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抽油機平衡判斷標準與調整方法
抽油機平衡判斷標準與調整方法
摘 要：油田生產中抽油機平衡調整方法較多，每種方法的調整效果不同。
分析了評價抽油機平衡的3個基本準則，指出3個評價標準均可通過提取抽油機單沖程功率曲線中的信息獲得。
對抽油機調平衡后，使其同時滿足3個基本準則時，可認為抽油機處于理想的平衡狀態。
現場試驗測試和數據分析表明：采用準則二中的功率法調平衡后，抽油機可同時滿足準則一和準則二，并接近準則三的要求，可實現抽油機平衡調節。
關鍵詞：游梁式抽油機;平衡準則;功率法;電流法
由于游梁式抽油機復雜的機械運動，使抽油機的平衡調整存在較大的難度。
目前的油田生產中，抽油機平衡的評價標準通常采用“電流法”，當下沖程最大電流與上沖程最大電流之比在80%～110%時，認為抽油機處于平衡狀態。
然而，電流法檢驗抽油機平衡時會出現假平衡現象，這是由于抽油機下沖程時會產生電機倒發電現象，而鉗形電流表采用的電流互感器無法判斷電流的相位導致誤判，生產實踐已經證明這種方法無法準確評價抽油機的平衡。
因此，電能法、示功圖法、平均功率法、曲柄軸轉矩法等相關方法被廣泛討論。
為達到節能、延長減速箱壽命、操作簡便的綜合目標，本文討論了抽油機平衡評價準則原理，指出抽油機平衡的3個基本準則。
若抽油機運行中能同時滿足3個平衡準則時，則抽油機工作狀態最佳，處于較節能的狀態。
1 抽油機平衡判斷原則
根據《游梁式抽油機平衡的評價標準》中規定，電流法和平均功率法是抽油機調平衡的方法，但這2種方法都可歸于基本準則：1)準則一：抽油機的電動機在上、下沖程中對外做功相等。
2)準則二：懸點上、下沖程中減速箱曲柄軸峰值轉矩相等。
3)準則三：整個沖程中減速箱曲柄軸轉矩的均方根值最小。
(1)準則一。
這一準則通常用于游梁式抽油機平衡裝置的設計，根據此準則可計算出平衡裝置所儲存或釋放的能量A0為
A0=(Au+Ad)/2 (1)
式中：Au為上沖程抽油桿柱下落所做的功;Ad為下沖程提拉抽油桿柱和油柱所做的功。
A0可通過抽油機的實測示功圖，或者利用靜力示功圖求得。
電動機在上、下沖程中對外做功可轉化為電動機的輸出電能，而電動機輸出電能與輸入電能成正比。
因此，可通過測量電動機上、下沖程的輸入電能是否相等來判斷抽油機平衡狀態，也稱為電能法。
式(2)表示電動機功率曲線的上沖程所包圍面積和下沖程所包圍的面積相等，即上、下沖程電動機對外做功相等。
則有
(2)
式中：Iu、Id為上下沖程的輸入電流;U 為輸入電壓;cosφ 指電動機功率因數;t為抽油機工作時間。
當下沖程與上沖程對外做功之比在80%～110%時，則認為抽油機平衡。
(2)準則二。
這一準則通常用于游梁抽油機的平衡狀態檢驗與調整，但減速箱曲柄軸的轉矩測量比較繁瑣，通常可根據實測的光桿示功圖及轉矩因數表來繪制轉矩曲線。
這樣的測量過程不利于現場的實際應用。
由于電動機的輸入電流和功率與減速箱曲柄軸轉矩近
似成正比，因此人們通常比較上沖程和下沖程的電流峰值和功率峰值來取代曲柄軸轉矩峰值。
(3)準則三。
調整抽油機平衡是為延長抽油機使用壽命，即希望減速箱曲柄軸輸出轉矩最小。
在不平衡的抽油機上，曲柄軸輸出轉矩通常有正有負，因此轉矩的平均值Ma無法反應實際的載荷，通常采用均方根轉矩Mf來反映減速箱曲柄軸的載荷情況。
均方根轉矩與平均轉矩之比為周期載荷系數，其反映載荷轉矩的波動程度。
均方根轉矩和平均轉矩的表達式為
從節能角度分析，若使抽油機最節能即使電動機的變動損耗最小，而變動損耗與電流的平方成正比，電動機的電流取決于載荷轉矩。
因此，要求電動機載荷轉矩的均方根值最小。
只要保證曲柄軸轉矩的均方根值最小，就能保證電動機負載轉矩均方根值及電流的均方根值最小，即電動機工作在節能狀態。
因此，曲柄軸的均方根轉矩最小時，抽油機可安全節能地工作。
電動機的載荷轉矩通常不易測量，但功率容易測量。
對于轉差不大，轉速變化較小的電動機，近似認為電動機轉速與曲柄軸角速度是常數，曲柄軸轉矩與電動機輸入功率大體成正比。
可利用電動機的均方根功率的極小值作為判據對抽油機平衡率進行調節。
只有當功率曲線傅里葉級數的正弦分量占主要作用時，這種調節方式才能起到較好的效果。
2 調整判斷方法
2.1 電流法
盡管電流法測試抽油機平衡時會出現假平衡狀態，但這種方法簡單，仍被采油單位所采用。
實際應用時對非平衡抽油機進行調整，
式中：ΔR 為達到平衡時平衡塊的移動量;Mmax為抽油機最大轉矩;Wb為平衡塊重;Wmax、Wmin為懸點最大和最小載荷;S 為沖程;n為沖次。
該方法適用于現場抽油機平衡狀態較好情況，當抽油機嚴重不平衡時，此方法無法有效調整平衡。
2.2 功率法
功率法是通過測量電動機的功率變化曲線，分析抽油機的平衡情況，當下沖程和上沖程最大功率的百分比在80%～100%之間時，則認為功率平衡，此值通常不大于100%。
這種判斷方法與電流法原理相同，但該方法可以克服抽油機的假平衡現象，即當抽油機帶動電動機發電時，測量的功率曲線為負值。
3 調整原則比較
由以上分析可知：準則一采用抽油機上、下沖程功率曲線的面積比;準則二采用上、下沖程功率曲線的峰值比;準則三是對功率曲線進行傅里葉級數展開，使抽油機工作時電動機均方根功率取得極小值。
任何一種平衡準則都與電動機功率曲線相關，因此，通過對功率曲線進行分析可實現抽油機平衡率調節。
當抽油機處于良好平衡狀態時，曲柄軸轉矩曲線等效于功率曲線。
抽油機的上、下沖程是對稱的，采用準則一和準則二來判斷平衡率將得到相同的結果，而準則三需要濾除曲線的一階正弦分量，得到不同的功率曲線。
若對新功率曲線
采用準則一和準則二時，將與原功率曲線得到不同的平衡率;而準則二僅考慮上、下沖程的峰值功率，信息量偏少，在實際應用中與準則一得到的平衡結果存在差別。
由此可見，采用3種平衡準則分別調節抽油機時，將得到3種不同的平衡效果，具體哪種情況下的平衡效果最好目前還未有統一定論。
若通過調節抽油機平衡塊，使其同時滿足3個基本準則，則可認為抽油機處于理想平衡狀態。
參考文獻：
1.金偉，高增海等.抽油機平衡測試方法的研究與改進[J].石油機械，2001，29.
2.侯立功，劉超，陶明.雙驢頭抽油機平衡調整的簡易方法[J].油氣田地面工程，2008.
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