游梁式抽油机新型传动方案设计

刁海胜 王宏博

(1.长庆油田分公司第三采油厂 宁夏银川 750006；2.燕山大学 河北秦皇岛 066000)

1 前言

常规游梁式抽油系统为克服负载启动和曲柄扭矩波动较大的缺点，常选用额定功率较大的电机来驱动，因此抽油系统稳定工作时电机的平均负载率很低，出现“大马拉小车”的现象，造成电能的浪费。为改变上述现状，本文提出了采用液力变矩器来改善抽油系统效率的方法，并建立了该系统的仿真模型对其启动与运行特性进行仿真分析。

2 传动方案设计

为降低抽油机电动机的能耗损失，提出了一种改善方法，示意图如图1所示。

图1 方案示意图

本方案主要从使用液力变矩器提高电机启动扭矩和增加抽油机转动惯量提高电机轴负载扭矩稳定性两方面入手。游梁式抽油系统由于四杆机构的限制电动机负载扭矩波动较大，为了降低扭矩波动，在抽油机的传动系统上增加一个均质平衡块以提高传动系统的转动惯量。在抽油机工作过程中平衡块上的能量交替增加与减小，从而实现降低电机轴转速波动与扭矩波动的目的。

在小带轮上增加平衡块将增大抽油机的启动扭矩，使电机启动更为困难，为了提高电机的启动扭矩，在电机与小带轮之间增加一个液力变矩器，以此降低抽油机选用电动机的额定功率，并使抽油机的启动变得更加平稳。

应用液力变矩器后，由于液力变矩器本身的能量损耗将降低抽油系统的效率，因此应用带有锁止离合器的液力变矩器解决此问题。在抽油系统启动后，锁止离合器工作，将液力传动变为机械传动，从而提高抽油系统的传动效率。

3 系统运动规律的动力学仿真模型

为便于建立地面抽油机运动规律与井下杆柱振动规律的仿真模型，做如下假设和简化：（1）忽略液力变矩器工作液体沿工作腔方向循环流动的惯性力，忽略工作液体的转动惯量；（2）忽略油管柱与液柱的振动，仅研究抽油杆柱的纵向振动。

3.1 液力变矩器的仿真模型

在抽油机运行过程中液力变矩器的变速比是时变的，其运动规律的微分方程可以由下式表示：

式中，MBD为泵轮上的等效驱动力矩，N·m；MBH为泵轮的液力转矩，N·m；MWH为涡轮的液力扭矩，N·m；K为变矩比，其值随转速比而变化；JB转化到泵轮上的等效转动惯量，kg·m；ωB泵轮的角速度，rad/s。

液力变矩器稳定工况下泵轮的液力转矩为

式中，ρ为液力变矩器内油液的密度，kg/m3；λB为泵轮转矩系数，其值随转速比而变化；D为液力变矩器的有效直径。

3.2 曲柄与悬点运动规律的仿真模型

由于抽油机特性的影响，其曲柄的运动规律也是实时变化的，其运动规律的微分方程为：

式中，Med为转化到曲柄轴处的等效驱动力矩，N·m；Mef为转化到曲柄轴处的等效阻力矩，N·m；Je为由液力变矩器涡轮到悬点所有运动件的质量和转动惯量转化到曲柄轴处的等效转动惯量，kg·m2。

4 仿真分析

表1为一常规游梁式抽油机的实际工作参数，以此为基础进行仿真分析。

表1 抽油机井基本参数

4.1 启动特性分析

常规游梁式抽油机为满足系统的带载启动，常会选用较大额定功率的电动机来驱动抽油系统，在本方案中，为了降低电机轴上的扭矩波动在小带轮上增加了一个较大的转动惯量，这样就增大了抽油机的启动载荷，恶化了其启动特性，但液力变矩器的特性改善了电机的启动特性使抽油系统能够正常启动。

图2为以电动机直接驱动常规机时的曲柄角速度的变化曲线，其中图a为45kW电动机驱动抽油机正常启动的图像，可以发现当电机可以正常驱动抽油机启动时，曲柄角速度在短时间内快速上升后开始稳定工作；图b为以22kW电动机直驱抽油机无法启动的图像，可以发现抽油机曲柄角速度由0增大到某一值后重新减小为0，表明用22kW的电动机无法使改进后的抽油系统正常启动。

图2 电机直驱启动图像

图3为以22kW的电动机和液力变矩器共同驱动抽油系统时曲柄角速度变化曲线，可以发现经过一段时间后曲柄角速度开始呈周期性的波动，表明应用22kW的电动机和液力变矩器可以使改进后的抽油系统正常启动。

图3 液力变矩器驱动启动图像

通过以上对比分析发现应用液力变矩器可以优化电机的启动特性，使抽油机应用较小的额定功率的电机进行驱动。

4.2 稳定运行分析

以如下三种方案驱动游梁抽油系统，对其稳定工作时的运行状态进行仿真分析，可得到其运动特性曲线如图4、5所示。方案一以37kW电动机驱动的常规游梁抽油系统、方案二以22kW电动机和液力变矩器共同驱动在小带轮上加有平衡块的游梁抽油系统和方案三以22kW电动机和锁止离合器共同驱动在小带轮上加有平衡块的游梁抽油系统。

图4 示功图对比

图4为三种稳定运行状态下的示功图对比，从上图中可以发现三种稳定运行状态下的示功图曲线基本重合，说明在小带轮上增加转动惯量和使用液力变矩器驱动抽油机对悬点载荷影响很小。图5为三种稳定运行状态下的电机轴扭矩曲线对比，从图中可以看出应用液力变矩器和在小带轮增加转动惯量后，可以降低电机轴扭矩波动，改善电机的工作状态。三种状态求平均功率分别为12.1kW、12.3kW、10.9kW，经过对比分析可以发现虽然应用液力变矩器对电机输出扭矩的平衡效果最好，但是由于液力变矩器本身的能耗并不能降低电机的平均输入功率，而本文提出的新方案可以降低电机的平均输入效率，从而达到节能降耗的目的。

图5 电机轴扭矩曲线对比

5 结论

（1）在游梁式抽油机的小带轮上增加一个均质平衡块以提高抽油机整体的转动惯量，应用此方法虽然可以降低电机负载扭矩的波动与电机的输入功率波动，但将恶化抽油机的启动特性；

（2）应用液力变矩器可以提高电动机的输出扭矩从而改善电机的启动特性，进而降低游梁式抽油机电机额定功率，但由于液力变矩器自身能量损失抽油机整体并不能达到节电的目的；

（3）抽油机正常启动后采用锁止离合器将液力传动变为机械传动将提高传动系统的传动效率，进而整体提高抽油系统的系统效率。

［1］孙正贵. 游梁式抽油机节能控制技术［M］. 山东: 中国石油大学出版社，2008: 8-51.

［2］孔昭瑞, 王振华, 郭登明等. 旋转驴头抽油机的性能特点［J］. 石油机械, 1992, 20(3): 15-37.

［3］方仁杰, 朱维兵. 抽油机历史现状与发展趋势分析［J］. 钻采工艺, 2011, 34(2): 60-63.