高轉差率電動機驅動的游梁式抽油機平衡判定調整方法與流程

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本發明涉及游梁式抽油機采油系統平衡調節技術領域，特別涉及高轉差率電動機驅動的游梁式抽油機平衡判定調整方法。

背景技術：

游梁式抽油機是主要的采油設備，占總采油設備的90％以上。數以萬計的游梁式抽油機完成了我國80％的采油量。據中石油信息研究所的一份《國內外油田地面生產系統節能技術調研》報告稱，美國抽油機井系統的效率一般為40％，而我國抽油機系統的效率僅為26％。機采能耗費用占采油成本的比例比較大，其中抽油機平衡不好，平衡調節困難是效率低的主要原因之一。

游梁式抽油機的平衡是通過在抽油機的游梁或者曲柄中加入平衡重利用重物升降改變位能來實現整機平衡。在抽油機的下沖程中，將平衡重從低處向高處舉升，儲存勢能，上沖程時，平衡塊下落釋放這些勢能，協助電動機舉升抽油桿柱和液柱，減輕電動機負載和減速器的傳遞扭矩，緩解電動機載荷不均的現象。

游梁式抽油機平衡判別與調整是采油管理中的一項重要內容。游梁式抽油機通過準確的平衡判定及合理的平衡調整，能夠有效的降低能耗，提高效率，減輕沖擊，延長設備使用壽命。

為了改進現有的游梁式抽油機系統的效率和性能，采用了高轉差率和超高轉差率電動機進行驅動。由于高轉差率電動機的轉子電阻較大，電動機起動轉矩有較大提高，則抽油機的啟動性能得到改善，裝機容量有效降低；高轉差率電動機的機械特性較軟，遇到沖擊載荷時，轉速下降，在曲柄慣性作用下，減速器和電動機的扭矩變化趨勢較硬特性電動機驅動時平緩，扭矩峰值降低，一定程度上改善了機、桿、泵的配合，能有效提高泵的充滿度，有節能效果。

高轉差率電動機驅動抽油機的主要特點如下：

(1)高轉差率電動機的結構使其具有較好的起動性能、較大的起動轉矩和軟的機械特性，因此抽油機電動機裝機容量可以有效降低。

(2)高轉差率電動機的額定效率比普通的電動機低，但是在驅動抽油機運行時，由于機、桿、泵的合理匹配，卻具有較高的平均效率。

(3)高轉差率電動機驅動抽油機時，若配有專用的控制系統，則抽油機采油系統的無功功率和線損可以有效降低，功率因數有效提高。

(4)對于存在倒發電的抽油機采油系統，高轉差率電動機可以有效的降低或者消除到發電狀態，能夠降低供電容量，減少能量轉換過程及其損耗，實現了節能功能。

對于高轉差率驅動抽油機時，抽油機游梁的平衡，沒有發現有專用的平衡判定方法。因此，從現有的抽油機平衡判定方法分析其適合性。目前常用的平衡準則有三種：準則一，抽油機電動機上、下沖程對外做功相等；準則二，懸點上、下沖程中減速箱曲柄軸峰值扭矩相等；準則三，整個沖程中減速箱曲柄軸扭矩均方根值最小。準則二多用于運行中抽油機平衡狀態的檢驗和調整。電動機的輸入電流和功率與減速箱曲柄軸扭矩成正比，其變化規律也相同，加上減速箱輸出軸扭矩難以測量，因此常用電流法、功率法和扭矩法代替準則二。按準則二調整平衡時，峰值扭矩最小，但負扭矩最大，準則三反之，準則一介于這兩者之間。從對減速箱工作狀態的影響來看，無法確定哪個準則更好。對于電動機來說，準則三的均方根扭矩最小，其平衡效果最佳，可以降低抽油機能耗而提高經濟效益。現在還沒有統一標準來評判這三種平衡準則的效果好壞。

在國內油田抽油機平衡狀態的運行維護中，應用最多的是準則二。而相應的抽油機平衡測試的方法主要有電流法、功率法、扭矩曲線法等3種方法。

在油田實際生產管理中，采用電流法判斷游梁是否時，通常認為下沖程峰值電流與上沖程峰值電流的比值在85％～100％之間時，即為平衡狀態。電流法是最簡單、實用的方法，采油現場可以用電流表直接測量和判斷，但是會出現虛假平衡，即計算數據顯示平衡實則不平衡。對于平衡塊的調整沒有具體計算量，大多時候依靠經驗，則很難保證一次準確調整至最佳平衡位置。采用功率法進行平衡判定時，如果下沖程電機峰值功率與上沖程峰值功率的比值在80％～100％之間，則認為抽油機處于平衡狀態。扭矩曲線需要分別找出抽油機上、下沖程中曲柄扭矩的峰值，進行比，如峰值比小于90％，則認為不平衡。

有些學者和工程師認為直接測量抽油機曲柄扭矩很難實現，通過示功圖計算其扭矩是可行方法之一，但是計算過程中需要的抽油機結構參數較多，且目前抽油機型號和生產廠家較多，不容易實現。抽油機電動機的輸入功率與曲柄扭矩有一定的關系，通過電動機輸入功率計算曲柄扭矩比較容易，不需要抽油機的結構參數等。電動機輸入功率與曲柄扭矩的計算公式如下：

式中，p為電動機瞬時輸入功率，kW；T為曲柄扭矩，N·m；n為電動機轉速，r/min；η為傳動效率。

從上面的公式可以分析出，在抽油機電動機轉速波動不大，可以近似的認為恒定的時候，此方法是比較好的方法之一。但是對于高轉差率電動機來說，抽油機運行過程中，電動機轉速隨著負載的變化而變化，不是一個可以近似的恒定轉速，所以此方法不適用于高轉差驅動的游梁式抽油機平衡的判斷，同樣也不適合于抽油機進行變速采油時的平衡判定。

超高轉差率電動機的較軟的機械特性，與游梁式抽油機周期性交變載荷的適用性，都表明了該電動機比普通電動機驅動具有更大的優越性。但是，高轉差率電動機或者超高轉差率電動機驅動抽油機時，抽油機曲柄轉速不再可以近似認為是恒定，有較大波動，同樣對抽油機進行動力學分析時，再認為曲柄轉速為常數，則會出現計算錯誤。將曲柄轉速波動因素考慮在內時，則建立的曲柄運動規律的運動微分方程與抽油桿柱振動的波動方程之間有著較強的耦合，其求解較為困難。

因此在陜西省教育廳項目(項目編號2013JK1024)支持下，本發明提出一種適合于高轉差率電動機驅動的抽油機或者抽油機變速運行時的平衡判定方法，利用電動機的磁鏈觀測方法計算抽油機電動機的轉速，結合抽油機動力學分析，進而得出抽油機曲柄的運動規律，分別計算出抽油機懸點的速度、加速度和位移，以及懸點的載荷，計算出抽油機曲柄扭矩，將上、下沖程的最大扭矩進行比較，其比值作為游梁平衡的判定依據。

技術實現要素：

為了克服上述現有技術的缺陷，本發明的目的在于提供一種高轉差率電動機驅動游梁式抽油機的平衡判定方法，利用電動機的矢量控制原理和電動機轉速磁鏈觀測方法，計算出抽油機曲柄轉速，得到其變化規律，使曲柄運動方程和抽油桿柱的波動方程之間解除耦合關系，再分別對抽油機懸點進行運動學和動力學的分析，基于現有的平衡判定方法基礎上，利用得到的曲柄扭矩的上、下沖程的峰值，進行平衡判定。

高轉差率電動機驅動游梁式抽油機平衡判定方法，包括以下步驟：

步驟一、計算電動機轉速

采用三相交流異步電動機定子電壓和電流的磁鏈觀測模型，進行電動機轉速的計算，電動機定子電壓、電流的磁鏈觀測模型為：

ψ_s＝∫(U_s-I_sR_s)dt

式中，ψ_s為定子磁鏈，Wb；U_s為定子電壓，V；I_s為定子電流，A；R_s為定子電阻，Ω；

在ABC坐標系下，定子電壓u_a，u_b，u_c和電流i_a，i_b，i_c可以通過坐標變換得到α-β坐標系下的電壓u_α，u_β和電流i_α，i_β：

根據α-β坐標系下的電壓，求出定子電壓的幅值u_s和相位如下：

同樣可以得出定子電流的幅值i_s和相位如下：

α-β坐標系下，磁鏈分量ψ_α和ψ_β，如下：

ψ_α＝∫(u_α-R_si_α)dt ψ_β＝∫(u_β-R_si_β)dt

定子磁鏈的幅值ψ_sm和相位ψ_ψ，如下：

由計算得到的定子磁鏈和定子電流，可以得到異步電動機電磁轉矩T_e，如下：

T_e＝p_n(ψ_αi_β-ψ_βi_α)

式中，p_n為極對數；

由以上計算得到的電磁轉矩、定子磁鏈，可以計算出電動機轉子轉差角速度ω_f，如下：

根據ABC坐標系下的電動機定子電壓方程，可以計算出電動機定子同步角速度ω_s，如下：

則，電動機轉子機械轉速ω，如下：

ω＝(ω_s-ω_f)/p_n

根據電動機在ABC坐標系下的三相電壓電流轉換到α-β坐標系下，利用定子磁鏈觀測的方法，得出了電動機轉速；

步驟二、曲柄軸凈扭矩計算

將曲柄作為等效構件，建立等效數學模型，求解減速器曲柄軸凈扭矩，曲柄運動規律微分方程如下：

式中M_ed為等效驅動力矩，N·m；M_ef為等效阻力矩，N·m；J_e系統轉動慣量，kg·m²；θ為t時刻時曲柄所在位置的轉角，rad；

電動機產生的等效驅動力矩M_ed，根據電動機的機械特性曲線得出，即

根據電動機額定參數由下式計算：

ω₀＝2πn₀/60

式中，i_MB為電動機輸出軸到減速箱的傳動比；η_MB為電動機輸出軸到減速箱的傳動效率；M_M為電動機在轉子角速度為的輸出扭矩，N·m；λ_k為電動機最大扭矩與額定扭矩的比；M_H為額定扭矩，N·m；P_H為額定功率，kW；n₀為同步轉速，min^-1；n_H為額定轉速，min^-1，電動機輸出扭矩由皮帶傳遞給減速箱得到的扭矩為抽油機減速箱輸出凈扭矩M_ed，則減速箱輸出軸凈扭矩M_ed的計算公式：

M_ed＝T_ei_pη_pi_jη_j

式中，T_e為電動機輸出扭矩，N·m；η_p為皮帶的傳動效率；η_j為減速箱的傳動效率；i_p為皮帶的傳動比；i_j減速箱的傳動比；

等效阻力矩由下式計算：

式中為游梁式抽油機扭矩因數，m；PRL為抽油機懸點載荷，N；B_W為抽油機平衡配重，N；M_C為曲柄平衡力矩，N·m；τ為平衡重的滯后角，rad；η_CL為曲柄到懸點的傳動效率；k₁為系數，與懸點速度相關；

等效轉動慣量J_e的計算：

將由抽油機懸點到電動機轉子的所有運動部件的質量和轉動慣量依據動能相等的原則轉化到減速器的輸出軸上，則

式中，J_i為第i個部件的轉動慣量，kg·m²；ω_i為第i個部件轉動速度，1/s；m_i為第i個部件繞的質量，kg；v_i為第i個部件的質心運動速度，m/s；

根據抽油桿柱的波動方程，用F_i,j表示節點i在j時刻的抽油桿柱的載荷，用PRL表示懸點載荷，進而根據抽油機電動機的運動規律，利用運動學可以得出懸點的速度、加速度和位移，即可以求解懸點載荷；將懸點載荷、扭矩因數、抽油機平衡配重、曲柄平衡力矩、平衡重的滯后角以及曲柄到懸點的傳動效率等參數代入曲柄凈扭矩計算公式即可；

步驟三、游梁平衡的判定

由計算得到的上、下沖程中曲柄軸凈扭矩的最大值進行比作為平衡度，即上、下沖程中的扭矩峰值比，如下：

式中，T_max1、T_max2為上、下沖程中的最大的扭矩值；

如果，ε大于0.7，則游梁式抽油機處于平衡狀態；如果ε小于0.7，則需要調整平衡塊位置，使其達到調整后平衡。

發明的效果：

1)針對像高轉差率電動機驅動游梁式抽油機，在變速運行時，抽油機游梁平衡判定的有效方法。

2)采用電動機定子磁鏈的觀測方法推算電動機轉速，得出抽油機曲柄運動規律，使曲柄運動微分方程與抽油桿柱的波動方程解耦。

3)充分利用了電動機矢量控制原理，抽油機運動學和動力學的分析，采用磁鏈觀測的方法得出了抽油機曲柄的運行規律，得出了抽油機懸點的速度、加速度和位移，以及載荷。

4)彌補了曲線扭矩法在抽油機變速運行時，平衡判定的不足。

5)經過實例驗證，該方法可行，判定較為準確。

6)準確度高：在無載荷位移傳感器使用的情況下，通過電動機定子的觀測，進行數據采集處理，提高了數據的可靠性，提高游梁平衡判定的準確度。

7)抗干擾性強：電動機定子的電流電壓傳感器對數據進行采樣的過程中，均設計了抗干擾措施和保護措施，數據真實可靠。

高轉差率電動機通過增加轉子電阻來提高電動機的轉差率，具有機械軟特性，當阻力矩增大時動力力矩也隨之增大，速度也隨之減小。游梁式抽油機具有周期性負載，在高轉差率電動機進行驅動時，其轉速波動較大。因此，游梁式抽油機曲柄的轉角不再均勻變化，不能像低轉差電動機驅動時再認為曲柄轉速為常數，因此以曲柄轉速為常數的游梁式抽油機平衡判定方法不再適用。在此提出通過計算轉子轉速得到曲柄轉角的運動規律，進而計算出曲柄凈扭矩，選取扭矩平衡法判定計算游梁平衡度。此方法同樣適用于游梁式抽油機變速采油時的游梁平衡判定。

附圖說明

圖1本發明的實施例中抽油機懸點的速度、加速度和位移示意圖。

圖2本發明的實施例中抽油機上、下沖程的懸點載荷示意圖。

圖3本發明的實施例中抽油機電動機轉速和曲柄凈扭矩示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做詳細敘述。

高轉差率電動機驅動游梁式抽油機平衡判定方法，包括以下步驟：

步驟一、計算電動機轉速

高轉差率電動機在結構與普通三相異步交流電動機的主要區別是高轉差率電動機的轉子電阻較大。因此，對于普通三相異步交流電動機的定子或者轉子的磁鏈觀測方法進行電動機轉速的估算，同樣適用于高轉差率電動機。在此，采用三相交流異步電動機定子電壓和電流的磁鏈觀測模型，進行了電動機轉速的計算，電動機定子電壓、電流的磁鏈觀測模型為：

ψ_s＝∫(U_s-I_sR_s)dt

式中，ψ_s為定子磁鏈，Wb；U_s為定子電壓，V；I_s為定子電流，A；R_s為定子電阻，Ω。

為了計算方便進行了ABC坐標系到α-β坐標系的變換。在ABC坐標系下，定子電壓u_a，u_b，u_c和電流i_a，i_b，i_c可以通過坐標變換得到α-β坐標系下的電壓u_α，u_β和電流i_α，i_β：

根據α-β坐標系下的電壓，求出定子電壓的幅值u_s和相位如下：

同樣可以得出定子電流的幅值i_s和相位如下：

α-β坐標系下，磁鏈分量ψ_α和ψ_β，如下：

ψ_α＝∫(u_α-R_si_α)dt ψ_β＝∫(u_β-R_si_β)dt

定子磁鏈的幅值ψ_sm和相位ψ_ψ，如下：

由計算得到的定子磁鏈和定子電流，可以得到異步電動機電磁轉矩T_e，如下：

T_e＝p_n(ψ_αi_β-ψ_βi_α)

式中，p_n為極對數；

由以上計算得到的電磁轉矩、定子磁鏈，可以計算出電動機轉子轉差角速度ω_f，如下：

根據ABC坐標系下的電動機定子電壓方程，可以計算出電動機定子同步角速度ω_s，如下：

則，電動機轉子機械轉速ω，如下：

ω＝(ω_s-ω_f)/p_n

根據電動機在ABC坐標系下的三相電壓電流轉換到α-β坐標系下，利用定子磁鏈觀測的方法，得出了電動機轉速；

步驟二、曲柄軸凈扭矩計算

將曲柄作為等效構件，建立等效數學模型，求解減速器曲柄軸凈扭矩，電動機轉子與曲柄運動規律通過恒定的傳動比相互確定，因此電動機勻速運行時曲柄為勻速運行，電動機變速運行時曲柄變速運行，曲柄運動規律微分方程如下：

式中M_ed為等效驅動力矩，N·m；M_ef為等效阻力矩，N·m；J_e系統轉動慣量，kg·m²；θ為t時刻時曲柄所在位置的轉角，rad。

電動機產生的等效驅動力矩M_ed，根據電動機的機械特性曲線得出，即

根據電動機額定參數由下式計算：

ω₀＝2πn₀/60

式中i_MB為電動機輸出軸到減速箱的傳動比；η_MB為電動機輸出軸到減速箱的傳動效率；M_M為電動機在轉子角速度為的輸出扭矩，N·m；λ_k為電動機最大扭矩與額定扭矩的比；M_H為額定扭矩，N·m；P_H為額定功率，kW；n₀為同步轉速，min^-1；n_H為額定轉速，min^-1。不難看出應用以上方法求解等效驅動力矩同樣需要知道電動機轉子的運動規律，即或者已知。因此本專利采用電動機定子磁鏈觀測的方法直接計算電動機的電磁轉矩(在步驟一中已有敘述)。電動機輸出扭矩由皮帶傳遞給減速箱得到的扭矩為抽油機減速箱輸出凈扭矩M_ed，則減速箱輸出軸凈扭矩M_ed的計算公式：

M_ed＝T_ei_pη_pi_jη_j

式中，T_e為電動機輸出扭矩，N·m；η_p為皮帶的傳動效率；η_j為減速箱的傳動效率；i_p為皮帶的傳動比；i_j減速箱的傳動比。

等效阻力矩由下式計算：

等效轉動慣量J_e的計算：

將由抽油機懸點到電動機轉子的所有運動部件的質量和轉動慣量依據動能相等的原則轉化到減速器的輸出軸上，則

式中，J_i為第i個部件的轉動慣量，kg·m²；ω_i為第i個部件轉動速度，1/s；m_i為第i個部件繞的質量，kg；v_i為第i個部件的質心運動速度，m/s。

由以上分析可知，計算等效阻力矩的方法有兩種，一種方法是經過對電動機轉速進行磁鏈觀測后，可以根據曲柄運動規律微分方程和等效驅動力矩方程；另一種方法同樣也是需要已知電動機運動規律后，直接利用等效力矩方程進行計算。本專利選用了直接計算的方法。根據劉華偉等人在《抽油機平衡度調整方法解析及其比對研究》的論述，這里的等效阻力矩可以認為是曲柄軸凈扭矩。

根據抽油桿柱的波動方程，用F_i,j表示節點i在j時刻的抽油桿柱的載荷，用PRL表示懸點載荷，進而根據抽油機電動機的運動規律，利用運動學得出懸點的速度、加速度和位移，即可以求解懸點載荷。將懸點載荷、扭矩因數、抽油機平衡配重、曲柄平衡力矩、平衡重的滯后角以及曲柄到懸點的傳動效率等參數代入曲柄凈扭矩計算公式即可；

步驟三、游梁平衡的判定

如果上、下沖程中曲柄軸凈扭矩的最大值的百分比大于70％，則認為平衡；否則不平衡。

由計算得到的上、下沖程中曲柄軸凈扭矩的最大值進行比作為平衡度，即上、下沖程中的扭矩峰值比，如下：

式中，T_max1、T_max2為上、下沖程中的最大的扭矩值。

如果，ε大于0.7，則游梁式抽油機處于平衡狀態；如果ε小于0.7，則需要調整平衡塊位置，使其達到調整后平衡。

實施例一

根據現有的三種平衡判定準則和現有的平衡判定方法，以游梁式抽油機的工作原理為基礎，分析了抽油機變速運行時，比如高轉差率電動機驅動時，平衡判定的問題。基于此問題，利用電動機的矢量控制原理和電動機轉速磁鏈觀測方法，計算出抽油機曲柄轉速，得到其變化規律，使曲柄運動方程和抽油桿柱的波動方程之間解除耦合關系，對抽油機懸點進行運動學和動力學的分析，計算了抽油機懸點的速度、加速度、位移和載荷，計算了曲柄扭矩，采用扭矩曲線進行了游梁的平衡判定。

以CYJW10-3-37HY型號的抽油機為例，對游梁式抽油機平衡度的調整判定方法進行計算驗證，抽油機驅動用超高轉差率電動機額定轉速為740r/min，型號為YH132M-4。油井泵掛深度1000m，油管直徑62mm，動液面800m，桿柱直徑22mm，泵徑57mm。

步驟一、計算電動機轉速

采用三相交流異步電動機定子電壓和電流的磁鏈觀測模型，進行電動機轉速的計算。對高轉差率電動機的定子進行了三項電流電壓的數據采集。為了計算方便進行了ABC坐標系到α-β坐標系的變換。

則α-β坐標系下的電壓，定子電壓的幅值u_s和相位如下：

定子電流的幅值i_s和相位如下：

磁鏈分量ψ_α和ψ_β，如下：

ψ_α＝∫(u_α-R_si_α)dt ψ_β＝∫(u_β-R_si_β)dt

定子磁鏈的幅值ψ_sm和相位ψ_ψ，如下：

高轉差率電動機電磁轉矩T_e，如下：

T_e＝p_n(ψ_αi_β-ψ_βi_α)

高轉差率電動機轉子轉差角速度ω_f，如下：

高轉差率電動機定子同步角速度ω_s，如下：