艾秋順 馬燕 丁國(guó)華 楊振華 郭亮 楊利燕

（吐哈油田分公司技術(shù)監(jiān)測(cè)中心節(jié)能監(jiān)測(cè)站）

抽油機(jī)平衡度測(cè)試點(diǎn)的研究

艾秋順1馬燕2丁國(guó)華2楊振華2郭亮2楊利燕2

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研究測(cè)試抽油機(jī)平衡度準(zhǔn)確測(cè)試點(diǎn)，運(yùn)用對(duì)比平衡度計(jì)算方法，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的實(shí)際情況，分析測(cè)試點(diǎn)位置。通過(guò)分析，發(fā)現(xiàn)用輸出端的電流能提高平衡度的合格率，但不能真實(shí)反映抽油機(jī)的曲柄功率。為了提高數(shù)據(jù)精確性，測(cè)試點(diǎn)選擇在輸入端。選擇數(shù)據(jù)精確性高的測(cè)試點(diǎn)，有利于對(duì)抽油機(jī)能耗狀況進(jìn)行改進(jìn)，從而使采油廠發(fā)現(xiàn)問題，并針對(duì)問題運(yùn)用有效手段降低能耗，提高節(jié)電率。

抽油機(jī)；平衡度；測(cè)試點(diǎn)

1 抽油機(jī)工作原理和節(jié)能監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)、指標(biāo)

1.1 抽油機(jī)采油系統(tǒng)的工作原理

抽油機(jī)工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)通過(guò)皮帶和減速器帶動(dòng)曲柄作圓周運(yùn)動(dòng)，曲柄通過(guò)連桿帶動(dòng)四連桿機(jī)構(gòu)的游梁，以支架上的軸承為支點(diǎn)做上下擺動(dòng)，通過(guò)驢頭把游梁前端的往復(fù)擺動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閼尹c(diǎn)的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，懸點(diǎn)帶動(dòng)抽油桿柱、抽油泵柱塞做上下往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械采油[1]。

1.2 節(jié)能監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)、指標(biāo)

根據(jù)《GB/T 31453—2015油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測(cè)規(guī)范》中抽油機(jī)井監(jiān)測(cè)項(xiàng)目與指標(biāo)要求，抽油機(jī)節(jié)能監(jiān)測(cè)運(yùn)行是否節(jié)能主要考核三個(gè)指標(biāo)：功率因數(shù)，表示交流電源的利用率，定義為有用功率P和視在功率S之比值，即PF=P/S；平衡度，上下沖程電流最大值的比值或者上下沖程功率最大比值；系統(tǒng)效率，即有效功率與輸入功率的比值。本文就評(píng)價(jià)指標(biāo)第二項(xiàng)，平衡度進(jìn)行具體探討，旨在通過(guò)平衡度測(cè)試點(diǎn)位置的研究，獲得精確計(jì)算參數(shù)，從而進(jìn)行更好的節(jié)能評(píng)價(jià)（表1）。

表1 抽油機(jī)井監(jiān)測(cè)項(xiàng)目與指標(biāo)要求

2 平衡度概念

2.1 基本原理

抽油機(jī)的平衡運(yùn)行狀態(tài)是指電動(dòng)機(jī)在上、下沖程中都做正功且相等。下沖程時(shí)把抽油桿柱下落釋放出的能量和電動(dòng)機(jī)輸出的能量一起儲(chǔ)存在平衡系統(tǒng)中，到上沖程時(shí)原平衡系統(tǒng)中儲(chǔ)存的能量與電動(dòng)輸出的能量一起對(duì)抽油機(jī)懸點(diǎn)做功。

2.2 不平衡的原因及后果

抽油機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中之所以不平衡，是因?yàn)樯?、下沖程中懸點(diǎn)載荷不同，造成電動(dòng)機(jī)在上、下沖程中所做的功不相等。

抽油機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中不平衡，上沖程中懸點(diǎn)載荷承受著最大載荷，電動(dòng)機(jī)必須做很大功才能使驢頭上行；而下沖程中，抽油桿在其自重下克服浮力下行，這時(shí)電動(dòng)機(jī)不僅不需要對(duì)外做功，反而受外來(lái)的能量做負(fù)功，導(dǎo)致上沖程中電動(dòng)機(jī)承受著極大的負(fù)荷，下沖程中抽油機(jī)帶著電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，造成功率浪費(fèi)，降低電動(dòng)機(jī)的效率和壽命；由于負(fù)荷極不均勻，會(huì)使抽油機(jī)發(fā)生激烈振動(dòng)，從而影響抽油裝置的壽命；破壞曲柄旋轉(zhuǎn)速度的均勻性，影響抽油桿和泵正常工作[2]。

2.3 研究平衡度意義

國(guó)家發(fā)布的《油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測(cè)規(guī)范》監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中提到平衡度，同時(shí)也對(duì)其指標(biāo)作出明確要求。隨著油田勘探開發(fā)需要，油井開采的條件越來(lái)越惡劣，對(duì)節(jié)能減排的要求也越來(lái)越高。油田使用的抽油機(jī)在最大沖程、最大額定載荷、最大減速器額定扭矩下，抽油機(jī)的平衡度要滿足要求。

3 從平衡度計(jì)算方法分析測(cè)試點(diǎn)位置的選擇

3.1 平衡度計(jì)算方法

常見的兩種方法為功率法、電流法。

3.1.1 功率法

是指抽油機(jī)下沖程電動(dòng)機(jī)平均功率與上沖程電動(dòng)機(jī)平均功率之比，其公式為

3.1.2 電流法

是指抽油機(jī)下沖程最大電流與上沖程最大電流之比，其公式為

3.2 平衡度兩種計(jì)算方法比較

3.2.1 平衡度計(jì)算方法分析

平衡度的反映參數(shù)是抽油機(jī)曲柄功率P曲，電動(dòng)機(jī)輸出功率和曲柄功率的關(guān)系式如下：

式中：P機(jī),出——電動(dòng)機(jī)輸出功率；

P損——傳動(dòng)帶和減速器的摩擦損耗功率。

電動(dòng)機(jī)輸入功率與曲柄功率的關(guān)系式如下：

式中：P機(jī),入——電動(dòng)機(jī)輸入功率；

P機(jī),損——電動(dòng)機(jī)內(nèi)部損耗功率。

電動(dòng)機(jī)輸入功率P機(jī),入與電動(dòng)機(jī)輸入電流I和電壓U的關(guān)系式如下：

平衡度計(jì)算公式為

由于抽油機(jī)的曲柄功率P曲無(wú)法直接測(cè)試出來(lái)，同時(shí)由于傳動(dòng)帶和減速器的摩擦損耗功率P損和電動(dòng)機(jī)內(nèi)部損耗功率P機(jī),損相對(duì)曲柄功率P曲很小，且是個(gè)恒定值；因此，平衡度公式可近似為

抽油機(jī)在運(yùn)動(dòng)時(shí)，電壓基本恒定，則公式（6）可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為

電動(dòng)機(jī)電流分為兩部分，有功電流和無(wú)功電流，即

則公式（7）可改為

1臺(tái)抽油機(jī)其無(wú)功功率一般是恒定不變，當(dāng)功率因數(shù)較高時(shí)，即IQ很小，則公式（8）為

通過(guò)公式（9）可以看出，計(jì)算平衡度有兩種方法，功率法和電流法。

3.2.2 平衡度兩種計(jì)算方法比較及選擇

通過(guò)分析平衡度計(jì)算方法的過(guò)程，了解平衡度兩種計(jì)算方法的來(lái)源，也掌握其中忽略的一些因素。在測(cè)試時(shí)如何選取計(jì)算方法，應(yīng)遵行的原則如下：

1）當(dāng)功率因數(shù)很低即IQ值很大時(shí)，不可忽略，采用電流法時(shí)，誤差很大，應(yīng)采用功率法；

2）由于輸入功率相對(duì)電流來(lái)說(shuō)，數(shù)值很小，測(cè)試時(shí)隨機(jī)誤差大，在能使用電流法計(jì)算時(shí)，不宜采取功率法，即當(dāng)功率因數(shù)很大時(shí)，應(yīng)采用電流法。

3.3 測(cè)試點(diǎn)位置的選擇

測(cè)試平衡度時(shí)，使用電流法計(jì)算，在有補(bǔ)償裝置時(shí)，應(yīng)考慮測(cè)試點(diǎn)的位置。下面就針對(duì)帶有補(bǔ)償裝置平衡度測(cè)試點(diǎn)位置的選擇做出分析。

3.3.1 從計(jì)算方法分析

在使用電流法計(jì)算平衡度時(shí)，運(yùn)用變頻器輸出端參數(shù)計(jì)算與應(yīng)用輸入端參數(shù)計(jì)算時(shí)的結(jié)果存在較大差異，尤其是在抽油機(jī)平衡情況不好時(shí)更加嚴(yán)重。造成這種現(xiàn)象的原因是因?yàn)槌Ｓ米冾l器的逆變單元使用的是電壓型逆變器，并使用PWM控制方式，這樣變頻器的輸出電壓為PWM波，而電流基本為正弦波，再加上無(wú)功補(bǔ)償；所以，即使在很不平衡的情況下，變頻器輸出端電流在上、下沖程中的最大電流相差不大，也會(huì)造成平衡度計(jì)算的不準(zhǔn)確[3]。

3.3.2 從現(xiàn)場(chǎng)抽油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)分析

目前油田抽油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)分為帶無(wú)功補(bǔ)償和不帶無(wú)功補(bǔ)償兩種。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試參數(shù)的比對(duì)計(jì)算中可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是否帶有無(wú)功補(bǔ)償，測(cè)試點(diǎn)位置都應(yīng)選擇在電流輸入端。理由如下：在不帶無(wú)功補(bǔ)償?shù)那闆r下，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試采集參數(shù)后，直接用公式L=I1max下/I1max上即可，此時(shí)測(cè)量計(jì)算的平衡度，無(wú)論輸入端或者輸出端，數(shù)據(jù)都相同。若帶有無(wú)功補(bǔ)償，電流關(guān)系為I入=I出-Io，其中Io為補(bǔ)償電流，加入補(bǔ)償裝置后，Io為定值。通過(guò)測(cè)試補(bǔ)償前后的電流計(jì)算平衡度，其公式如下：

由公式（10）和（11）可知，在輸出端測(cè)量計(jì)算平衡度得到的值高于輸入端測(cè)量計(jì)算得到的值，數(shù)值越高，讀取數(shù)據(jù)準(zhǔn)確偏高；同時(shí)在I入max下和I入max上的差值一定情況下，用輸出端的電流能提高平衡度的合格率。但輸出端電流是在輸入端電流基礎(chǔ)上增加了補(bǔ)償電流，是無(wú)功功率帶入的電流，因此在輸出端的功率因數(shù)很低，用輸出端電流計(jì)算平衡度不能真實(shí)反映抽油機(jī)的曲柄功率。為了得到更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)和節(jié)能評(píng)價(jià)的客觀性，應(yīng)選擇在輸入端測(cè)量計(jì)算。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)抽油機(jī)采油原理、節(jié)能評(píng)價(jià)指標(biāo)、抽油機(jī)平衡度原理、計(jì)算方法分析和測(cè)試方法等內(nèi)容的論述，精確測(cè)試點(diǎn)位置來(lái)更準(zhǔn)確取得測(cè)試和所需計(jì)算參數(shù)，這對(duì)抽油機(jī)是否節(jié)能評(píng)價(jià)更為準(zhǔn)確，對(duì)抽油機(jī)節(jié)能運(yùn)行提出更好建議，能否提高效率具有一定的幫助。

目前油田為提高抽油機(jī)運(yùn)行效率，使抽油機(jī)在節(jié)能狀態(tài)下運(yùn)行，普遍使用了變頻技術(shù)和加入電容器。它是維持電網(wǎng)穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要技術(shù)手段。

從在輸出端測(cè)試計(jì)算參數(shù)，到在輸入端測(cè)試計(jì)算參數(shù)，把目標(biāo)落在切實(shí)為油田節(jié)能降耗生產(chǎn)的實(shí)處。更準(zhǔn)確的參數(shù)計(jì)算，有利于分析出抽油機(jī)是否節(jié)能，為抽油機(jī)節(jié)能評(píng)價(jià)提供更可靠的依據(jù)。

[1]聶勝.淺談變頻器在油田機(jī)采中的應(yīng)用[J].硅谷，2011（6）：155.

[2]穆劍.油氣田節(jié)能[M].北京：石油工業(yè)出版社，2015：5.

[3]李煒，范路，齊光峰，等.變頻器對(duì)抽油機(jī)平衡度測(cè)試的影響[J].節(jié)能，2012（3）：57-59.

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.04.003

2016-10-09

（編輯 李珊梅）

艾秋順，工程師，2006年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院（電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)），從事節(jié)能監(jiān)測(cè)工作，E-mail：guala1982@ 163.com，地址：新疆維吾爾自治區(qū)吐魯番地區(qū)鄯善縣火車站鎮(zhèn)吐哈油田分公司技術(shù)監(jiān)測(cè)中心節(jié)能監(jiān)測(cè)站，838202。