常規(guī)十型抽油機(jī)系統(tǒng)效率分析與節(jié)能改進(jìn)工程碩士論文(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ()—— 加速度修正系數(shù) ()——油管流通面積，；——作用于柱塞環(huán)形面積上的液柱重量。 ()(2)動(dòng)力示功圖將動(dòng)載荷的變化疊加到靜力示功圖上，就得到簡(jiǎn)化動(dòng)力示功圖。圖中A、B、C、D四個(gè)特殊點(diǎn)的已知，可求出對(duì)應(yīng)的曲柄轉(zhuǎn)角θ和加速度，因此各點(diǎn)的懸點(diǎn)載荷為： () () () ()式中 ——下死點(diǎn)時(shí)的懸點(diǎn)加速度()；——上沖程靜變形結(jié)束時(shí)的懸點(diǎn)加速度()；——上死點(diǎn)時(shí)的懸點(diǎn)加速度()；——下沖程靜變形結(jié)束時(shí)的懸點(diǎn)加速度()。 簡(jiǎn)化動(dòng)力示功圖整個(gè)沖程懸點(diǎn)載荷的計(jì)算公式如下： ()(3)考慮彈性振動(dòng)后的動(dòng)載荷和動(dòng)力示功圖因抽油桿柱、管柱、液柱自由振動(dòng)在抽油桿柱頂端產(chǎn)生的振動(dòng)載荷Wv為： ()式中 k—常數(shù)，其數(shù)值取決于ct/L,當(dāng)此數(shù)值為01時(shí)k=0，當(dāng)此數(shù)值為13時(shí)k=1，當(dāng)此數(shù)值為35時(shí)k=2，當(dāng)此數(shù)值為57時(shí)k=3；c—抽油桿內(nèi)聲波傳動(dòng)速度 m/s；，它比簡(jiǎn)化動(dòng)力示功圖更接近于實(shí)際示功圖[15]。 考慮振動(dòng)后的動(dòng)力示功圖 懸點(diǎn)最大載荷與最小載荷懸點(diǎn)載荷當(dāng)中的最大與最小載荷是非常關(guān)鍵的數(shù)據(jù)，在實(shí)測(cè)示功圖上，可以直接看出，但油井工況復(fù)雜，不可能找出一種適用于所有井況的載荷計(jì)算公式。目前計(jì)算抽油機(jī)載荷極值的公式有許多，但都在一定的假設(shè)條件下得出的，都有一定的局限性。主要的公式有美國(guó)石油學(xué)會(huì)公式[13]、威爾諾夫斯基阿道寧公式[14] 和簡(jiǎn)化的計(jì)算公式。 游梁式抽油機(jī)減速器的扭矩計(jì)算[9][10](1)減速器扭矩計(jì)算公式本章以曲柄平衡的游梁式抽油機(jī)()為例研究減速器的扭矩計(jì)算。為了便于研究特設(shè)定下列符號(hào)：——擺動(dòng)件自重(游梁、驢頭、橫梁等)，；——擺動(dòng)部件重心至游梁支承的距離，；——擺動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，；——游梁與水平線之間的夾角；——曲柄處于水平位置時(shí)平衡重與曲柄對(duì)減速器輸出軸中心的力矩，；——平衡相位角，即曲柄軸中心到曲柄平衡重重心之連線與曲柄半徑R的夾角；由R到連線按旋轉(zhuǎn)方向度量；——四連桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率。B——游梁抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)不平衡重：考慮四連桿機(jī)構(gòu)的摩擦損失和擺動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性，再加上曲柄平衡扭矩，則曲柄軸上的凈扭矩的一般計(jì)算公式為： ()式中—扭矩因數(shù)，；代表單位懸點(diǎn)載荷在曲柄軸上產(chǎn)生的扭矩； ()為常數(shù)；時(shí)，；。(2)減速器扭矩曲線和扭矩特性參數(shù)在曲柄旋轉(zhuǎn)一周的過(guò)程中，減速器扭矩隨θ作周期性的變化，其變化規(guī)律可用扭矩曲線圖()來(lái)表示。曲柄平衡的游梁式抽油機(jī)的減速器扭矩曲線由載荷扭矩Tw(θ)、平衡扭矩Ty(θ)及凈扭矩Tn(θ)3條曲線組成。 減速器扭矩曲線圖游梁式抽油機(jī)減速器的扭矩特性參數(shù)主要有平均扭矩、最大扭矩 、扭矩指數(shù)、最小扭矩 、均方根扭矩和周期載荷系數(shù)，其中平均扭矩、最大扭矩、最小扭矩均可在扭矩曲線圖上求出。扭矩指數(shù)：扭矩指數(shù)是平均扭矩與最大扭矩的比值，用百分?jǐn)?shù)表示： ()在相同油井工況情況下，與抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)型式及尺寸參數(shù)有關(guān)，越大，曲柄軸的扭矩變化更為平緩理想。均方根扭矩：均方根扭矩是選擇電動(dòng)機(jī)額定功率的依據(jù)，是一個(gè)重要的扭矩特性參數(shù) ()周期載荷系數(shù)： 是表示抽油機(jī)減速器扭矩變化均勻程度的一個(gè)參數(shù)。越接近1，表示扭矩變化越均勻。 () 游梁式抽油機(jī)的功率計(jì)算[9](1)光桿功率光桿功率Pr是指在懸繩器處測(cè)得的為了提升光桿載荷而消耗的功率，也就是游梁式抽油機(jī)的輸出功率。 ()(2)電動(dòng)機(jī)額定功率 ()——抽油機(jī)的總效率(3)電動(dòng)機(jī)平均輸入功率 ()式中：——平均輸入功率 kW，——平均軸功率 kW， ——均方根軸功率 kW， ——空載損耗功率 kW， ——電動(dòng)機(jī)系數(shù)(kW)1。(4)平均無(wú)功功率 ()式中U——電壓，Ie——均方根電流。(5)平均功率因數(shù) ()從以上的計(jì)算中可以看出,若FCL降低，則平均功率因數(shù)將得到提高。第3章 游梁式抽油機(jī)節(jié)能研究 機(jī)采系統(tǒng)效率分析[10] [26]將井下的液體舉升至地面的有效功與抽油機(jī)采油系統(tǒng)輸入功之比就是系統(tǒng)效率。我國(guó)抽油機(jī)采油系統(tǒng)效率平均在25%左右，耗電量占油田開發(fā)總耗電量的25%30%，如果機(jī)采系統(tǒng)效率能夠得到有效提高，就可以節(jié)約大量能源，緩解油田用電緊張的狀況，既有經(jīng)濟(jì)效益又有社會(huì)效益。 系統(tǒng)效率分解一般將抽油機(jī)井的系統(tǒng)效率分解為地面效率和井下效率： ()——系統(tǒng)效率——地面效率——井下效率地面效率包括電動(dòng)機(jī)效率、皮帶傳動(dòng)效率、減速器效率、四連桿機(jī)構(gòu)效率等；井下效率包括密封裝置效率、抽油桿傳動(dòng)效率、深井泵效率、油管柱效率等。(1)電動(dòng)機(jī)效率電動(dòng)機(jī)的輸出功率與輸入功率的比值即為電動(dòng)機(jī)效率，一般情況下，電動(dòng)機(jī)效率不應(yīng)低于86%。游梁式抽油機(jī)工作是電動(dòng)機(jī)載荷變化極大，甚至?xí)霈F(xiàn)負(fù)載荷，存在不同程度的大馬拉小車現(xiàn)象，因此電動(dòng)機(jī)效率變化極大，影響效率的主要因素有：①銅損，產(chǎn)生于電動(dòng)機(jī)繞組中電流的損耗，其大小與電流的平方和電阻成正比。②鐵損，產(chǎn)生于磁通交變?cè)阼F心中產(chǎn)生的能量損耗，包括磁滯及渦流損耗。③冷卻風(fēng)扇消耗的功率。④其他損耗，包括漏磁場(chǎng)在金屬體中的渦流損耗、氣隙中諧波磁場(chǎng)在定子鐵心和導(dǎo)體中引起的損耗。其大小隨載荷增大而增大，與電流平方成正比。(2)皮帶減速箱效率[22]減速箱輸出功率與電動(dòng)機(jī)輸出功率的比值為皮帶減速箱效率，一般不應(yīng)低于83%。皮帶傳動(dòng)效率主要有彎曲損失功率和彈性滑動(dòng)損失功率，可用以下公式計(jì)算： () ()1——皮帶繞輪彎曲損失功率，kW；Eb——皮帶縱向彎曲彈性模量，MPa；I——皮帶截面慣性矩，mm4；n——轉(zhuǎn)速，r/min；α——皮帶包角，rad；2——皮帶彈性滑動(dòng)損失功率，kW；——皮帶線速度,m/s；A——皮帶截面積,mm2EL——皮帶拉伸彈性模量,MPa；F——皮帶拉力，N。減速箱傳動(dòng)效率主要有軸承傳動(dòng)效率和齒輪傳動(dòng)能量損失，軸承傳動(dòng)效率可用以下公式計(jì)算： ()PZ—— 一副軸承因摩擦產(chǎn)生的功率損耗，W；G——軸承承受的載荷，N；——軸承線速度，m/s；f——摩擦系數(shù)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，一副軸承傳動(dòng)能量損失約為1%，減速箱一般三副軸承共損失3%；一副齒輪傳動(dòng)功率損失約為2%。所以減速箱傳動(dòng)功率總損失約為9%10%。(3)四桿機(jī)構(gòu)效率光桿功率與減速箱輸出功率的比值即為四桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率，一般不應(yīng)低于94%。四桿機(jī)構(gòu)一方面承受油井載荷，另一方面將減速器的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為懸繩器的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是否合理，無(wú)論對(duì)抽油機(jī)的工作性能，還是對(duì)抽油機(jī)的輪廓尺寸和整機(jī)重量都有重大影響。從某種意義上說(shuō)，游梁式抽油機(jī)的設(shè)計(jì)，主要就是四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。游梁式抽油機(jī)的四桿機(jī)構(gòu)屬于曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，在曲柄旋轉(zhuǎn)一周中，曲柄和連桿處于一條直線上的兩個(gè)位置之間的夾角稱為極位夾角。按的不同，可以分為三種機(jī)構(gòu)：=0的非偏移機(jī)構(gòu)，﹥0和﹤0的偏移機(jī)構(gòu)。按游梁支撐位置的不同，可以分為Ⅰ類杠桿和Ⅲ類杠桿兩種類型，因此游梁式抽油機(jī)的四桿機(jī)構(gòu)原則上可以有6種型式。不同的四桿機(jī)構(gòu)型式對(duì)抽油機(jī)的性能有重大影響，而且同一機(jī)型的桿長(zhǎng)尺寸的相互比值對(duì)抽油機(jī)的性能也有顯著影響。目前，抽油機(jī)的四桿機(jī)構(gòu)的桿長(zhǎng)設(shè)計(jì)普遍采用類比設(shè)計(jì)，這一方法的優(yōu)點(diǎn)是可以借鑒成熟的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可靠，缺點(diǎn)是難以對(duì)桿長(zhǎng)設(shè)計(jì)作出較大的改進(jìn)，且只能依賴于已有的產(chǎn)品。近年來(lái)，優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，在游梁式抽油機(jī)四桿機(jī)構(gòu)的桿長(zhǎng)設(shè)計(jì)上也開始應(yīng)用，國(guó)內(nèi)也發(fā)表過(guò)很多關(guān)于游梁式抽油機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的文章。但四桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中究竟選用何種目標(biāo)函數(shù)還是一個(gè)值得爭(zhēng)論的問(wèn)題，優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)尚不成熟。需要指出的是：抽油機(jī)四桿機(jī)構(gòu)桿長(zhǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)除了優(yōu)化抽油機(jī)性能外，尚需考慮盡可能減小輪廓尺寸、減輕整機(jī)重量的要求，即應(yīng)在性能、尺寸和重量之間取得協(xié)調(diào)的結(jié)果。(4)密封裝置效率光桿功率與光桿功率減去摩擦損失的比值即為密封裝置傳動(dòng)效率。 ()——摩擦系數(shù)，；K——系數(shù)，；——光桿直徑，m；——密封有效高度，m；——油管壓力，Pa。(5)抽油桿效率光桿功率與光桿功率將去抽油桿摩擦損失的比值即為抽油桿效率。在抽油過(guò)程中抽油桿與油管和抽油桿與液體之間會(huì)產(chǎn)生摩擦造成功率損失，對(duì)稀油而言，抽油桿與液體的摩擦力很小，可以忽略不計(jì)，但對(duì)稠油井而言，摩擦力相當(dāng)大，由于每口井井況千差萬(wàn)別，無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算。目前只能利用光桿示功圖面積減去泵攻圖的面積除以光桿示功圖面積，定義為密封裝置加抽油桿效率，一般不應(yīng)低于85%。(6)深井泵功率損失深井泵功率損失主要包括：①深井泵機(jī)械摩擦造成的功率損失 ()——柱塞直徑，m；——柱塞上、下壓差，MPa；——柱塞與鋼桶間徑向間隙，mm；——柱塞長(zhǎng)度，m；——井液粘度，Pas；——偏心比()，m/mm；——偏心距，m；②深井泵漏失損失功率 ()③深井泵水力損失功率 ()——井液流經(jīng)閥組的阻力系數(shù)()；——井液密度，kg/m3；——井液流經(jīng)泵閥孔的流量，m3/s；——閥座孔面積，m2；一般深井泵效率不應(yīng)低于78%。(7)油管功率損失油管功率損失主要包括兩個(gè)方面①油管漏失功率損失 ()——油管、套管空間壓力差，MPa；——油井井口產(chǎn)量，m3/s；——深井泵排出量，m3/s；②油管水力損失功率 ()——抽油桿級(jí)數(shù)；——與第級(jí)抽油桿相應(yīng)的油管摩阻系數(shù)；——第級(jí)抽油桿的相應(yīng)長(zhǎng)度，m；——與第級(jí)抽油桿相應(yīng)的油管當(dāng)量?jī)?nèi)徑，m；——與第級(jí)抽油桿相應(yīng)的井液流速，m/s；——油管流量，m3/s。一般油管效率不應(yīng)低于95%。(8)抽油機(jī)井有效功率 ()——日產(chǎn)液量，kg/m3；——有效揚(yáng)程，m； ()——?jiǎng)右好嫔疃龋琺；——油管壓力，MPa；——套管壓力，MPa； 提高系統(tǒng)效率的措施在系統(tǒng)效率分解測(cè)試的基礎(chǔ)上，各部效率一般都規(guī)定了最低值，當(dāng)效率偏低時(shí)，就應(yīng)該具體分析原因，采取措施。(1)電動(dòng)機(jī)效率低①檢查電動(dòng)機(jī)選型是否合理，按廠家提供的電動(dòng)機(jī)外特性曲線檢查電動(dòng)機(jī)工作時(shí)平均功率是否達(dá)到額定功率35%以上，否則需要更換電動(dòng)機(jī)。②研究資料表明，電壓低于額定電壓不超過(guò)10%時(shí)，一般降壓5%左右往往能提高效率。③檢查功率因數(shù)是否過(guò)低，應(yīng)考慮加電容補(bǔ)償。(2)皮帶傳動(dòng)效率低①皮帶類型是否選擇適當(dāng)，應(yīng)盡量選用窄V帶、多楔帶。②檢查皮帶張緊度是否一致，否則調(diào)整或更換。③檢查皮帶是否過(guò)松或有油污，應(yīng)調(diào)整或清洗。(3)減速箱傳動(dòng)效率低①檢查是否缺油或潤(rùn)滑油變質(zhì)，應(yīng)補(bǔ)充或更換。②檢查軸承是否磨損，應(yīng)及時(shí)更換。③檢查減速箱齒輪齒是否磨損，如磨損需更換或大修。(4)四連桿機(jī)構(gòu)效率低①檢查軸承潤(rùn)滑油是否不足或變質(zhì)，應(yīng)補(bǔ)充或更換。②檢查軸承是否磨損，應(yīng)及時(shí)更換。(5)密封裝置效率低①驢頭對(duì)正井口是否超標(biāo)，應(yīng)及時(shí)校正。②密封類型不正確，檢查出及時(shí)更換。③密封過(guò)緊，及時(shí)調(diào)整。(6)抽油桿傳動(dòng)效率低①檢查是否結(jié)蠟造成阻力過(guò)大，及時(shí)清蠟。②抽油桿與油管摩阻大，設(shè)計(jì)、調(diào)整扶正器或滾輪接箍。③油稠摩阻大，應(yīng)更換大油管或加藥降粘。(7)深井泵效率低①測(cè)示功圖拉線檢查漏失，漏失超標(biāo)應(yīng)檢泵。②泵效低，檢查原因，提高泵效。(8)油管效率低檢查油管漏失情況，及時(shí)檢泵。 游梁式抽油機(jī)節(jié)能機(jī)理分析 游梁式抽油機(jī)能耗分析從上一節(jié)的抽油機(jī)系統(tǒng)效率分析可知，在有桿抽油系統(tǒng)中，消耗的總能量主要包括以下幾個(gè)方面：(1)提升液柱所耗的能量；(2)各種摩擦損失的能量；(3)系統(tǒng)能量倒流損耗；(4)電動(dòng)機(jī)的損耗。在以上的四種主要能耗中：第一方面，提升液柱所耗的能量是工作時(shí)必須消耗的，不論采用任何方法都是不能節(jié)省的。第二方面，是各種摩擦造成的損耗，包括井下摩擦損耗和地面機(jī)械傳動(dòng)摩擦損耗，其中井下摩擦損耗在沖程沖次一定的情況下，只受抽油機(jī)懸點(diǎn)加速度的影響，且影響甚微，可忽略不計(jì)。機(jī)械傳動(dòng)摩擦損耗除與傳動(dòng)環(huán)節(jié)本身的特性、潤(rùn)滑條件有關(guān)外，與抽油機(jī)的平衡也有很大的關(guān)系。當(dāng)游梁式抽油機(jī)平衡率很高的時(shí)候，中央軸承座、橫梁軸承座、曲柄銷軸等轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)處的受力將得到降低，從而減小了傳動(dòng)環(huán)節(jié)的摩擦損耗。第三方面，是系統(tǒng)能量倒流造成的損耗，游梁式抽油機(jī)因載荷劇烈變化，系統(tǒng)中存在能量倒流。能量倒