抽油机平衡计算本03讲稿

1四、抽油机平衡计算问题提出：(1)为什么要研究抽油机平衡问题（或不平衡所带来的后果）。（2）如何计算或检查抽油机的平衡。2•从前面的悬点载荷计算，可知：当抽油机不加平衡装置时，•上冲程：悬点承受最大载荷，电动机做功（正功）提升负荷。•下冲程：悬点在抽油杆的自重作用下克服浮力下行，即电动机不仅不需要对外做功，反而是抽油杆带动电动机转动，电动机做负功。•这就造成了抽油机在上下冲程中的不平衡。3•抽油机运动不平衡的后果：•（1）电动机的负荷不均匀，造成功率的浪费和效率降低。•（2）由于由于这种不平衡使抽油机发生振动，容易引起事故，影响抽油机装置的寿命。•（3）破坏曲柄旋转适度的均匀性，影响抽油杆和泵的正常工作。•所以抽油机必须安装平衡装置。4•（一）平衡原理•叙：解决问题的思路：•1）假定安装了一平衡装置后，使得电机上、下冲程中都做正功，并且相等。即安装的平衡装置在下冲程中能够把能量储存起来，而在上冲程中利用储有能量帮助电动机一起做功提升负荷。•2）研究各种平衡方式实质上就是如何计算所加的平衡重，假设在抽油机后梁上加一重物，在下冲程中让抽油杆自重和电动机一起对重物做功，则：53）平衡原理•在下冲程中能够把能量储存起来，而在上冲程中利用储有能量帮助电动机一起做功提升负荷，使得电机上、下冲程中都做相等的正功。下冲程：Amd＝Aw－Ad(AW=Ad+Amd)上冲程：Amu＝Au－AW(Au＝AW＋Am)平衡条件Amu＝Amd即Aw－Ad＝Au－Aw2duwAAA3-596•Ad---抽油杆柱对重物所做的功（即悬点•在下冲程所做的功）；•Amd---电动机在下冲程中对重物作的功；•Aw---重物增加的位能（即重物的位能升•高了）•Au----重物和电动机对悬点所作的•总功；•Amu----上冲程电动机作的功；•7•理解：上式说明要抽油机运转平衡，在下冲程中需要储存的能量为上冲程中悬点所作功之和的一半，这是平衡计算的依据。•（二）平衡方式•叙：为了把下冲程中抽油杆自重作的功和电动机输出的能量储存起来，可以采用不同的形式来储存能量，即所谓不同的平衡方式。目前采用的有气动平衡和机械平衡。8•1、气动平衡•如图3-50所示，下冲程中通过游梁带动活塞压缩气缸中的气体，把下冲程中作的功储存成为气体的压缩能；上冲程中被压缩的气体膨胀，将储存的压缩能转换成膨胀能帮助电动机做功。•气动平衡多采用于大型抽油机。这种平衡方式不仅可以大量节约钢材，而且可以改善抽油机的受力系统，但平衡系统的加工系统的加工制造质量要求高。9•2、机械平衡•在上冲程中，以增加平衡重块的位能来储存的能量；在上冲程重平衡重降低位能来帮助电动机做功。机械平衡方式有三种：•1）游梁平衡：在游梁尾部加平衡重，适用于小型抽油机。•2）曲柄平衡（旋转平衡）：平衡重加在曲柄上，这种平衡方式便于调节平衡，并且避免在游梁上造成过大的惯性力，适用于大型抽油机。•3）复合平衡（混合平衡）：在游梁尾部和曲柄上都加有平衡重，是上述两种方式的组合，多用于中型抽油机。10•（三）平衡计算•上冲程中悬点作的功：•下冲程中悬点作的功：•（注）：由于惯性载荷，在上下冲程中，所作的功等于零，所以在Au和Ad中没有考虑惯性力，若按四连杆机构分析计算，作正功和作负功正好抵消，所以为零。•将Au和Ad代入（3-59）得：22rLrd''')(11•--------（5-60）•分析：也可以写成•其中：•当L、d、D改变后，Aw的值也变化了，所以需要重新调节平衡。SWWALrw2SLgfLgfALpLsrw2124dfr24Dfp12•1、游梁平衡•下冲程平衡重Wb被抬高的距离为：•Sc:S=C:a•平衡重块储存的位能（对重物所做功）•aCSScbbcwWacSWSA13•在平衡条件下：•则：•——（3-61）•式中：wb—达到平衡所需要加的平衡重量。•当考虑抽油机本身重量的不平衡时，则：S2ca)2(cLrbxca)2(14•式中：•—抽油杆本身的不平衡值，是折算到游梁重心位置的附加平衡力，可查抽油机出厂说明书（具体计算见魏一书p65）•2、曲柄平衡•下冲程中储存的位能：cxbBccbwXSRWRWA22平衡重位能曲柄重位能抽油机不平衡附加位能bcccbrXWRRW22215•式中：•R—曲柄平衡半径，m；•wcb—曲柄平衡块重量，N;•Rc—曲柄本身的重心到曲柄轴心的距离，m;•Wc—曲柄自重，N;•SB—B点的最大位移，SB=2r•r—曲柄销离曲柄轴心的距离称为曲柄半径，m（取决于采用的悬点冲程）•xμb—抽油机本身的不平衡值，是折算到尾轴承处的附加平衡力，N。16•在平衡条件下：••将代入上式，并进行整理可得，达到平衡所需的平衡半径的计算公式：••——（3-62）bLccbLrxWRRWSWW222)2(barS2cbcccbbcbLrWWRWxrWrbaWWR)2(17•表达式说明：曲柄平衡通常是通过改变平衡半径R来调节平衡。•[注]：对某一型号的抽油机a、b、Wcb、Wc、Q、xμb均为已知常数，将这些数值代入式（3-62）就可得该型抽油机的计算公式。（见书P105例题）•3、复合平衡•如图所示：复合平衡是上述两种平衡方式的组合，也可用同样的方法得到其计算公式：18•下冲程储存的位能：•而：•在平衡条件下：••——（3-63）•式中符号同前。)(22cbcccbwxWSRWRWAbcracbaracSSc22cbcccbbuccblrWWRWrbcWXWrbaWWR－－)()2('')(2222)2(cbcccbLrxWbcrWRRWbarWW19•[提示]：上面介绍的只是以上下冲程中电动机做的功相等作为平衡标准进行计算的方法。在实际工作中都不便于按此标准检验和调整平衡。为此，作为检验和调整平衡时，大多采用上下冲程的扭矩或电流峰值相等作为平衡条件。•（四）抽油机平衡检验方法•叙：抽油机在生产过程中，不会一直是平衡的（平衡是指一段时间内），因受地层情况（ps造成L增加）油井情况（）及油井工作制度的改变（F、S、n配合）都会破坏抽油机原来的平衡，因而要定时检查，及时调整20•1、观察法•即用眼观察抽油机启动是否顺利，电动机是否有“鸣~”的怪叫声，通常平衡的抽油机比较容易启动，无怪叫声。•2、测量驴头上下冲程的时间：•Tu=Td平衡T一上或下冲程所用时间•TuTd平衡过重则应减少平衡重或平衡半径R.•TuTd平衡过轻则应增大平衡重或平衡半径R.21•3、测量上、下冲程的电流（可用钳形电流表来测量）•抽油机在平衡条件下工作时，上、下冲程的电流峰值应该相等。•Iu=Id平衡•IuId平衡过轻，则应增大平衡重或增大平衡半径R.•IuId平衡过重，则应减小平衡重或减小平衡半径R.•实际中，要使上下冲程电流强度绝对相等是困难的，一般规定最小电流与最大电流之比大于或等于70%，即认为抽油机是平衡的。22•五、曲柄轴扭矩计算•叙：抽油机工作时，由悬点负荷及平衡重在曲柄轴上造成的扭矩与电动机输给曲柄轴的扭矩相平衡。因此，通过悬点负荷及平衡重来计算曲柄轴的扭矩，不仅可以检查减速箱是否在超扭矩条件下工作，而且可以检查计算电动机的功率及功率的利用情况。•抽油机所配的减速箱都允许的最大扭矩，它既限制油井生产时所采用的最大抽汲系数Fp、S、n及L，同时又限制着为了保证大参数生产所需要的电动机功率，因此了解抽油机在运转过程中产生的最大扭矩，是分析抽油机设备工作状况的重要内容。下面介绍在实际工作中所采用的扭矩计算法——扭矩近似计算法。23•目的：•1）检查抽油机减速机和电动机的工作状况。•2）选择合适的电动机。•（一）基本公式•近似计算是把抽油杆的四连杆运动简化为简谐运动，略去抽油机几何特性的影响，另外还忽略了游梁平衡块所产生的惯性力，此时计算曲柄轴扭矩的公式为：24•式中：M---曲柄轴扭矩，Nm•S---光杆冲程，m•p---悬点负荷，N•Φ---曲柄转角。•Ce---平衡值，表示被平衡重平衡了的悬点负荷。其理论需要值Ce=Wr`+WL`/2（即是为了保持平衡，理论上需要的平衡值）sin)(2ecpsM3-6425•（二）计算最大扭矩的近似公式•叙：从式（3-64）中可看出，如果上冲程和下冲程中，悬点载荷P若为一常数（即示功图为一长方形）时，扭矩M为随力而边的正弦曲线（如图2-38所示，P105）,实际上在上冲程和下冲程中悬点载荷并不是常数，而是随Φ而变化。因此，实际扭矩虽然也随Φ而变，但不是正弦函数。对我们来说，感兴趣的问题是求的扭矩的最大值。26•假定悬点最大载荷发生在Φ=90°，即p90°=pmax，则由公式（3-64）可得：•考虑到动载荷的影响时上式进行修正：•a、b为修正系数，可根据悬点最大负荷发生的位置（可由实测和理论计算得到），位置从下死点算起，用占冲程长度的百分数来表示，及用冲程查表3-10，见P107•例题：见书P107。)(2maxmaxecPsM)(2maxmaxebcaPsM27例：某井在抽油机平衡工作条件下，Pmax为73520N，抽油杆柱重Wr为51234N，液柱重Wl为18346N，最大载荷位置为35%，s为1.8米，计算减速箱的最大扭矩。（a、b校正系数分别为1.05、0.9）解：已知Pmax=73520N，Nce604072183465123428604079.07352005.128.1maxMMN7.2054629•六、电动机的选择和功率计算•叙：抽油机的动力：•绝大多数：电动机•正在少量试用：天然气发动机•多数油田都是以抽油井为主，用于抽油的电能消耗就很大。因此抽油装置的电动机的选择，一方面直接关系到电能的利用效率，另外一方面将关系到能否充分发挥抽油设备和油层生产能力的问题。30•游梁式抽油装置的特点：•（1）负荷是脉冲的，而且变化大；•（2）启动条件困难，要求有大的启动转矩。•（3）所用的电动机功率不太大，一般不超过40千瓦，小的只有几千瓦，但总的数量大。•（4）在露天工作，要求电动机维护简单，工作可靠。31•类型不确定：为了满足以上要求，目前抽油机所用电动机都是封闭式鼠笼型异步电动机。•该电动机特点：构造简单，坚固，易于修理。•电动机选择的内容：1）确定适合于抽油机工作特点的类型。2）确定适合于各型抽油机工作能力的电动机的容量（即功率）。•（下面就着重讨论2）问题。）32•1、电动机功率与传到减速箱曲柄轴的扭矩关系式为：•式中：M—电动机传给曲柄轴上的扭矩，N·m;•Nr—电动机功率，KW;•η—传动效率，η=η1×η2•η1—皮带轮传动效率•η2—减速箱传动效率•n—曲柄转速（冲数）（减速箱输出轴上的转速），转/分。rNM95459545MnNr——（3-67）——（3-67‘）33•2、计算电动机功率•实际应用时，一般是利用抽油机等值扭矩来计算功率。•原因：在交变载荷作用下曲柄扭矩在整个工作过程中是变化的，而只是在上下冲程的某一瞬时达到最大值。因此，电动机选择不能根据瞬时最大扭矩来计算，否则电动机在大部分时间不能满载工作，其效率和功率因素都不高，电能的利用就不充分，而应该用等值扭矩来计算功率。34•等值扭矩：以一个不变化的固定扭矩，代替变化的实际扭矩，使其电动机的发热条件相同（消耗的电量相同），则此固定扭矩，即为实际变化的扭矩的等值扭矩。•式中：Nr—需要的电动机功率（即需要选用的电动机额定功率），千瓦（KW）•Me—曲柄轴上的等值扭矩。•其余符号同前。9545nMNer—（3-68）35•计算抽油机等值扭矩•等值扭矩与最大扭矩之间有一定关系，设抽油机运动为简谐运动，而使扭矩呈正弦规律变化时，•但实际扭矩不是呈正