CN112211812A - 一种游梁式抽油机衡功率变速运行的方法 - Google Patents

一种游梁式抽油机衡功率变速运行的方法 Download PDF

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Abstract

一种游梁式抽油机衡功率变速运行的方法属于抽油机变速运行领域，该发明能够有效解决游梁式抽油机不能适应悬点载荷的动态变化导致电机功率波动幅度大、负功、振动大等问题。本方法需要采集一个冲程内不同曲柄角度θi下的悬点载荷W(θi)和电机输入功率P(θi)，根据电机输入功率P(θi)计算出一个冲程内的电机平均输入功率P均，根据悬点载荷W(θi)，依据游梁式抽油机力学传动关系，反推电机输出扭矩Td(θi)，结合电机平均输入功率P均，计算理论电机转速n(θi)，根据理论电机转速n(θi)对电机实时主动精准控制，实现游梁式抽油机衡功率变速运行。本发明能够提高电机负载率和电机效率，大幅减少甚至消除负扭矩，降低减速箱冲击和振动，降低装机功率。

Description

一种游梁式抽油机衡功率变速运行的方法
技术领域：本发明涉及抽油机变速运行领域，具体涉及一种游梁式抽油机衡功率变速运行的方法。
背景技术：游梁式抽油机已有百年应用历史，性能可靠、耐用，是油井第一大举升方式。但由于其结构和载荷特点，系统承受交变载荷，电机功率波动幅度大，普遍存在负功现象，振动大，导致系统运行效率低、一些零部件寿命短。现有专利一种抽油机变速运行智能控制方法及装置是通过载荷位移数据计算当前泵效，设置目标值，根据闭环控制算法计算新的抽汲工作制度，进而对抽油机进行变频调参，然而该专利还是采用常规变频定速运行，仍然不能适应载荷的动态变化，没有从根本上解决电机功率波动幅度大、负功、振动大等问题。
发明内容：本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种游梁式抽油机衡功率变速运行的方法，解决了游梁式抽油机不能适应悬点载荷的动态变化导致的电机功率波动幅度大、负功、振动大等问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种游梁式抽油机衡功率变速运行的方法，包括以下步骤：
步骤1：采集一个冲程内不同曲柄角度θi下的悬点载荷W(θi)和电机输入功率P(θi)；
步骤2：计算一个冲程内的电机平均输入功率P均；
步骤3：计算曲柄负荷扭矩Twn(θi)；
步骤4：计算曲柄平衡扭矩TB(θi)；
步骤5：计算曲柄净扭矩Tn(θi)；
步骤6：计算电机输出扭矩Td(θi)；
步骤7：计算理论电机转速n(θi)；
步骤8：按照理论电机转速n(θi)对电机实时主动精准控制；
步骤9：在进入下一运行周期前，重复步骤1～8，即实现游梁式抽油机衡功率变速运行。
所述步骤1，将曲柄旋转一周划分成N等份，N＝120～360；采集一个冲程内不同曲柄角度θi下的悬点载荷W(θi)和电机输入功率P(θi)，其中编号i＝1，2，3，…，N。
所述步骤2，计算一个冲程内的电机平均输入功率P均。
Figure BDA0002676612110000021
所述步骤3，根据采集的悬点载荷W(θi)，结合游梁式抽油机结构的不平衡重B，利用游梁式抽油机扭矩因数
Figure BDA0002676612110000022
计算曲柄负荷扭矩Twn(θi)。
Figure BDA0002676612110000023
所述步骤4，通过游梁式抽油机型号能够查询出单个平衡块重Wcb、单个曲柄自重Wc、曲柄重心半径Rc及曲柄平衡相位角τ等数据，根据现场平衡块数量a及平衡块位置R，计算曲柄平衡扭矩TB(θi)。
TB(θi)＝[a×Wcb×R+2Wc×Rc]×sin(θi+τ)
所述步骤5，根据曲柄负荷扭矩Twn(θi)和曲柄平衡扭矩TB(θi)，计算出曲柄净扭矩Tn(θi)。
Tn(θi)＝Twn(θi)-TB(θi)
所述步骤6，根据电机输出轴至曲柄轴的传动效率ηq及传动比ig，计算电机输出扭矩Td(θi)。
Figure BDA0002676612110000031
所述步骤7，根据电机输出扭矩Td(θi)、电机效率ηd(θi)、修正系数f(θi)、电机额定转速n0及电机平均输入功率P均，计算理论电机转速n(θi)。
Figure BDA0002676612110000032
Figure BDA0002676612110000033
所述步骤8，以10～60分钟为一个运行周期，按照理论电机转速n(θi)对电机进行实时主动精准控制。
本发明的优点：
1)本发明方法提供了一种游梁式抽油机衡功率变速运行的方法，能够有效降低电机轴扭矩和曲柄轴扭矩，大幅减少甚至消除负扭矩，降低减速箱冲击和振动，延长皮带更换周期。
2)本发明方法能够提高电机负载率，有效提高电机效率，降低装机功率。
附图说明：图1为本发明方法流程图；图2为电机在常规恒速运行下电机功率及电机转速曲线图；图3为电机在衡功率变速运行下电机功率及电机转速曲线图。
具体实施方式：以下结合附图对本发明做进一步详述，具体介绍一种游梁式抽油机衡功率变速运行的方法。
结合附图1对本发明进行详细说明，以XX井为例，该井抽油机型号CYJ10-3-37HB，平衡块数量a＝4，单个平衡块重Wcb＝12.6kN，单个曲柄自重Wc＝10kN，曲柄重心半径Rc＝0.75m，平衡块位置R＝0.95m，曲柄平衡相位角τ＝0，不平衡重B＝2.25kN，冲程3m，冲次5min-1，电机输出轴至曲柄轴的传动效率ηq＝87％及传动比ig＝150，电机为37kW常规三相异步电机，电机额定转速n0＝750r/min。
步骤1，首先将曲柄旋转一周划分成360等份，采集一个冲程内不同曲柄角度θi下的悬点载荷W(θi)和电机输入功率P(θi)，其中编号i＝1，2，3，…，360；为了便于计算本具体实施例只给出其中部分数据具体数据如表1所示。
表1不同曲柄角度θi下的悬点载荷W(θi)和电机输入功率P(θi)数据
Figure BDA0002676612110000041
步骤2，根据一个冲程内的所有采集点的电机输入功率P(θi)，计算出一个冲程内的电机平均输入功率P均。
Figure BDA0002676612110000042
步骤3，根据采集的悬点载荷W(θi)和已知的游梁式抽油机结构的不平衡重B＝2.25kN，利用游梁式抽油机扭矩因数
Figure BDA0002676612110000043
计算曲柄负荷扭矩Twn(θi)，如表2所示。
Figure BDA0002676612110000051
表2不同曲柄角度θi下的曲柄负荷扭矩Twn(θi)数据
Figure BDA0002676612110000052
步骤4，通过游梁式抽油机型号能够查询出单个平衡块重Wcb＝12.6kN、单个曲柄自重Wc＝10kN、曲柄重心半径Rc＝0.75m及曲柄平衡相位角τ＝0等数据，根据现场平衡块数量a＝4及平衡块位置R＝0.95m，计算曲柄平衡扭矩TB(θi)，如表3所示。
TB(θi)＝(4×12.6×0.95+2×10×0.75)×sin(θi+0)
表3不同曲柄角度θi下的曲柄平衡扭矩TB(θi)数据
Figure BDA0002676612110000053
步骤5，根据曲柄负荷扭矩Twn(θi)和曲柄平衡扭矩TB(θi)，即能计算曲柄净扭矩Tn(θi)，如表4所示。
Tn(θi)＝Twn(θi)-TB(θi)
表4不同曲柄角度θi下的曲柄净扭矩Tn(θi)数据
Figure BDA0002676612110000061
步骤6，根据电机输出轴至曲柄轴的传动效率ηq＝87％及传动比ig＝150，计算电机输出扭矩Td(θi)，如表5所示。
Figure BDA0002676612110000062
表5不同曲柄角度θi下的电机输出扭矩Td(θi)数据
Figure BDA0002676612110000063
步骤7，根据计算出的电机输出扭矩Td(θi)、电机效率ηd(θi)、修正系数f(θi)、电机额定转速n0＝750r/min及电机平均输入功率P均＝7.5kW，计算理论电机转速n(θi)。
Figure BDA0002676612110000064
Figure BDA0002676612110000065
由于Td(θi)＝0的数据点会导致计算出的理论电机转速不存在，为此，删除该数据点，并对计算出理论电机转速n(θi)进行滤波平滑处理得到表6。
表6不同曲柄角度θi下的理论电机转速n(θi)数据
Figure BDA0002676612110000071
步骤8，以10～60分钟为一个运行周期，按照理论电机转速n(θi)对电机实时主动精准控制。
步骤9，在进入下一运行周期前，重复步骤1～8，即实现游梁式抽油机衡功率变速运行。
通过应用本发明方法，即可实现将原来“变功率，恒转速”转换成“衡功率，变转速”，如附图2、附图3所示，提高电机负载率，有效提高电机效率，降低装机功率。此外，本发明方法还能够有效降低电机轴和曲柄轴扭矩，大幅减少甚至消除负扭矩，降低减速箱冲击和振动，延长皮带更换周期。

Claims (9)

1.一种游梁式抽油机衡功率变速运行的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：采集一个冲程内不同曲柄角度θi下的悬点载荷W(θi)和电机输入功率P(θi)；
步骤2：计算一个冲程内的电机平均输入功率P均；
步骤3：计算曲柄负荷扭矩Twn(θi)；
步骤4：计算曲柄平衡扭矩TB(θi)；
步骤5：计算曲柄净扭矩Tn(θi)；
步骤6：计算电机输出扭矩Td(θi)；
步骤7：计算理论电机转速n(θi)；
步骤8：按照理论电机转速n(θi)对电机实时主动精准控制；
步骤9：在进入下一运行周期前，重复步骤1～8，即实现游梁式抽油机衡功率变速运行。
2.根据权利要求1所述的一种游梁式抽油机衡功率变速运行的方法，其特征在于：所述步骤1，将曲柄旋转一周划分成N等份，N＝120～360；采集一个冲程内不同曲柄角度θi下的悬点载荷W(θi)和电机输入功率P(θi)，其中编号i＝1，2，3，…，N。
3.根据权利要求1所述的一种游梁式抽油机衡功率变速运行的方法，其特征在于：所述步骤2，计算一个冲程内的电机平均输入功率P均。
Figure FDA0002676612100000011
4.根据权利要求1所述的一种游梁式抽油机衡功率变速运行的方法，其特征在于：所述步骤3，根据采集的悬点载荷W(θi)，结合游梁式抽油机结构的不平衡重B，利用游梁式抽油机扭矩因数
Figure FDA0002676612100000021
计算曲柄负荷扭矩Twn(θi)。
Figure FDA0002676612100000022
5.根据权利要求1所述的一种游梁式抽油机衡功率变速运行的方法，其特征在于：所述步骤4，通过游梁式抽油机型号能够查询出单个平衡块重Wcb、单个曲柄自重Wc、曲柄重心半径Rc及曲柄平衡相位角τ等数据，根据现场平衡块数量a及平衡块位置R，计算曲柄平衡扭矩TB(θi)。
TB(θi)＝[a×Wcb×R+2Wc×Rc]×sin(θi+τ)
6.根据权利要求1所述的一种游梁式抽油机衡功率变速运行的方法，其特征在于：所述步骤5，根据曲柄负荷扭矩Twn(θi)和曲柄平衡扭矩TB(θi)，计算曲柄净扭矩Tn(θi)。
Tn(θi)＝Twn(θi)-TB(θi)
7.根据权利要求1所述的一种游梁式抽油机衡功率变速运行的方法，其特征在于：所述步骤6，根据电机输出轴至曲柄轴的传动效率ηq及传动比ig，计算电机输出扭矩Td(θi)。
Figure FDA0002676612100000023
8.根据权利要求1所述的一种游梁式抽油机衡功率变速运行的方法，其特征在于：所述步骤7，根据电机输出扭矩Td(θi)、电机效率ηd(θi)、修正系数f(θi)、电机额定转速n0及电机平均输入功率P均计算理论电机转速n(θi)。
Figure FDA0002676612100000031
Figure FDA0002676612100000032
9.根据权利要求1所述的一种游梁式抽油机衡功率变速运行的方法，其特征在于：所述步骤8，以10～60分钟为一个运行周期，按照理论电机转速n(θi)对电机进行实时主动精准控制。
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