刁海勝 王宏博

(1.長慶油田分公司第三采油廠 寧夏銀川 750006；2.燕山大學 河北秦皇島 066000)

1 前言

常規(guī)游梁式抽油系統(tǒng)為克服負載啟動和曲柄扭矩波動較大的缺點，常選用額定功率較大的電機來驅(qū)動，因此抽油系統(tǒng)穩(wěn)定工作時電機的平均負載率很低，出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象，造成電能的浪費。為改變上述現(xiàn)狀，本文提出了采用液力變矩器來改善抽油系統(tǒng)效率的方法，并建立了該系統(tǒng)的仿真模型對其啟動與運行特性進行仿真分析。

2 傳動方案設計

為降低抽油機電動機的能耗損失，提出了一種改善方法，示意圖如圖1所示。

圖1 方案示意圖

本方案主要從使用液力變矩器提高電機啟動扭矩和增加抽油機轉(zhuǎn)動慣量提高電機軸負載扭矩穩(wěn)定性兩方面入手。游梁式抽油系統(tǒng)由于四桿機構(gòu)的限制電動機負載扭矩波動較大，為了降低扭矩波動，在抽油機的傳動系統(tǒng)上增加一個均質(zhì)平衡塊以提高傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量。在抽油機工作過程中平衡塊上的能量交替增加與減小，從而實現(xiàn)降低電機軸轉(zhuǎn)速波動與扭矩波動的目的。

在小帶輪上增加平衡塊將增大抽油機的啟動扭矩，使電機啟動更為困難，為了提高電機的啟動扭矩，在電機與小帶輪之間增加一個液力變矩器，以此降低抽油機選用電動機的額定功率，并使抽油機的啟動變得更加平穩(wěn)。

應用液力變矩器后，由于液力變矩器本身的能量損耗將降低抽油系統(tǒng)的效率，因此應用帶有鎖止離合器的液力變矩器解決此問題。在抽油系統(tǒng)啟動后，鎖止離合器工作，將液力傳動變?yōu)闄C械傳動，從而提高抽油系統(tǒng)的傳動效率。

3 系統(tǒng)運動規(guī)律的動力學仿真模型

為便于建立地面抽油機運動規(guī)律與井下桿柱振動規(guī)律的仿真模型，做如下假設和簡化：（1）忽略液力變矩器工作液體沿工作腔方向循環(huán)流動的慣性力，忽略工作液體的轉(zhuǎn)動慣量；（2）忽略油管柱與液柱的振動，僅研究抽油桿柱的縱向振動。

3.1 液力變矩器的仿真模型

在抽油機運行過程中液力變矩器的變速比是時變的，其運動規(guī)律的微分方程可以由下式表示：

式中，MBD為泵輪上的等效驅(qū)動力矩，N·m；MBH為泵輪的液力轉(zhuǎn)矩，N·m；MWH為渦輪的液力扭矩，N·m；K為變矩比，其值隨轉(zhuǎn)速比而變化；JB轉(zhuǎn)化到泵輪上的等效轉(zhuǎn)動慣量，kg·m；ωB泵輪的角速度，rad/s。

液力變矩器穩(wěn)定工況下泵輪的液力轉(zhuǎn)矩為

式中，ρ為液力變矩器內(nèi)油液的密度，kg/m3；λB為泵輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)，其值隨轉(zhuǎn)速比而變化；D為液力變矩器的有效直徑。

3.2 曲柄與懸點運動規(guī)律的仿真模型

由于抽油機特性的影響，其曲柄的運動規(guī)律也是實時變化的，其運動規(guī)律的微分方程為：

式中，Med為轉(zhuǎn)化到曲柄軸處的等效驅(qū)動力矩，N·m；Mef為轉(zhuǎn)化到曲柄軸處的等效阻力矩，N·m；Je為由液力變矩器渦輪到懸點所有運動件的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量轉(zhuǎn)化到曲柄軸處的等效轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2。

4 仿真分析

表1為一常規(guī)游梁式抽油機的實際工作參數(shù)，以此為基礎(chǔ)進行仿真分析。

表1 抽油機井基本參數(shù)

4.1 啟動特性分析

常規(guī)游梁式抽油機為滿足系統(tǒng)的帶載啟動，常會選用較大額定功率的電動機來驅(qū)動抽油系統(tǒng)，在本方案中，為了降低電機軸上的扭矩波動在小帶輪上增加了一個較大的轉(zhuǎn)動慣量，這樣就增大了抽油機的啟動載荷，惡化了其啟動特性，但液力變矩器的特性改善了電機的啟動特性使抽油系統(tǒng)能夠正常啟動。

圖2為以電動機直接驅(qū)動常規(guī)機時的曲柄角速度的變化曲線，其中圖a為45kW電動機驅(qū)動抽油機正常啟動的圖像，可以發(fā)現(xiàn)當電機可以正常驅(qū)動抽油機啟動時，曲柄角速度在短時間內(nèi)快速上升后開始穩(wěn)定工作；圖b為以22kW電動機直驅(qū)抽油機無法啟動的圖像，可以發(fā)現(xiàn)抽油機曲柄角速度由0增大到某一值后重新減小為0，表明用22kW的電動機無法使改進后的抽油系統(tǒng)正常啟動。

圖2 電機直驅(qū)啟動圖像

圖3為以22kW的電動機和液力變矩器共同驅(qū)動抽油系統(tǒng)時曲柄角速度變化曲線，可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)過一段時間后曲柄角速度開始呈周期性的波動，表明應用22kW的電動機和液力變矩器可以使改進后的抽油系統(tǒng)正常啟動。

圖3 液力變矩器驅(qū)動啟動圖像

通過以上對比分析發(fā)現(xiàn)應用液力變矩器可以優(yōu)化電機的啟動特性，使抽油機應用較小的額定功率的電機進行驅(qū)動。

4.2 穩(wěn)定運行分析

以如下三種方案驅(qū)動游梁抽油系統(tǒng)，對其穩(wěn)定工作時的運行狀態(tài)進行仿真分析，可得到其運動特性曲線如圖4、5所示。方案一以37kW電動機驅(qū)動的常規(guī)游梁抽油系統(tǒng)、方案二以22kW電動機和液力變矩器共同驅(qū)動在小帶輪上加有平衡塊的游梁抽油系統(tǒng)和方案三以22kW電動機和鎖止離合器共同驅(qū)動在小帶輪上加有平衡塊的游梁抽油系統(tǒng)。

圖4 示功圖對比

圖4為三種穩(wěn)定運行狀態(tài)下的示功圖對比，從上圖中可以發(fā)現(xiàn)三種穩(wěn)定運行狀態(tài)下的示功圖曲線基本重合，說明在小帶輪上增加轉(zhuǎn)動慣量和使用液力變矩器驅(qū)動抽油機對懸點載荷影響很小。圖5為三種穩(wěn)定運行狀態(tài)下的電機軸扭矩曲線對比，從圖中可以看出應用液力變矩器和在小帶輪增加轉(zhuǎn)動慣量后，可以降低電機軸扭矩波動，改善電機的工作狀態(tài)。三種狀態(tài)求平均功率分別為12.1kW、12.3kW、10.9kW，經(jīng)過對比分析可以發(fā)現(xiàn)雖然應用液力變矩器對電機輸出扭矩的平衡效果最好，但是由于液力變矩器本身的能耗并不能降低電機的平均輸入功率，而本文提出的新方案可以降低電機的平均輸入效率，從而達到節(jié)能降耗的目的。

圖5 電機軸扭矩曲線對比

5 結(jié)論

（1）在游梁式抽油機的小帶輪上增加一個均質(zhì)平衡塊以提高抽油機整體的轉(zhuǎn)動慣量，應用此方法雖然可以降低電機負載扭矩的波動與電機的輸入功率波動，但將惡化抽油機的啟動特性；

（2）應用液力變矩器可以提高電動機的輸出扭矩從而改善電機的啟動特性，進而降低游梁式抽油機電機額定功率，但由于液力變矩器自身能量損失抽油機整體并不能達到節(jié)電的目的；

（3）抽油機正常啟動后采用鎖止離合器將液力傳動變?yōu)闄C械傳動將提高傳動系統(tǒng)的傳動效率，進而整體提高抽油系統(tǒng)的系統(tǒng)效率。

［1］孫正貴. 游梁式抽油機節(jié)能控制技術(shù)［M］. 山東: 中國石油大學出版社，2008: 8-51.

［2］孔昭瑞, 王振華, 郭登明等. 旋轉(zhuǎn)驢頭抽油機的性能特點［J］. 石油機械, 1992, 20(3): 15-37.

［3］方仁杰, 朱維兵. 抽油機歷史現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢分析［J］. 鉆采工藝, 2011, 34(2): 60-63.