抽油机平衡优化调整技术与应用探究

柳莹 李延波

摘要：抽油机平衡率作为油井管理中的重要指标。抽油机不平衡不仅浪费电能，降低效率，还大大缩短电机的使用寿命；而且抽油机强烈震动，运转速率不均，机身倾斜，会造成抽油泵及抽油光杆磨损严重，寿命缩减，易出现机械故障，引发安全事故。平衡调整应优先保证减速器扭矩的峰值不超过减速器额定扭矩，在此基础上尽量使减速器扭矩均方根值最小。

关键词：游梁式抽油机；平衡方式；净扭矩；均方根；系统效率

油田游梁式抽油机现场平衡标准执行企业标准中抽油机平衡中平衡电流法，平衡计算根据原则：上、下冲程中减速器曲柄的最大净扭矩相等。而在现场测试过程中发现，电流平衡井耗电并非最低。如根据该标准抽油机平衡中平均功率法，平衡计算根据原则使上、下冲程电动机做功相等，现场测试结果相比电流平衡井耗电低。目前在抽油机管理中通常用于判断平衡与否的一个标准是平衡率，就是抽油机上行最大电流与下行最大电流之比，认为此值在0.8-1.2之间抽油机就是平衡的。实际上，电流平衡不能保证抽油机一定平衡，电流不平衡的抽油机也有可能是平衡的。本文通过对抽油机平衡率的重要性、平衡的原理与条件，不平衡的原因、不平衡造成的危害、检查平衡的方法等进行分析，针对不同原因采取不同对策，或加强洗井，或提升油井防蜡效果，或调整平衡重位置等，为实现节能降耗，提质增效奠定坚实基础。

1游梁式抽油机平衡调整概述

游梁式抽油机的平衡方式是通过调整平衡块来消减抽油机上下冲程的负载差异，抽油机平衡状况直接影响抽油机四连杆机构、减速箱和电机的效率与寿命，对抽油机的工作状况亦影响很大。目前大庆油田广泛应用电流法调整平衡，当电流平衡比在85 %-100%之间为平衡，但通过现场测试，电流平衡井耗电并非最低，而且现场平衡调整只能定性调整操作。为此开展抽油机平衡调整技术研究，通过理论研究和现场试验，确定抽油机最佳节能范围，编制平衡调整程序，定量实施现场平衡调整，提高游梁式抽油机平衡调整管理水平，提高工作效率、系统效率，降低举升单耗。节能效果的预测：对于负功率明显的抽油井，由于电动机将电能转换成平衡块位能（机械能）的效率一般为70%到80%，平衡块的位能（机械能）再带动电机发出电能，效率一般也在70%到80%。这样电能转换成机械能再转换成电能的总效率约为50%到65%。在抽油机光杆功率不变的情况下，通过调整平衡块位置，减小了电机功率的均方根值，也就是减少了电能与机械能之间的来回转换，减少了由于能量转换而产生的能耗，从而节约了电能。在这种情况下调整平衡的节能潜力可按电机功率均方根值减少量的35%到50%估計，粗略可按40%估算。对于没有明显负功率的井，节能潜力约为均方根功率减少量的15%到35%，粗略可按25%计算，调平衡节能的精确值需通过实际测试才能决定。

2游梁式抽油机平衡调整技术

2.1电流平衡法

由电流平衡法定义可知，当确定抽油机在上、下冲程过程中电流峰值的比值为某一

值时，可以判断抽油机的平衡度， 目前现场执行标准为当电流平衡度在0.85-1之间时认为抽油机平衡、工作正常。采用电流平衡法时，当IBF=1时，反映了抽油机电动机在上、下冲程过程中电动机负载峰值相等，或间接反映曲柄轴净扭矩在上、下冲程过程中峰值扭矩相等。

2.2功率平衡法

功率平衡度PBF表示抽油机在上、下冲程过程中输出功率之比，标准认为PBF < 0.5时抽油机运行不平衡，应进行平衡调整。功率法与电流法类似，当功率平衡度PBF>1时，抽油机处于过平衡状态；反之认为抽油机处于欠平衡状态。当0.85

3抽油机功率平衡调整计算分析

抽油机平衡调整目标有两个：一是保证抽油机安全运行；二是节能。从保证抽油机安全运行的角度看，调平衡就是要使减速器曲柄轴输出扭矩最小。由于减速器的扭矩有正有负，仅用平均值不能反映实际负载的变化特性，一般用均方根扭矩来反映减速器的载荷情况。均方根扭矩与平均扭矩TP之比称为周期载荷系数，它反映了载荷扭矩的波动程度，该比值越接近1说明载荷扭矩越平稳，越大说明载荷扭矩波动得越厉害。均方根扭矩、平均扭矩及周期载荷系数均按曲柄旋转1周（2n）计算。可以看出，对游梁式抽油机进行平衡的实质目的是使抽油机曲柄轴均方根扭矩最小，同时尽量保证周期载荷系数接近1。从节能的角度看，对于一台具体的抽油机，机械传动损耗与电动机的固定损耗是相对不变的，只有电动机的变动损耗与电流平方成正比。要使抽油机最节能，就是要使电动机的变动损耗最小，也就是均方根电流最小。对于一台具体的电动机，电流的大小取决于其负载扭矩，只有保证电动机的负载扭矩的均方根值最小，才能保证电流的均方根值最小。而电机轴负载扭矩Tz，与曲柄轴扭矩T，成比例关系，从上面的分析可以看出，抽油机平衡的关键是对减速器曲柄轴扭矩进行平衡，使得减速器曲柄轴均方根扭矩达到最小，但是另一方面应当满足抽油机上、下冲程电机做功相等的平衡原则。

对抽油机减速器曲柄扭矩进行平衡计算在理论上相对较易，但在工程中测量曲柄轴扭矩存在实际困难，因此在工程角度通过测量减速器曲柄轴扭矩进行抽油机平衡设计计算不现实。电机在负载条件下在输入端测量其工作特性曲线相对比较简单，但是不能直接测量电机轴功率。根据讨论分析电机工作特性曲线所建立各种函数关系，可以建立电机轴功率与其他电机特性曲线间的关系，为实现抽油机电机工作特性平衡奠定了基础。关于功率平衡技术的原理及计算过程如下：如判断当前抽油机上、下冲程电机平均有功功率不符合功率平衡法条件，则采用反向计算方法，在研究电机工作特性曲线基础上，实现抽油机功率平衡。<1）测量电机在抽油机上、下冲程过程中有功功率曲线；<2）利用电动机工作特性曲线，确定电机在上、下冲程过程中的电流曲线、有功功率曲线、效率曲线、功率囚数等与电机轴功率间的关系，推到电机轴功率； <3）计算抽油机在当前平衡条件下的曲柄轴净扭矩；<4）根据抽油机曲柄平衡重的实际测量位置，计算曲柄平衡重装置峰值转矩，利用平衡扭矩与光杆负载扭矩平衡叠加原则，计算光杆负载扭矩；<5）通过调整计算平衡重的安装位置，反向计算，使抽油机平衡满足功率平衡法要求。

通过以上过程的计算和分析，可实现游梁式曲柄平衡抽油机的精确平衡，使抽油机在安全、节能的状态下运行。

4 结 论

理论研究表明，在不超扭矩和电机额定功率的前提下，常规机电流平衡率70%时能耗最低，调整区间65%-75%，异相机电流平衡度为95%时能耗最低，调整区间90%一100%.（2）应用电流平衡调整法实现功率平衡调整法的效果，实现平衡量化且单组调整，有效提高工作效率和平衡调整的准确率，同时也可计算抽油机减速箱输出轴的峰值扭矩。

参考文献：

[1] 张学鲁等，游梁式抽油机平衡调整与系统效率提升研究[M].北京：石油工业出版.2016（07）