第四节 抽油机的平衡、扭矩与功率计算
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游梁式抽油机的平衡
一、抽油机平衡原理
(一)抽油机不平衡的原因:抽油机在工作过程中悬点承受的是不对称的脉动载荷,上冲程载荷很大,下冲程载荷较小,这样就会造成上冲程电动机做功很大,下冲程电机做负功,即悬点拉着电机旋转。因此也就会造成抽油机不平衡。
(二)抽油机不平衡的危害:抽油机运转不平衡,影响电机的工作效率,使电机的功率因数降低,加大电机的功率损耗,减小电机的寿命;抽油机运转不平衡会使抽油机发生振动,严重时会造成翻抽油机的恶性事故,影响抽油机的寿命。因此抽油机必须利用平衡装置调节达到运转平衡。
(三)平衡原理 1.平衡原则及平衡条件 抽油机达到平衡的原则是:
(1)电动机在上下冲程中做功相等; (2)上、下冲程中电机的电流峰值相等; (3)上、下冲程中的曲柄轴峰值扭矩相等。 抽油平衡原理,如图3-31所示:
在抽油机游梁后端加一重物,在下冲程中电机和下冲程的悬点载荷一起对重物做功,把重物升高储存位能w A :
,md d w A A A +=
则得到电机在下冲程中做的功为:d w m d A A A -=
式中 w A —— 下冲程中悬点载荷和电机对平衡系统做的功,即平衡系统储存的能量;
d A —— 悬点在下冲程中做的功; md A —— 电机在下冲程中做的功。
在上冲程中平衡系统放出能量,帮助电机对悬点做功: m u w u A A A += 则得电机在上冲程中做的功为:W u m u A A A -= 式中 u A —— 悬点在上冲程中做的功;
mu A —— 电机在上冲程中做的功。
根据第一条平衡原则: md mu A A = 即w u d w A A A A -=-
可得到平衡系统在下冲程中应储存的能量为:
2
d
u w A A A +=
(3-50) 上式说明抽油机的平衡条件为:平衡系统下冲程中储存的能量要等于悬点在上、下冲程中做功之和的一半。
2.平衡系统要达到平衡需要的平衡功
当只考虑静载荷做功时,悬点在上冲程中做的功为:
s W W A L r u )('+'=;
下冲程做的功为:s W A r d '=。
则由(3-50)得理论上需要的平衡功为: s W W A A A l r d u w )2
(2'
+'=+=
(3-51)
二、游梁式抽油机的机械平衡计算 1.游梁平衡方式计算
游梁平衡:是将平衡重装在游梁后端;适用于小型抽油机,如图3-31所示。 在下冲程中悬点向下运动了s(m),而平衡重b W 升高的距离s c 为:
s a
c
s c =
, 储存的能量或称实际产生的平衡功为:
b w sW a
c
A =
要达到平衡,实际产生的平衡功应等于需要的平衡功,即:
s W W sW a c
l r b )2
('+'= 可得游梁平衡重为: )2
('+'=
l r b W W c a
W 如果抽油机本身不平衡,设游梁后臂比前臂重uc X ,相当于平衡重,则平衡重就可减小,这时游梁平衡重为:
uc l r b X W W c a
W -'+'=
)2
( (3-52) 2.曲柄平衡方式计算
曲柄平衡:是指平衡重装在曲柄上,适用于大型抽油机。如图3-33所示。 在下冲程中,曲柄平衡重cb W 上升的高度为2R ,曲柄自重c W 上升的高度为
c R 2,抽油机本身不平衡值ub X 上升的高度为r 2,则平衡系统在下冲程中储存的能量,或实际产生的平衡功为:
ub c c cb w rX W R RW A 222++=, 令其与需要的平衡功相等:
s W W rX W R RW l r ub c c cb )2
(222'
+
'=++, 可得到平衡半径的计算公式为:
cb
ub cb c c cb l r W rX W W R W s W W R --'+
'=2)2( (3-53)
图3-33 曲柄平衡
3.复合平衡方式计算
复合平衡:是以上两种平衡方式的组合,即在曲柄上和游梁后臂上都有平衡重如图3-34所示,适用于中型抽油机。
同理可导出平衡半径的计算公式:
cb
b u
c cb c c cb l r bW cr
W X W W R W s W W R )
(2)2(+--'+
'= (3-54) 三、平衡测量与调整
测电动机上、下冲程的电流峰值u I 和d I ,若d u >I I ,平衡不足,d u <I I ,则平衡过重。在两个电流中有一个小的,一个大的,若8.0/≥大小I I 时就认为是平衡了,否则就要重新计算平衡半径或平衡重,重新调整平衡。
四、抽油机井的系统效率 (一)抽油机井的有用功率
有用功率或称有效功率,也称为水力功率N H , :是指在一定时间内,将一定量的液体提升一定的距离所需要的功率:
86400
QHg
N H =
(3-73) 式中 Q —— 油井产液量,t/d ;
H ——泵对液体的有效提升高度,m ; N H —— 抽油机井的有效功率,kw 。 泵对液体的有效提升高度计算如下:
1.如果忽略沉没压力和回压的影响,有效提升高度等于下泵深度:H=L 。 2.考虑沉没压力和回压的影响时,为了计算简单,忽略气柱重力和进泵阻力的影响,并认为环空中和油管中的液体密度相同,有效提升高度为:
610⨯-+
=g
P P L H l C
B f ρ (3-74) 式中 B P 、
C P —— 分别为回压和套压,MPa ; l ρ—— 井中液体密度,kg/m 3。
当上式中用相对密度'l ρ,并且重力加速度取9.8时,
'-+=l C B f P P L H ρ/)(102。
3.考虑环形空间中与油管中的液体密度不同时,有效提升高度为:
l
o
l
S l C B f h g P P L H ρρρρ-+⨯-+
=610 (3-75) 式中 S h —— 泵的沉没度,m 。
(二)光杆功率
光杆功率:即是抽油机悬点载荷做功的功率,是提升液体和克服井下消耗所需要的功率。可用示功图的面积计算:
l
AsnC
N p 600=
(3-76) 式中 p N —— 光杆功率,kw ;
A —— 示功图载荷线包围的面积,cm 2; S —— 光杆冲程,m ; n —— 冲数,r/min ; C —— 动力仪力比,N/mm ;
l —— 示功图上冲程长度,mm ;
由于计算示功图麻烦,常近似地按理论静载荷计算悬点做功:
4
106⨯'=
sn
W N l p (3-77) 式中 'l W —— 转移载荷,N ;