抽油机自动调节平衡设备优化方法研究
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[摘 要]对抽油机进行平衡调整，存在着安全性差、精度低、节能效率低以及不能随着抽油机井的产油状况而自动调整的问题，从而设计一种自动平衡抽油机系统是可行的。自动调整系统分为几个部分，首先数据采集系统将抽油机井示功图通过无线装置传输到上位机，经过数据处理，得出平衡方案。系统发出调节平衡指令，对抽油机进行自动实时平衡调节。研究发现，抽油机自动平衡系统的应用，能够达到节能降耗效果。
[关键词]抽油机；自动设备；调平衡
中图分类号：TP993 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）12-0036-01
1引言
随着油田开采层次的深不断入，地层条件发生变化，单井抽油机产量和液面的波动，使得悬点载荷发生变化导致抽油机不平衡。游梁式抽油机需要通过人工进行电流平衡法调节平衡，平衡效果差、系统效率低，影响抽油杆的工作状况。本文研究的自动平衡调节装置，基于功率平衡度进行调整，重新设计了一种新型的基于示功图分析的抽油机自动平衡系统，达到调节抽油机平衡的目的。
2抽油机的发展历程
抽油机电力节能和自動化控制是发展的两个起点。就目前油田的现状，自动化抽油机将成为主流趋势。自动化抽油机是指将游梁式抽油机进行一系列功能阔咋，增加自动平衡调节、软启动和过载保护等功能，抽油机远程控制启停、抽油机间抽控制功能等，达到自动调节抽油机平衡和节能的目的。抽油机自动化调平衡的处理方式主要包括：自动分析抽油机工作状况，并时作出相应处理；抽油机自动调节平衡配重；自动调节抽油机冲程；抽油机异常情况自动改变启、停状态。
3抽油机自动平衡设备设计
3.1抽油机自动平衡设备工作原理
抽油机自动平衡设备可以根据需求进行选择和组合。可分为设计好程序的抽油机平衡调整设备或自动平衡抽油机设备。通过设计的抽油机自动平衡装置，将该装置应用在游梁式抽油机，就改造成自动调平衡抽油机。随着抽油机井产量的变化，依据示功图的变化，控制装置会自动调节平衡转矩，保持抽油机处于平衡状态。抽油机自动平衡设备的工作流程为：抽油机悬绳器上安装动力仪实测抽油机示功图，电气控制系统的模块将示功图数据发送到数据处理单元上。数据处理单元使用已经提前建立好的模型和软件分析抽油机的平衡度，判断抽油机进行平衡调整，当需要调整时会计算出最佳调节数据。数据处理单元将调节信息发送到模块上，模块将调节信息转换成命令，通过自动平衡设备实现抽油机自动实时调节平衡。
3.2抽油机自动平衡设备的特点和结构
抽油机自动平衡设备是以游梁式抽油机为基础，增加自动调节装置，增加支撑结构，并布置伺服电机。当抽油机井工况发生变化导致抽油机不平衡时，伺服机通过计算，启动抽油机自动调平衡设备，使抽油机恢复平衡状态。
4动力学仿真及运动
4.1自动平衡设备运动仿真
抽油机自动平衡设备直接安装在抽油机游梁尾端，随着抽油机游梁一起运动，首先需要对抽油机进行运动的仿真。这里将抽油机简化为四连杆机构。
4.2自动平衡设备扭矩仿真
下偏杠螺杆自动调节设备的重量可分为两个部分，下偏杠和配重（电机及螺杆重量考虑为不平衡重）。下偏杠部分的重心近似在游梁的中心线上，重心离游梁转动中心距离为S。配重重心与游梁转动中心距离为Q，配重重心与游梁转动中心连线与游梁中心线形成夹角为β，下偏杠下半段的长度为l。当控制下偏杠与水平面的夹角α不断变化时，配重的位置不断变化，配重重心与游梁转动中心的距离Q及夹角β也在不断变化。
5自动平衡设备应用研究
将异五型抽油机增加自动平衡模块，将其改造成异五型自动平衡抽油机。下偏杠初始角度α为180°，实测示功图得到该井悬点载荷数据，算出纯光杆载荷扭矩、曲柄及曲柄平衡重扭矩、自动调节装置扭矩及曲柄轴净扭矩曲线。曲柄轴净扭矩曲线上冲程峰值大于下冲程峰值，由于此时扭矩平衡度为52%，小于83%，判定抽油机不平衡。基于当前抽油机状况，需要减小下偏杠角度，使配重的力臂变短，减小下偏杠平衡装置在曲柄轴处形成的扭矩。当前抽油机状况，电气控制系统的模块将示功图采集模块数据远传至上位机，上位机的数据处理单元计算出不同下偏杠角度下的曲柄轴净扭矩，得到不同下偏杠角度下的曲柄轴净扭矩均方根值，以及上、下冲程峰值扭矩之比。当均方根扭矩最小时的下偏杠角度与峰值扭矩之比相等时的下偏杠角度不同时，优先设置下偏杠调节角度为均方根扭矩最小时的角度。曲柄轴净扭矩均方根扭矩最小时，电机电流的均方根扭矩最小，电动机的变动损耗最小，抽油机最节能。通过电气控制系统控制机械执行机构将下偏角调整为102°，调整后曲柄轴净扭矩曲线。通过平衡调整，扭矩平衡度由初始的52%变为98%。在目前的载荷及配重箱重量情况下，已达到最小的均方跟扭矩。若通过调节所有角度仍无法调节平衡时，可适当增加或减少配重箱中平衡重块数。
6结论
一是自动平衡抽油机设备智能化程度高，可提高抽油机工作效率和调整精度，增强平衡调节的安全性。通过分析，采用曲柄轴均方根扭矩最小的原则来调整平衡，能够使抽油机达到最节能和最安全的工作状态。
二是自动平衡抽油机的研究为开发智能抽油机奠定了基础，以平衡调整设备为例，在对抽油机运行参数采集的基础上，通过控制算法的研究，可以相继实现其他功能设备。
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