功率曲线法在抽油机平衡率分析中的应用

张海霞

摘 要：抽油机如果在平衡较好的状态下运转，不但可以减少抽油机减速箱的最大输出扭矩，延长设备的使用周期，而且还可以减少设备对电网的最大需量，并且节省电力以及相关耗材费用的支出。较好的抽油机平衡应该是上行所做功和下行所做功趋于一致，平衡差的抽油机两者的做功差别较大，平衡很差的会在一段时间消耗很多的电力，而另一段时间还要向电网回馈电力，其回馈的电力还会对电网及用电设备造成损害。而目前抽油机平衡率测试方法为上下行电流峰值對比法，但电流并不真正代表拖动电机做功量，因此本文提出了功率法测试评价抽油机平衡率。

关键词：平衡；电流峰值对比法； 功率法

1抽油机的工作特性和电动机倒发电问题

1.1 抽油机的工作特征

以游梁式抽油机工作为例，四连杆机构实现运动的转换，将电机的旋转运动转换为光杆的上下往复直线运动。悬点的运动为周期性的变速运动。在一个抽油循环中，加速度接近余玄规律变化。游梁式抽油机悬点负荷的变化规律可用悬点的示功图表示。

1.2 抽油机发电情况分析

抽油机在正常运转中会出现抽油机的运转速度大于电机对它的驱动速度的情况，这时，抽油机就拖动电机发电。右图为实测抽油机电功率和功率因数曲线。其中功率为负部分是抽油机拖动电机发电的时间，该井发电时间占24%。从现场实测的数据，抽油机拖动电机发电的情况，最大发电功率可达40kW。由于抽油机上下行不平衡，势能负扭矩转换为电机发电能量总效率很低，所以应尽量减少电机发电现象，同时发电频率、电压与供电网不同，对电网及其它用电设备产生损害也就在所难免。

2抽油机平衡状况与功率关系

2.1 理想平衡状态且供液充足时的功率曲线

抽油机在上行时，悬点主要载荷包括抽杆自重以及液柱载荷，此时抽油机在电机输出功率以及抽油机配重的势能作用下将悬点上提。而下行时，悬点主要载荷是抽油杆的自重，电机输出能量转化为配重的势能，此时悬点下行，理想的平衡应该是电机在上行所做的功和下行所做的功一致。因为游梁机是曲柄驱动换向的，所以在理想的平衡状况下，其功率曲线表现为上行和下行各一条峰值相近的类似于正弦波的曲线，而高原机为链条驱动换向，仅在换向的短时间内功率减少，其它时间内功率曲线平坦。

2.2 平衡状态较差且供液充足时的功率曲线

假定配重不足时，电机在上行时会增加输出功率，而下行减少输出功率，导致上下行运行不平稳，同时增加了设备的最大扭矩和设备对电机最大功率的需求当配重超量时，上下行情况会反过来。

2.3严重不平衡状态且供液充足时的功率曲线

在上行电机会输出更大的功率，而下行时，电机在负载的带动下还要向电网回馈电力，也就是说要做负功，严重的不平衡会极大的增加油井对设备最大扭矩以及电机额定功率的需求。

2.4 平衡良好但供液不足时的功率曲线

假定该井充满程度为50%，在这种情况下功率曲线上行时的状态没有改变，而在下行时，由于悬点不能及时减载，导致下行有一段时间电机做负功，因此在供液不足时间段内的功率曲线不能作为判定抽油机平衡的依据。油井在不平衡且供液不足情况下的分析方法与此同理。

3 目前常用电流表判断平衡的技术缺点

通常我们判断抽油机的平衡率是通过测试抽油机上行和下行电流的最大值，再用他们的较小值比较大值来判断抽油机是否平衡。该比值越接近1 ，平衡效果越好。比如用电流表测试某井上行最大30A，下行最大25A，则该井平衡率是；25/30*100%=83.3%。但实际上我们的电流表只能测试视在电流，而视在电流是由有功电流和无功电流合成的，其中的无功电流与电机的负载关系不大，主要与供电的电压和频率以及电机本身的特点有关，而有功电流与负载有着直接的关系，抽油机负荷是周期性的变化，电机的有功电流也在相应的做周期性的变化，在抽油机负荷不平衡，尤其是严重不平衡的情况下，电机还要做负功，也就是说此时有功电流为负值，而常规的电流表是测不出反向电流来的。比如某井的无功电流是20A，上行有功电流17A，下行有功电流是8A，仅从功率消耗看，该井的平衡率是8/17*100%=47.058%电流表测得的上行最大电流是：SQRT（20*20+17*17）=26.2A

下行最大电流是：SQRT（20*20+8*8）=21.5A

该井平衡率是：21.5/26.2*100%=82.0%，

由此看来平衡率还是较好的，也是就说无功电流越大，平衡率看起来越好，在这种情况下用电流对比法，是不能准确的评价抽油机的平衡状况。用电流表测试来判断抽油机的平衡，因为电流表不能分辨无功电流以及负功电流，所以使用这种方法在一些情况下不能反映出抽油机实际的平衡状况，使用该方法仅适于使用永磁电机和8、6级等高功率因数的电机且平衡较好的情况。

4 抽油机平衡率功率分析法实例探讨

使用功率分析则需要能够测试功率的仪器，现以威尔泰克SW-10综合测试仪所测试数据进行分析。分析数据为抽油机在一个运转周期内的耗电数据，该仪器可以记录视在电流曲线，功率曲线，功率因数曲线等数据，实际分析仅需要视在电流曲线和功率曲线，电网电压和频率波动较小视为恒定。测试时间以抽油机到下死点开始，运转一周再次到下死点后结束。实例：T109井分析。该井使用的电机型号是Y280S-6，抽油机型号是CYJ12-4.2-73HB。

该井的抽油机在一个运转周期内电机的三相电流曲线，其中A点为上行时最大电流，其值约为33A，B点为下行最大电流值，其值约为64A，该井平衡率为：33/64=51.56%。从该曲线还可以看出，该井上负荷小，下行负荷大，平衡较差。

该井在一个周期内的功率曲线图，其中A点为上行最大功率，B点为下行最大功率，用功率曲线来判断平衡率是：15/38=39.47%。对比：用通常所用的电流法来判断的平衡率是51.56%，而实际的平衡率是39.47%，差了12.09%，该井还有短时间的做负功。该井使用Y系列45KW6极电动机，功率因数较高为0.86，因此该井的电流从一定程度上可以反映抽油机的平衡状况。