CN107842489B - 一种游梁式抽油机的电动机转速调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种游梁式抽油机的电动机转速调整方法，属于油气田开发技术领域，解决了抽油机电动机功率因素和负载率低、能耗大的技术问题。该方法包括：获取游梁式抽油机的悬点载荷和曲柄转角；基于游梁式抽油机的结构参数根据悬点载荷和曲柄转角计算获得使游梁式抽油机的电动机功率维持在设定功率值所需的电动机目标转速；基于电动机目标转速对游梁式抽油机的电动机转速进行调整。

Description

一种游梁式抽油机的电动机转速调整方法

技术领域

本发明涉及油气田开发技术领域，具体的说，涉及一种游梁式抽油机的电动机转速调整方法。

背景技术

游梁式抽油机将电动机电能转变为旋转运动，再用四连杆机构将旋转运动转变为直线往复运动。这种结构特点决定了游梁式抽油机在运行过程中承受一种具有冲击性的周期交变载荷，启动时需要的启动转矩较大，若电动机的启动转矩小于负载转矩，抽油机将无法启动，因此为了满足启动条件抽油机电动机选型必须选用较大功率的机型。而抽油机电动机在进入运行状态后，大多数情况下抽油机电动机都处于轻载状态，这就导致抽油机电动机运行效率和功率因素都很低，能耗严重。

目前，利用变频器动态调整抽油机的转速以提高电动机的功率因数并实现抽油机的软启动的技术手段已较为成熟。2013年中国专利CN201320367902通过加速度传感器找出抽油机运行过程中上下冲程死点，并通过光电开关测得抽油机上升和下降的时间，从而调节动态调节电机转速，进而改变上下冲程速度。《大庆石油地质与开发》2006年第06期论文“抽油机柔性拖动控制技术的研究与应用”提出抽油机柔性拖动控制技术，通过检测系统功率，利用变频技术动态调整电机转速。2006年中国专利CN200520145816通过检测变频器的电压和电流来跟踪负载功率的变化，从而利用变频技术调整电动机的输入功率。上述方案在一定程度上达到了优化电机运转，提高电动机的功率因素，实现抽油机软启动的目的。但是其变频调速技术的智能水平有限，电动机的功率因素和负载率依然不能满足当前油气田生产的需要。

目前还没有一种涉及到基于实时的抽油机悬点载荷变化并结合抽油机结构参数来获得电动机的实时负载进而调整电机转速的电动机调速方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种游梁式抽油机的电动机转速调整方法，以解决现有的抽油机变频调速技术智能水平有限，电动机的功率因素和负载率不高的技术问题。

本发明提供一种游梁式抽油机的电动机转速调整方法，该方法包括：

获取游梁式抽油机的悬点载荷和曲柄转角；

基于游梁式抽油机的结构参数根据悬点载荷和曲柄转角计算获得使游梁式抽油机的电动机功率维持在设定功率值所需的电动机目标转速；

基于电动机目标转速对游梁式抽油机的电动机转速进行调整。

在所述获得电动机目标转速的步骤中包括：

根据游梁式抽油机的尺寸参数和曲柄转角计算获得扭矩因数；

根据游梁式抽油机的悬点载荷、曲柄转角、扭矩因数、最大平衡扭矩、结构不平衡重以及传动参数计算获得电动机的输出轴扭矩；

根据所述设定功率值和所述电动机的输出轴扭矩计算获得电动机目标转速。

在所述获得电动机的输出轴扭矩的步骤中包括：

根据游梁式抽油机的悬点载荷、曲柄转角、扭矩因数、结构不平衡重和最大平衡扭矩计算获得游梁式抽油机的曲柄净扭矩；

根据游梁式抽油机的皮带与减速箱的传动效率、电动机输出轴到减速箱输出轴的传动比以及所述曲柄净扭矩计算获得电动机的输出轴扭矩。

在所述计算获得扭矩因数的步骤中包括：

根据所述尺寸参数和曲柄转角计算获得游梁轴与曲柄的连接线与连杆之间的夹角θ₃，基杆与曲柄之间的夹角θ₂，游梁后臂与游梁轴垂直中心线之间的夹角θ₄；

根据下述表达式计算扭矩因数

其中，R为曲柄半径，A为游梁前臂长度，C为游梁后臂长度。

根据下述表达式计算游梁式抽油机的曲柄净扭矩M_N：

其中，F为悬点载荷，M_c为最大平衡扭矩，B为结构不平衡重，W_b为游梁平衡重，A为游梁前臂长度，C为游梁后臂长度，为扭矩因数，θ为曲柄转角。

根据下述表达式计算电动机输出轴扭矩M_M：

其中，M_N为曲柄净扭矩，η_MB为皮带与减速箱的传动效率，i_MB为电动机输出轴到减速箱输出轴的传动比。

根据下述表达式计算电动机目标转速n：

其中，N_MO为所述设定功率值，M_N为曲柄净扭矩，ω为曲柄转角速度，单位为弧度/秒，n为电动机目标转速，单位为转/分钟，η_MB为皮带与减速箱的传动效率，i_MB为电动机输出轴到减速箱输出轴的传动比。

本发明实施例提供的游梁式抽油机的电动机转速调整方法，相对于现有技术进一步提高了抽油机变频调速的智能水平，通过实时获取的悬点载荷和曲柄转角实时调整电动机的转速，实现电动机的近似恒功率输出，进一步提高了电动机的负载率和功率因素，减少了无功功率，并且可以实现电动机的软启动，进而解决了由于传统电动机由于选型过大导致的“大马拉小车”的问题。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1是本发明实施例提供的转速调整方法的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的游梁式抽油机运动机构示意图；

图3是本发明实施例提供的调整转速前后的电动机输出功率的对比示意图；

图4是本发明实施例提供的调整转速前后的电动机转速的对比示意图；

图5是本发明实施例提供的调整转速前后的电动机启动功率的对比示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

本发明实施例提供一种游梁式抽油机的电动机转速调整方法，如图1所示，该方法包括步骤101、步骤102和步骤103。在步骤101中，获取游梁式抽油机的悬点载荷和曲柄转角。悬点载荷通过示功仪实时测量得到或者预测得到。曲柄转角可以通过仪器实时测量得到，或通过测量角位移，并通过角位移计算得到。

在步骤102中，基于游梁式抽油机的结构参数根据悬点载荷和曲柄转角计算获得使游梁式抽油机的电动机功率维持在设定功率值所需的电动机目标转速。

在本步骤中，首先根据游梁式抽油机的尺寸参数和曲柄转角计算获得扭矩因数。如图2所示的游梁式抽油机的运动机构，游梁式抽油机的尺寸参数包括：曲柄半径R(m)，连杆长度P(m)，游梁后臂长度C(m)，基杆长度K(m)，游梁前臂长度A(m)，基杆的水平投影I(m)，初始相位角θ₀，曲柄转角θ，基杆与游梁轴垂直中心线之间的夹角α。通过上述尺寸参数计算可得到游梁式抽油机当前的运动参数：游梁轴与当前曲柄的连接线的长度L(m)，曲柄转过垂线的角度θ₁，游梁轴与曲柄的连接线与连杆之间的夹角θ₃，基杆与曲柄之间的夹角θ₂，游梁后臂与游梁轴垂直中心线之间的夹角θ₄，游梁轴与当前曲柄的连接线与基杆之间的夹角β，游梁后臂与基杆之间的夹角ψ，上述运动参数通过下述各表达式计算得出。

θ₁＝θ₀+θ

θ₂＝2π-θ₁+α

扭矩因数定义为单位悬点载荷在减速箱曲柄轴上所产生的扭矩，扭矩因数由下式计算：

在获得当前的曲柄转角对应的扭矩因数后，根据油梁式抽油机的悬点载荷、曲柄转角、扭矩因数、最大平衡扭矩以及传动参数计算获得电动机的输出轴扭矩。进一步的，先根据游梁式抽油机的悬点载荷、曲柄转角、扭矩因数和最大平衡扭矩计算获得游梁式抽油机的曲柄净扭矩。抽油机净扭矩是曲柄轴上实际承受的扭矩，由悬点载荷所形成的负载扭矩和平衡重所形成的平衡扭矩两项叠加而成。更为具体的，根据下述表达式计算游梁式抽油机的曲柄净扭矩M_N(N·m)：

其中，F为当前悬点载荷(N)，M_c为最大平衡扭矩(N·m)，B为结构不平衡重(N)，W_b为游梁平衡重(N)。

在获得当前的曲柄净扭矩M_N后，根据游梁式抽油机的皮带与减速箱的传动效率、电动机输出轴到减速箱输出轴的传动比以及所述曲柄净扭矩计算获得电动机的输出轴扭矩。更为具体的，根据下述表达式计算电动机输出轴扭矩M_M：

其中，M_M为电动机输出轴扭矩(N·m)，η_MB为皮带与减速箱的传动效率；i_MB为电动机输出轴到减速箱输出轴的传动比。

然后，根据所述设定功率值和所述电动机的输出轴扭矩计算获得电动机目标转速。更为具体的，根据下述表达式计算电动机目标转速n：

其中，N_MO为电动机设定功率值(kw)，ω为曲柄转角速度，单位为弧度/秒，n为电动机目标转速，单位为转/分钟。设定功率值即预先设定的电动机瞬时输出功率，在本发明的一种实施方式中，设定功率值约等于电动机额定功率值，以提高电动机工作效率。

在步骤103中，基于电动机目标转速对游梁式抽油机的电动机转速进行调整，即可通过变频设备在任意时刻将电动机转速调整为通过步骤101和102计算获得的电动机目标转速n，从而使得调整转速后的电动机的功率保持在设定功率值，实现电动机的近似恒功率输出。

下面以普通游梁式抽油机为例，通过对比使用本发明提供的转速调整方法前后，电动机的输出功率、转速以及启动功率的变化情况对本发明提供的转速调整方法进行进一步说明。如图3所示，P1为调整转速前电动机的输出功率随曲柄转角变化的曲线，P2为调整转速后电动机的输出功率随曲柄转角变化的曲线，从图中可以看出调整转速前电动机的输出功率波动很大，调整转速后电动机输出功率近似为恒定功率，电机效率大大提高。如图4所示，n1为调整前的电机转速随曲柄转角变化的曲线，n2为调整后的电机转速随曲柄转角变化的曲线，可以看出调整前的电机转速是恒定不变的，调整后的电机转速随曲柄转角以及悬点载荷实时变化。如图5所示，P3为调整前电动机启动时的功率变化曲线，P4为调整后电动机启动时的功率变化曲线，可以看出调整前电动机启动功率波动很大，并且峰值很高，调整后电动机的启动功率平稳增大，实现电动机的软启动，不再需要通过峰值功率获得启动转矩，在实际应用中，可降低抽油机电动机装机选型功率3档。

本发明实施例提供的游梁式抽油机的电动机转速调整方法，相对于现有技术进一步提高了抽油机变频调速的智能水平，通过实时获取的悬点载荷和曲柄转角实时调整电动机的转速，实现电动机的近似恒功率输出，进一步提高了电动机的负载率和功率因素，减少了无功功率，并且可以实现电动机的软启动，进而解决了由于传统电动机由于选型过大导致的“大马拉小车”的问题。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (5)

1.一种游梁式抽油机的电动机转速调整方法，其特征在于，包括：

获取游梁式抽油机的悬点载荷和曲柄转角；

基于游梁式抽油机的结构参数根据悬点载荷和曲柄转角计算获得使游梁式抽油机的电动机功率维持在设定功率值所需的电动机目标转速；

其中，在获得电动机目标转速的步骤中包括：

根据游梁式抽油机的尺寸参数和曲柄转角计算获得扭矩因数；

根据游梁式抽油机的悬点载荷、曲柄转角、扭矩因数、最大平衡扭矩、结构不平衡重以及传动参数计算获得电动机的输出轴扭矩；

根据所述设定功率值和所述电动机的输出轴扭矩通过下式计算获得电动机目标转速：

其中，N_MO为所述设定功率值，M_N为曲柄净扭矩，ω为曲柄转角速度，单位为弧度/秒，n为电动机目标转速，单位为转/分钟，η_MB为皮带与减速箱的传动效率，i_MB为电动机输出轴到减速箱输出轴的传动比；

基于电动机目标转速对游梁式抽油机的电动机转速进行调整。

2.根据权利要求1所述的电动机转速调整方法，其特征在于，在所述获得电动机的输出轴扭矩的步骤中包括：

根据游梁式抽油机的悬点载荷、曲柄转角、扭矩因数、结构不平衡重和最大平衡扭矩计算获得游梁式抽油机的曲柄净扭矩；

根据游梁式抽油机的皮带与减速箱的传动效率、电动机输出轴到减速箱输出轴的传动比以及所述曲柄净扭矩计算获得电动机的输出轴扭矩。

3.根据权利要求1所述的电动机转速调整方法，其特征在于，在所述计算获得扭矩因数的步骤中包括：

根据所述尺寸参数和曲柄转角计算获得游梁轴与曲柄的连接线与连杆之间的夹角θ₃，基杆与曲柄之间的夹角θ₂，游梁后臂与游梁轴垂直中心线之间的夹角θ₄；

根据下述表达式计算扭矩因数

其中，R为曲柄半径，A为游梁前臂长度，C为游梁后臂长度。

4.根据权利要求2所述的电动机转速调整方法，其特征在于，根据下述表达式计算游梁式抽油机的曲柄净扭矩M_N：

其中，F为悬点载荷，M_c为最大平衡扭矩，B为结构不平衡重，W_b为游梁平衡重，A为游梁前臂长度，C为游梁后臂长度，为扭矩因数，θ为曲柄转角。

5.根据权利要求2所述的电动机转速调整方法，其特征在于，根据下述表达式计算电动机输出轴扭矩M_M：

其中，M_N为曲柄净扭矩，η_MB为皮带与减速箱的传动效率，i_MB为电动机输出轴到减速箱输出轴的传动比。