董明皓，石成江，李维军

（辽宁石油化工大学 机械工程学院，辽宁 抚顺 113001）

节能型游梁式抽油机自平衡系统设计

董明皓，石成江，李维军

（辽宁石油化工大学 机械工程学院，辽宁 抚顺 113001）

目前，常规游梁式抽油机平衡调节方式存在劳动强度大、工作效率和调整精度低、安全性差等问题。因此，研究抽油机的自平衡系统有重要意义。该装置由机械系统和电气系统组成，机械系统是指加在游梁上的一个可移动的平衡块，由丝杆的转动来移动平衡块，从而达到调节平衡的目的；电气系统的设计主要目的是检测平衡度、判断抽油机是否平衡和控制电动机运转等。由于抽油机每年耗电量巨大，研究此系统是为了达到节能的目的

自平衡； 平衡度； 机械系统； 电气系统

抽油机是一种通过加压方法使石油从地下举升到地面的石油设备，人们通常称之为“磕头机”。在油田的开采作业中，采油装置超过一半的都是常规游梁式抽油机，游梁式抽油机具有结构简单、操作方便、可靠耐用的优点。一般游梁式抽油机不具备随着油井工况自动调整平衡度和冲次的功能，而人为调控操作难度大、强度大，且人为操作过程中，主观因素会对调节的精度产生较大影响。当抽油机处在不平衡的状态时候，系统的整体效率会降低，能耗增大，还会缩短减速器和电动机的使用寿命，因此，研制新型智能抽油机成为现代抽油机发展的必然趋势。

1 关于抽油机的研究现状

1.1 抽油机的分类

抽油机主要有游梁式抽油机与无游梁式抽油机。其中游梁式抽油机可分为常规型和适应型、节能型和自动型；无游梁式抽油机可分为低矮型和滚筒型、长冲程型和短冲程型[1]。 目前，最新的节能型抽油机有双驴头式抽油机、偏轮游梁抽油机、复合偏置抽油机、摆杆式游梁抽油机等(图 1)[2]。

图1 常规游梁式抽油机结构简图Fig.1The conventional beampumping unit structure diagram

1.2 游梁式抽油机的节能机理

常规的游梁式抽油机具有结构简单、操作方便、可靠耐用的优点，在采油机械中占有非常重要的地位，但游梁式抽油机本身结构特点又导致了其平衡效果差，平衡只在几个位置能到达较好效果[3]。从而引起曲柄净扭矩大，存在负扭矩，电动机运行效率低下，用电量大等缺点，抽油机的耗电量占采油成本很大的比例[4]。

怎么样才能解决游梁式抽油机节能问题？按能量的消耗可以把抽油机系统分成四大部分：电动控制系统、四连杆机构、平衡系统、拖动传动系统。从这四部分入手，就可以找到游梁式抽油机节能的关键[5]。

（1）电动机及其控制系统节能

现实中，游梁式抽油机电动机的输出功率远小于电动机的输入功率或者额定功率，电动机的实际负荷率很低，存在“大马拉小车”的工作状态，如果能提高负荷率，也就能降低抽油机的耗电量，达到节能的目的。目前，国内较多的是采用变频调控技术，它根据抽油机一个冲程中悬点速度变化特点，实时控制电机转速，以实现节能。除此之外，还有采用单独的电压调节技术来实现节能，其原理是：根据载荷实际变化情况，实时改变电动机的输入电压，使电动机实际输出功率与载荷相匹配。

（2）四杆机构实现变矩节能

通过改变游梁式抽油机结构实现节能最典型的做法就是分别对四连杆机构悬点运动和动力特性进行优化改良,改变抽油机曲柄轴净扭矩的大小,使其波动幅度稳定,降低负扭矩,提高电动机的运行效率,达到节能目的[6]。运用变矩原理进行改造的典型结构有双驴头抽油机，它是在常规游梁式抽油机基础上实现的，目前已研制出的很多种游梁式抽油机都是在变矩原理的基础上进行改造的，但从节能角度看，双驴头抽油机位于节能效果好，但应用场合严格受限。

（3）改变平衡方式实现节能

随着油田石油开采的深入，地层条件会发生变化，抽油机的运行就会处于不平衡状态，抽油机系统不平衡的原因是悬点载荷的变化，导致电动机在上、下冲程中对外做的正功不相，抽油机的悬点载荷大小、方向是影响抽油机能耗的主要因素[7]。游梁式抽油机的能耗主要用于三方面：抽油机提升原油所耗的有用功；抽油杆柱提升原油克服摩擦力所做功；消耗于热损失的功。

游梁式抽油机平衡方式有：游梁平衡、曲柄平衡、复合平衡。目前国内采取的最多的一种方式是曲柄平衡，但是曲柄平衡难以达到良好的平衡效果，因为这种平衡方式转矩大，存在负扭矩。通常把游梁式抽油机的游梁平衡和曲柄平衡的结合称为游梁平衡，游梁平衡部分称之为二次平衡部分，二次平衡技术通过优化结构设计，在游梁的末端或者游梁的某个位置安装一个可调控质量的平衡重（如图 1所示）。二次平衡装置可减小减速器曲柄轴峰值扭矩，提高电动机负载率和效率，降低了能耗。但是这种方式仍然存在着调节平衡缺乏依据、操作困难等问题。

2 方案设计

2.1 机械系统设计

针对复合平衡中的二次平衡存在的问题，本文提出了一种根据抽油机上、下冲程悬点载荷变化情况，实时自动调节安装在游梁后部的可移动的平衡块位置，达到最优的平衡效果。 抽油机节能平衡装置结构如图2所示，主要由左右支撑座、丝杆、平衡块、联轴器、伺服电动机、电动机底座、控制柜组成。控制器pLC 根据采集到的上、下冲程悬点载荷值，按一定算法计算并判断平衡状况，发出指令，控制伺服电机转动，通过联轴器、丝杠使平衡块沿导轨作直线运动，改变平衡块位置，实现载荷的平衡，达到节能目的。

图2 初步设计的机械结构模型示意图Fig.2 Schematic diagram of mechanical structure model ofpreliminary design1-左支撑座; 2-丝杆; 3-平衡块; 4-导轨; 5-右支撑座; 6-联轴器; 7-伺服电机; 8-电动机底座; 9-平衡装置底座; 10-游梁后臂; 11-控制柜

在平衡块移动处理上，可以采用两种方式：一是计算抽油机一个完整冲程的悬点载荷，确定一个最优的平衡块位置，通过饲服电机将平衡块移动到该位置并保持不变；二是根据悬点载荷变换情况，实时计算并控制平衡块位置，实现全冲程的平衡效果最优。可见后一种方式节能效果优于前一种方式，但缺点是要频繁移动平衡块。

2.2 电气控制系统设计

电气系统的设计主要目的是检测平衡度、判断抽油机是否平衡和控制电动机运转等。平衡度的测量是本设计的关键，传统的测量方法有电流法、功率法、均方根扭矩法，这些都是通过间接测量平衡度的方法判断平衡的优劣。本文采用测量悬点载荷方法，在图1中的悬绳器部分安装一个力传感器，直接测量抽油机在上、下冲程中不同位移点的悬点载荷。

除了采集悬点载荷外，还要判断抽油机是处于上冲程，还是处于下冲程。为此，可以根据减速器输出轴旋转一周完成一个冲程的关系，采用位置编码器来识别减速器输出轴的转角，间接判断上、下冲程。电气控制系统根据采集到的悬点载荷及减速器输出轴转角，计算相应的平衡度和平衡块位置。PLC 的作用主要是：与数据采集模块建立通信，完成数据采集并完成相应计算；根据计算结果控制伺服电机转动，从而使平衡块移动到预期位置，平衡悬点载荷。电气控制系统流程如图3。

图3 初步设计的电气系统流程图Fig.3preliminary design of electrical system flow chart

2.3 悬点载荷数据的采集与平衡度的计算

载荷平衡度根据测量方法的不同，计算时采用的参量是不同的，即采用下冲程与上冲程某种量的比值来衡量载荷平衡情况。本文采用下冲程平均载荷与上冲程平均载荷的比值大小来表示载荷平衡状况，即平衡度。悬点载荷由力采集模块实时采集，采集到的悬点载荷信号存储在pLC 中，由pLC 计算出上、下冲程的平均载荷，再求出平衡度。位置编码器可识别减速器输出轴转角，在 0～1800 转角范围是抽油机上冲程阶段，在 180～3 600 转角范围是抽油机下冲程阶段，采用位置编码器进行等间隔角度采集的方法，每隔 1.80 采集一个载荷信号，分别在上、下冲程各采集 100 个载荷信号。

游梁式抽油机在平衡度为 100%的时候，电动机提供的动力仅提起一半的液柱重量和克服摩擦力等。平衡度越低，电动机提供的动力越大。PLC 会依据平衡度的大小作出不同的操作，当平衡度值大小在 0.8～1.1之间，抽油机已经是平衡状态，平衡块可以保持不动；当平衡度值的大小在 0.8 以下时候，抽油机处于超越正常的平衡状态，平衡块应向着游梁式抽油机的前臂的方向移动，减小平衡力矩；当平衡度大于 1.1，抽油机处于未达到平衡状态，平衡块应向着游梁后臂末端的方向移动，增大平衡力矩；PLC 发出不同的指令来指导伺服电机转动或者不转动[8]。

3 结束语

这套自平衡系统设计采用机电控制技术，采集悬点载荷，计算平衡度，用以自动检测抽油机的状态是否平衡及调节游梁平衡块位置，此套装置的机械系统结构简单，安全可靠，为上冲程节能型、自平衡抽油机提供了一种新的方案。

［1］徐中文.抽油机软件开发及优化设计[D].大庆：大庆石油大学，2006.

［2］苏德胜，刘先刚,等 .抽油机节能机理综述[J].石油机械,2001，29（5）：49-51.

［3］王建萍.直线电机抽油机系统优化研究[D].大庆：大庆石油大学，2006.

［4］欧阳新.节能型抽油机研究[D].大庆：大庆石油大学，2007.

［5］丁保东.基于 DSP 的游梁式抽油机变频控制系统研究[D].青岛：中国石油大学（华东），2007.

［6］马明俊.抽油机的节能措施研究[J].科技信息,2009，31：65-65.

［7］王剑锋，徐宝贞.抽油机电机节能手段探究[J].山东工业技术,2015，21（10）:181-182.

［8］刘明皓.常规游梁式抽油机自动平衡调节装置[J].石油机械,2012（7）:100-102.

Design of Self-balancing System for Energy-saving Beampumping Units

DONG Ming-hao, SHI Cheng-jiang, LI Wei-jun
（School of Mechanical Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China）

Nowadays, the conventional beampumping unit balance adjustment method has large labor intensity, low work efficiency and low adjustment accuracy,poor securityproblems. Therefore, the research on self-balancing system ofpumping unit has important significance. The device consists of mechanical system and electrical system, the mechanical system is a movable balance block which is installed on the beam, and the balance block is moved by the rotation of the screw rod so as to achieve thepurpose of regulating the balance; the electrical system can carry out real-time monitoring ofpumping unit balance degree, judging the balance state of thepumping unit and control of the operation of the screw drive motor. Thepower consumption of oilpumping machines isparticularly large every year, this system can achieve thepurpose of energy saving.

Self-balancing; Balance degree；Mechanical system；Electrical system;

TE 933

： A

： 1671-0460（2017）02-0271-03

2016-09-30

董明皓（1991-），男，辽宁省铁岭市人，硕士研究生，2014 年毕业于辽宁石油化工大学，研究方向：新型高效节能石化设备的研究与开发。E-mail：630428556@qq.com。