雖然對抽油機無功補償技術進行了論述和研究，提出了較為合理的控制策略，但仍有一些工作需要完善：

首先，補償方案的控制策略和技術參數還需要進一步的優化；其次，補償裝置的可靠性、穩定性和抗干擾能力還需進一步的提高；最后，補償裝置的許多功能還需進一步的完善，在現有的硬件基礎上實現更多的功能。

抽油機補償技術是一項較為實用、涉及面廣、針對性強的技術，需要在今后的學習中進行更多、更深入的研究和探討。