CN101598013B - 抽油机平衡配重方法和高效节能游梁式抽油机 - Google Patents

Abstract

现有的游梁式抽油机作为油田电消耗量最大的设备存在的主要问题是电动机负荷率低、电动机负率功发电冲击电网、缩短电动机寿命等。为此，本发明提供了一种抽油机平衡配重方法和高效节能游梁式抽油机，其平衡配重方法以稳定电动机输出扭矩为目的，减速箱的多段传动轴作为系列平衡块装置的运转轴，各段运转轴设置有配重块运转体，以正玄或余玄的数学表达式，再取一个固定项数的三角级数，最后得到最小二乘法导出的方程组，由此计算得到各配重块运转体的转速、起始分配角度和配重扭矩。本技术方案提高了电动机的负载率，有效的降低了电能浪费，而且避免了负功率发电模式对电动机及对电网的冲击，实现了耗电量低的技术目的，工作稳定、可靠。

Description

抽油机平衡配重方法和高效节能游梁式抽油机

技术领域

本发明涉及的是油田原油开采设备——游梁式抽油机，尤其涉及的是为达到节能、高效而设置新型配重构造的游梁式抽油机。

背景技术

油田原油开采设备中应用最为广泛的是游梁式竖井抽油机，其结构构造包括有底座、支架、游梁、游梁的曲柄连杆驱动机构、驴头及其悬绳器。游梁式抽油机作为油田的主要开采设备，也是油田用电耗能大户，其用电量达到油田总用电量的40％。另外，游梁式抽油机的驱动电动机平均负荷率仅为20～30％，部分电动机负荷率还会更低，存在普遍性低效率、能源浪费严重的现实问题。另外，游梁式抽油机工作中，其曲柄下降过程中由于负荷减轻，电动机拖动产生的能量无法被负载吸收，促使电动机处于发电工作状态，这多余能量被反馈至电网，对整个电网产生冲击，导致电网供电质量下降、产生功率因数降低等危险，而且频繁的高压冲击更会损坏电动机本身，所以存在生产效率低、维修量高、企业成本流失较大的技术问题。目前，我国拥有近8万台抽油机采油井，因而解决上述技术问题是迫在眉睫。

发明内容

本发明专利申请的发明目的在于提供一种稳定电动机输出扭矩、从而提高电动机负荷率、降低电量消耗、同时避免电动机负功率对电动机本身和电网冲击的抽油机平衡配重方法和高效节能游梁式抽油机。本抽油机平衡配重方法的发明专利申请技术方案，其主要技术内容是：本抽油机节能运行平衡配重方法，该方法最终以稳定电动机扭矩为目的，即

电动机输入扭矩T(input)＝抽油机负载扭矩T(demand)-系列平衡块装置提供的扭矩T(balance)＝常量C，

以正玄或余玄的数学表达式，取一个固定项数的三角级数，得：

T(balance)＝a₁sin(α₁+ω₁t)+b₁cos(β₁+ψ₁t)+...+a_nsin(α_n+ω_nt)+b_ncos(β_n+ψ_nt)

利用最小二乘法，得到：余量＝C+T(balance)-T(demand)，

和L＝∫[C+T(balance)-T(demand)]²dt

则最小二乘法导出如下的方程组：

$\frac{\∂L}{\∂C}=\frac{\∂L}{{\∂a}_i}=\frac{\∂L}{{\∂\mathrm{\α}}_i}=\frac{\∂L}{{\∂\mathrm{\ω}}_i}=\frac{\∂L}{{\∂b}_i}=\frac{\∂L}{{\∂\mathrm{\β}}_i}=\frac{\∂L}{{\∂\mathrm{\ψ}}_i}=0,$ i＝1，2，…，n，其中，ω、ψ代表各配重块转速，α、β代表各配重块的起始分配角度。

本发明专利申请提供的应用上述平衡配重方法的高效节能游梁式抽油机技术方案，其主要技术内容是：本高效节能游梁式抽油机，于分级减速的传动轴为运转轴设置有系列平衡块装置，各段运转轴设置有由所述数学模型计算得到相应转速、起始分配角度和配重扭矩的配重块运转体，游梁臂连杆驱动铰接于末段配重块运转体上构成游梁驱动曲柄。

本发明专利申请公开的抽油机平衡配重方法和高效节能游梁式抽油机技术方案，可以依托原游梁式抽油机的减速箱输入轴或输出轴设置系列平衡块装置，以达到稳定驱动电动机扭矩的作用，从而减小并稳定电动机净输出扭矩，大幅度增加了电动机的负荷率，因而可以选用额定功率低一些的电动机实施抽油机驱动工作，两方面因素降低了电能浪费；另外，稳定电动机扭矩的技术手段还避免了负功率造成的发电模式对电机及电网的冲击，节约了电能，延长了电动机使用寿命。因此本技术方案实现了耗电量低的技术目的、工作稳定、可靠。

附图说明

图1为游梁式抽油机的整体构造示意图

图2、图5和图7分别为本高效节能游梁式抽油机的系列平衡块装置的三实施例原理结构图

图3为图2的侧视结构图

图4为行星齿轮减速器的结构构造图

图6为图5的侧视结构图

图8为图7的侧视结构图

图9为抽油机输出、输入扭矩曲线图。

具体实施方式

本发明专利申请提供的抽抽机平衡配重方法，其数学模型是基于以下原理基础上建立的，如图9所示，其曲线①为现有的游梁式抽油机负载扭矩曲线，通过系列平衡装置的设置，使电动机的输出扭矩得以稳定，即

电动机输出扭矩＝抽油机负载扭矩-系列配重装置提供的扭矩＝常量，

即T(input)＝T(demand)-T(balance)＝C

所述的系列平衡块装置以分段减速运转轴设置有多段相应臂长和配重扭矩的配重块运转体，由于上述起平衡作用的配重块以固定的轴、以固定的臂长做圆周运动，则以正玄或余玄表达式、取一个固定项数的三角级数，则

T(balance)＝a₁sin(α₁+ω₁t)+b₁cos(β₁+ψ₁t)+...+a_nsin(α_n+ω_nt)+b_ncos(β_n+ψ_nt)

利用最小二乘法，取余量＝C+T(balance)-T(demand)，

L＝∫[C+T(balance)-T(demand)]²dt

则最小二乘法导出如下的方程组：

$\frac{\∂L}{\∂C}=\frac{\∂L}{{\∂a}_i}=\frac{\∂L}{{\∂\mathrm{\α}}_i}=\frac{\∂L}{{\∂\mathrm{\ω}}_i}=\frac{\∂L}{{\∂b}_i}=\frac{\∂L}{{\∂\mathrm{\β}}_i}=\frac{\∂L}{{\∂\mathrm{\ψ}}_i}=0,$ i＝1，2，...，n，其中，ω、ψ代表各配重块转速，α、β代表各配重块的起始分配角度。

根据以上数学模型，配重块和配重的阶数可依据实际情况任意选择和确定，按照所得数值解来确定每个平衡块的转速、初始角度和配重扭矩，而且设置的配重块阶数越高，与负载的拟合度就越好，即平衡扭矩曲线③与负载扭矩曲线①之差就越小，则电动机输入曲线、即图9中的曲线②就越接近直线。系列平衡块装置的设置，使曲线②趋于平缓，图中它虽然不是直线，但是已经相当平稳，即系列平衡块装置的设置稳定了电动机的输出功率，提高了电动机的负载率，电能的浪费大大减少；而且该曲线无负值，即不产生发电过程，这样就避免了对电网和电动机本身的冲击，两方面因素有效的延长了电动机的使用寿命；另外，电动机负载率提高，使电动机的功效大大提高，因而游梁式抽油机就可以选用额定功率值小的电动机来完成原来大额定功率电动机的工作任务，因此进一步降低电消耗量。所以，本技术方案的应用有效的减少了电能耗用量，降低了油田成本支出。

如图2所示的本系列平衡块装置一实施例构造，本系列平衡块装置以减速箱输出轴11为运转轴的对称结构，该系列平衡块装置由减速箱输出轴11为驱动轴，其两侧对称设置包括减速箱输出轴11在内的三阶配重，其减速箱输出轴11外端设有一级行星齿轮减速器20和其一级减速轴22，一级减速轴22外端同样方式设有二级行星齿轮减速器21和其二级减速轴23，各级行星齿轮减速器20、21及其减速轴22、23分别转动设置于支撑体24上，减速箱输出轴11的皮带轮对称侧、一级减速轴22和二级减速轴23上分别设有配对的配重块运转体30、配重块运转体32和配重块运转体31，这些对称设置的各配对配重块运转体均由上述数学模型计算确定其配重块转速、起始分配角度和配重扭矩。为了使上述构造适于作为原游梁式抽油机的配套改装机构，其中的配重块运转体31可以由原曲柄销配重块运转体9取代，与该配重块或其转臂转动设置游梁连杆8。

在保留原有的曲柄销配重块运转体1构造的基础上，以减速箱输入轴15作为系列平衡块装置的驱动运转轴，减速箱输入轴15设置的系列平衡块装置为对称构造，如图5所示，其每一对称侧设置包括减速箱输入轴15在内的两阶配重，即其减速箱输入轴15外端设有一级行星齿轮减速器25和其一级减速轴26，减速箱输入轴15的皮带轮40对称侧和一级减速轴26上分别配对设有配重块运转体33和配重块运转体34，并由上述数学模型来确定各配重块运转体的转速、起始分配角度和配重扭矩。

在保留原有的曲柄销配重块构造的基础上，仍以减速箱输入轴15作为系列平衡块装置的驱动运转轴，减速箱输入轴15设置的系列平衡块装置同样为对称构造，如图7所示，位于减速箱输入轴15的两对称侧设有由支撑体24转动支撑有一段或多段配重块运转体，在本实施例中，电动机输出轴通过不同减速比的皮带传动机构41、42分别带动中间段减速箱输入轴15和该中间段减速箱输入轴两对称侧的减速轴16，于中间段减速箱输入轴15的皮带轮40对称侧各设有一配重块运转体35，于两对称侧的减速轴16上设有第二组配对配重块运转体36。由已述的数学模型计算并分别确定两配对的配重块运转体的转速和起始分配角度和配重扭矩。

以上各实施例结构还可以采用非对称的结构形式。

Claims (5)

1.一种抽油机节能运行平衡配重方法，其特征在于该方法最终是以设置在分级减速的传动轴为运转轴的系列平衡块装置来稳定电动机扭矩为目的，其中的各段运转轴设置有由下述数学模型计算得到相应转速、起始分配角度和配重扭矩的配重块运转体，游梁连杆驱动铰接于末段配重块运转体上构成游梁驱动曲柄，该方法为： 

电动机输入扭矩T(input)=抽油机负载扭矩T(demand)-系列平衡块装置提供的扭矩T(balance)=常量C， 

以正弦或余弦的数学表达式，取一个固定项数的三角级数，得： 

T(balance)=a₁sin(α₁+ω₁t)+b₁cos(β₁+ψ₁t)+…+a_nsin(α_n+ω_nt)+b_ncos(β_n+ψ_nt) 

利用最小二乘法，得到：余量=C+T(balance)-T(demand)， 

和L=∫[C+T(balance)-T(denand)]²dt 

则最小二乘法导出如下的方程组： 

其中，ω、ψ代表各配重块转速，α、β代表各配重块的起始分配角度。 

2.应用权利要求1的平衡配重方法的高效节能游梁式抽油机，其特征在于以分级减速的传动轴为运转轴设置有系列平衡块装置，各段运转轴设置有由所述数学模型计算得到相应转速、起始分配角度和配重扭矩的配重块运转体，游梁连杆驱动铰接于末段配重块运转体上构成游梁驱动曲柄。 

3.根据权利要求2所述的游梁式抽油机，其特征在于系列平衡块装置是以减速箱输出轴(11)为运转轴的对称结构，减速箱输出轴两侧对称设置包括减速箱输出轴在内的多阶配重块运转体，其减速箱输出轴外端依次设有一级行星齿轮减速器和其一级减速轴、二级行星齿轮 减速器和其二级减速轴，依此顺序设置，减速箱输出轴的皮带轮对称侧和各级减速轴上分别配对设有相应的配重块运转体。 

4.根据权利要求2所述的游梁式抽油机，其特征在于以减速箱输入轴(15)作为系列平衡块装置的驱动运转轴，减速箱输入轴设置的系列平衡块装置为对称构造，其每一对称侧设置包括减速箱输入轴在内的多阶配重运转体，由减速箱输入轴依次输出驱动各级减速器和其减速轴，减速箱输入轴的皮带轮对称侧和以下各阶减速轴上分别配对设有配重块运转体。 

5.根据权利要求2所述的游梁式抽油机，其特征在于电动机输出轴通过不同减速比的皮带传动机构分别带动中间段的减速箱输入轴(15)和该中间段减速箱输入轴两对称侧的各减速轴，于中间段减速箱输入轴的皮带轮对称侧、各减速轴上分别设有一配重块运转体。 

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