石油工程毕业论文.doc

1、大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文)I大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计毕 业 设 计（论 文）专 业： 石油工程 考 号：姓 名：题 目：新机型的方案设计指导教师： 2012 年 8 月 20 日大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文)II目 录第 1 章 绪论11.1 目前机械采油现状及存在问题11.2 抽油机的发展与节能21.3 在役游梁式抽油机优化设计的研究41.4 本次设计意义4第 2 章 新机型的方案设计62.1 传动方案的设计62.2 基本参数的拟定82.3 主要结构尺寸确定16第 3 章 新机型的运动分析173.1 运动规律分析173.2 计算结果对比193.3 运动性

2、能分析19第 4 章 新机型的动力分析214.1 抽油机扭矩分析214.2 电动机选择分析244.3 节电效果分析26第 5 章 新机型的应用分析.275.1 新机型抽油机的意义275.2 新机型抽油机的特点28结论.31参考文献.32致谢.33大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文)1第 1 章 绪 论1.1 目前机械采油现状及存在问题抽油机是油田有杆抽油系统的地面驱动设备,它是有杆抽油系统的地面动力传动设备，也是石油开采的主要设备,原油生产井使用抽油机将蕴藏在地下的石油通过抽油管抽出。据统计在油田生产成本中约有三分之一为电能消耗,而抽油机消耗的电能约占总电能消耗的 80%,对抽油机的机械

3、系统和电气控制系统进行节能改造,可带来相当可观的经济效益。是构成“三抽”系统的主要组成部分，抽油机的产生和使用已经有了一百多年的历史。发展到现在，抽油机的种类主要有游梁式抽油机和无游梁式抽油机两大类。其中游梁式抽油机的应用最为广泛，各个产油国仍然在大量使用。游梁式抽油机具有结构简单，制造容易，可靠性高，操作维护方便，适应现场工况，使用寿命长并且一次性投资少等特点，在今后相当时间内仍然是油田首选的采油设备。但是由于常规机本身结构特征，决定了它平衡曲柄净扭矩脉动大，存在负扭矩，载荷率低，工作效率低和能耗大等缺点。随着很多油田逐渐进入开发的中后期，油井含水量不断上升，使生产成本不断增加，常规游梁抽油

4、机已经不能满足需要，因此需要开发各种新型节能抽油机来满足降低成本，节能降耗。近 20 年来，世界抽油机技术发展较快，科研人员研究开发了多种新型抽油机，特别无梁式抽油机的出现解决了很多常规机出现的弊端。这些新机型的特点是：增加了抽油机的适应性、可靠性、经济性和先进性；改善了抽油机的性能，提高了抽油效率，减少了动力消耗；提高了抽油机的平衡效果，改善了抽油机的动力特性、运动特性、提高了抽油机的平衡效果，增加了抽油机的使用范围，减少抽油机的体积和质量，强化了抽油机的自动化和智能化程度。因此，研制开发新型节能抽油机是当前亟待解决的问题。目前，有杆泵抽油机是油田的主要采油设备，其不但使用数量大，用电量大，

5、而且系统效率低，节电潜力巨大，虽然也有很多节能型抽油机用于油田，也确实起到了一定的节能效果，但由于多方面原因，大部分节能机不能很好的适应油田的生产，具体有以下 5 种原因：部分新型机的易损件不是通用件，坏了之后不便维修。部分新型机造价太高，油田投资巨大。目前各种新型抽油机，传动元件的使用寿命尚不理想。实践证明，新型抽油机的可靠性是决定抽油机成败的关键。油田工人一时很难熟悉一些新型机，日常维护困难。一些新型机虽然节能但维修费用高，入不敷出 。1大庆油田是全国最大的油田，目前油田常用的抽油机包括：常规游梁式抽油大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文)2机、前置式抽油机、异相曲柄抽油机、偏置式抽油

6、机、摆杆式抽油机、双驴头式抽油机、复合轮式抽油机、摩擦换向式抽油机、六连杆增程式抽油机、偏轮式抽油机、B 游梁式抽油机等等。部分新型节能抽油机正在实验当中，由于大部分新型抽油机各有优缺点，所以还没有大批量投入使用近年来，随着大庆油田老区块开发的不断深入，油田含水率迅速上升，开发经济效益逐年下降，剩余未动用储量绝大部分是有效厚度较小、储量丰度较低的难采储量。目前，企业在资金紧张、降低基本建设投资和控制生产成本的情况下，对于老区块应何时改变采油方式，才能延长油田的经济开采期；新区块如何根据其地质条件，选择最佳的举升方式，使油田获得更大的经济效益，是企业面临的新问题。因此，开展机械采油方式优选评价研

7、究很有必要。游梁式抽油机的有杆泵全系统的总效率在国内一般地区平均只 12%-23%，系统效率低，能耗大，耗电就多。此外，随着老油田油井的注水开发，油田己进入高含水采油期。不断提高产液量，以液保油，这是注水开采油田保证原油稳产的必要趋势。这种开采特点要求抽油机的冲程越长越好，使得在役的常规游梁式抽油机机型偏小，在一定程度上已经不能满足长冲程、低冲次的要求。偏置式节能抽油机是国内油田目前使用最多的节能型抽油机。自 80 年代中后期，在我国石油矿场上广泛推广应用了偏置式抽油机。该机保持了常规抽油机的基本结构，与常规游梁式抽油机相比，该机的游梁后臂缩短，减速箱相对于支架位置后移。1.2 抽油机的发展及

8、节能抽油机的发展趋势主要朝以下几个方向：(1)大型化方向随着世界油气资源的不断开发，开采油层深度逐年增加，石油含水量也不断增大，采用大泵提液采油工艺和开采稠油等，都要求采用大型抽油机。所以，近年来国外出了许多大载荷抽油机，例如前置式气平衡抽油机最大载荷 213KN、气囊平衡抽油机最大载荷 227KN 等，将来会有更大载荷抽油机出现。(2)低能耗方向 为了减少能耗，提高经济效益，近年来研制与应用了许多节能型抽油机。如异相双驴头抽油机、摆杆抽油机、渐开线抽油机、摩擦换向抽油机、液压抽油机及各种节能装置和控制装置。(3)朝着高适应性方向发展现在抽油机应具备较高的适应性，以便拓宽使用范围。例如适应各种

9、自然地理和地质构造条件抽油的需要；适应各种成份石油抽汲的需要；适应各种类型油井抽汲的需要；适应深井抽汲的需要；适应长冲程的需要；适应节电的需要；适大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文)3应精确平衡的需要；适应无电源和间歇抽汲的需要。(4)朝着长冲程无游梁式抽油机方向发展近年来国内、外研制与应用了多种类型的长冲程抽油机，其中包括增大冲程游梁式抽油机，增大冲程无游梁式抽油机和长冲程无游梁式抽油机。实践与理论表明，增大冲程无游梁式抽油机式增大冲程抽油机的发展方向，长冲程无游梁式抽油机是长冲程抽油机的发展方向。(5)朝着自动化和智能化方向发展近年来，抽油机技术发展的显著标志是自动化和智能化。BAK

10、ER 提升系统公司、DELIA0-X 公司、 APS 公司等研制了自动化抽油机，具有保护和报警功能，实时测得油井运动参数及时显示与记录，并通过综合计算分析，得出最优工况参数，进一步指导抽油在最优工况抽油。NSCO 公司职能抽油机采用微处理机和自适应电子控制器进行控制与监测，具有抽油效率高、节电、功能多、安全可靠、经济性好、适应性强等 。2优 点总而言之，抽油机将朝着节能降耗并具有自动化、智能化、长冲程、大载荷、精确平衡等方向发展。抽油机节能技术目前主要从以下几个方面进行研究：(1)改进抽油机结构。这种方法主要是通过对抽油机四杆机构的优化设计和改变抽油机平衡方式来改变抽油机曲柄净扭矩曲线的形状和

11、大小，使扭矩波动平缓，从而减小抽油机的周期载荷系数，提高电动机的工作效率，达到节能的目的。(2)采用节能驱动设备。这种方法是从研究电机的特性入手，研究开发新型的电动机，使之与采油井井况相匹配，进而达到提高电动机的效率和功率因数的目的，即采用高转率的电动机(转差率 8%13%)和朝高转差率电动机代替常规转差电动机( 转差率 5%)。另外，还有采用节能配电箱来实现节电的。(3)采用节能控制装置。如 DCS 系列抽油机多功能程控装置、间抽定时控制。(4)采用节能原部件。如窄 V 型带传动或同步带传动等。(5)改进平衡方式。如采用气动平衡或天平平衡等。(6)改进“三抽 ”系统部件。有采用抽油杆导向器、

12、空心抽油杆、减震式悬件，都可提高三抽系统的工作效率，达到节能的目的。(7)采用高效节能泵，提高泵效，降低百米吨耗，实现节能 。64总之，近年来抽油机节能技术的研究己经成为科技攻关的方向。以上七种方法取得了显著的节能效果。1.3 在役游梁式抽油机优化设计的研究大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文)4游梁式抽油机是石油开采的主要设备,也是主要耗能设备,其驱动电机负载率通常都小于 30%。这种情况的存在,使电能的利用率降低,增加了电能的损耗。目前,常规游梁式抽油机因其结构简单、操作维修方便、使用寿命长等原因,仍为各大油田的主要采油设备,其数量约占抽油机总数的 50%左右。但因其主体结构为铰链四连

13、杆机构,其运动速度、加速度峰值、扭矩因数峰值、曲柄轴净扭矩峰值都较大,扭矩曲线波动亦较大,存在负扭矩,因此能耗较大,对在役常规游梁式抽油机进行节能技术改造具有非常重要的意义。方便的前提下,建立了常规游梁式抽油机运动学、动力学分析的数学模型,分析得出常规游梁式抽油机四杆机构中游梁后臂 C、连杆 P 以及曲柄半径 R 的减小都可以降低扭矩因数峰值,减小所需最大平衡扭矩,使减速箱曲柄轴净扭矩曲线变得平缓,波动减小。因此,三种优化方案,分别为优化游梁后臂 C;优化游梁后臂 C 和连杆 P;优化游梁后臂 C、连杆 P 和曲柄半径 R。采用了遗传算法分别对三种方案进行了优化设计,由优化结果分析可得,优化后

14、抽油机悬点速度、加速度、扭矩因数峰值都降低了,在原有最大平衡扭矩的作用下,平衡度都有明显的提高,且极位夹角均增大了,工作制度变为非对称循环,同时曲柄轴净扭矩峰值都有明显的减小。三种优化方案中,通过对比分析得出,对游梁后臂 C进行改造不仅可以节约改造成本,且改动件少,现场安装方便,电机输出功率可由原来的 11.77kw 减小到 9.88kw,节电率为 15.95%,达到节能降耗要求,为最佳改造方案。其二可以变频调速和功率因数闭环控制：这种游梁式抽油机节能装置的硬件部分以 AT89C51 单片机为核心,包括主电路、控制电路、驱动电路、保护电路、功率因数检测电路和能量回馈电路等部分。主电路采用交-直

15、-交电压型结构;控制电路部分由脉宽调制芯片 SA866AE 产生 SPWM 控制信号。AT89C51 单片机控制部分由显示电路、键盘电路、复位电路、记忆电路、功率因数计算电路和频率输出电路等组成;驱动电路选用 IGBT 专用驱动模块 EXB841 进行控制信号的放大;保护电路实现过流过压保护、短路保护等功能。软件部分包括 SA866AE 外接 EEPROM 初始化参数的设计、单片机控制程序和电机软启动程序,软件采用汇编语言编程。 论文最后对所设计的部分电路进行了实验分析。胜利油田现场运行测试结果表明,该装置可以使三相交流异步电动机功率因数大幅提高,综合节电率达到 26.58%,节能效果明显。1

16、.4 本次设计意义目前，我国开采石油耗电指标与国外先进水平相比，还有很大差距，我国抽油机的运行效率特别低，平均效率仅为 25.96%，而国外平均水平为 30.05%，年大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文)5节能潜 力可达几十亿千瓦时,尽管研制和应用了一些节能抽油机，但是由于使用数量不多，其总耗电量还是很大的，近年来，我国研制的新型抽油机，几乎都具有高效节能特点，目前，在用的抽油机系统效率一般在 20%30%之间，因此，开展新型抽油机，替换常规机型是大势所趋，随着油田的不断开发，地层能量逐渐消耗，为了保证原油的稳产、高产，机械采油己经成为广泛采用的一种方法。我国有机采油井 5 万多口，占油

17、井总数的 80%左右，抽油机井的耗电量占总耗电量的四分之一，由于抽油机井的系统效率较低，大量的能量(70%以上)在传递过程中损失掉，如果将抽油机井的系统效率提高 5%，年节电 2010e8 千瓦时，这不仅可节约大量资金，而且，还可以缓解油田电力紧张状况。当今世界，资源日益匮乏，为了人类的继续生存， “节约”成为永远不变的一个主题，本设计既是针对“节能降耗”要求展开的。其理论意义在于找出机械采油中节能降耗的技术关键和理论依据，对现有抽油机结构进行优化和创新，设计出双轮直平式抽油机结构，使其提高油田采油效率，降低能量损失，具有较高经济效益。双轮直平式抽油机是油田采油机械中的新型设备，对它进行深入研

18、究，必然使采油机械中又增添新品种，因而具有较高的理论意义。如果推广本成果，必将为油田生产提供新的动力，对稳产增效，节能降耗，发展油田生产有很重要的应用价值。大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文)6第 2 章 新机型的方案设计2.1 传动方案的设计2.1.1 传动机构设计尽管抽油机的种类很多，但是在油田上被普遍采用的抽油机种类并不多。目最广泛的是机械平衡式抽油机。它主要由游梁、驴头、横梁、连杆、曲柄、减速机构、支架、底座，悬绳器、平衡重及原动机等组成。因此，根据油田上被普遍采用的常规式抽油机以及国内、外现行的节能抽油机实现动作所依赖的机构，将机构方案定为四连杆。传动方案如图 2-1 所示。大

19、庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文)7图 2-1 双轮直平式抽油机运动简图双轮直平式抽油机区别于常规游梁式抽油机的地方如下：(1)双轮常规抽油机的驴头用来将游梁前端的往复圆弧运动变为抽油杆的垂直直线往复运动，我们将常规游梁式抽油机的游梁以及驴头部分改成双轮机构，这样就简化了结构，并且能够满足运动要求。为了满足冲程的要求，我们可以让轮旋转较大角度，这样，大转角乘以小半径仍然能够实现规定的冲程。(2)平衡重由于常规游梁式抽油机上、下冲程的载荷很不均匀，上冲程时，驴头需要提起抽油杆柱和油柱，而下冲程时，抽油杆依靠自重就可以下落，这样使发动机做功极不均匀，为了使上、下冲程发动机做功均匀，采用了平衡

20、重结构。游梁式抽油机平衡重可分为游梁平衡重和曲柄平衡重。而双轮直平式抽油机采用直接平衡，即平衡重直接连接在轮上，这样就大副降低了悬点负荷，改善了连杆、曲柄的受力状态。(3)极位夹角抽油机在整个工作过程中所要承受的载荷相当大，并且还要保证抽油机的工作寿命，所以就要降低抽油杆的运动速度。因此，采用了极位夹角，即在整个周期中，上冲程时间较长，下冲程时间较短。(4)电动机电动机是抽油机的动力源。由于常规游梁式抽油机负扭矩大以及扭矩波动不平缓，而造成了电动机工作不平稳、工作效率较低的现象。双轮直平式抽油机采用在轮上直接平衡的方法，使电动机在整个抽油过程中所要克服的扭矩就大为减少，那么电动机的实际功耗和装

21、机功率均有大幅下降。(5)结构尺寸在设计的过程中始终注意现行抽油机的结构尺寸，让双轮直平式抽油机尽量比现行抽油机型结构简单，以便于双轮直平式抽油机的制造、加工和维护，这样有利于该机型的市场经济效益。2.1.2 传动原理如图 2-l 所示，1 为电动机、2 为 V 带、3 为减速器、4 为曲柄、5 为连杆、6为平衡重、7 为双轮、8 为钢丝绳。电动机通过三角皮带传动带动减速箱，电动机的速度经减速箱减速后，再通过曲柄、连杆、轮将减速箱输出轴的旋转运动变为轮的往复旋运动，轮的往复旋转运动带动抽油杆作上下往复直线运动。大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文)8图 2-2 传动原理图实际上双轮直平式抽

22、油机的传动原理与常规机是一样的，双轮的后轮相当于常规机的游梁后臂，前轮相当于常规机的游梁前臂，抽油杆变成了弹性钢绳。主要运动部件如图 2-2 所示。图中 1 是曲柄，2 是连杆，3 是后轮。2.1.2 传动特点(1)该机采用双轮结构代替了常规游梁式抽油机的游梁，并且是双跨式，这样有利于修井作业，使之不必让开井口。(2)该机采用无游梁直接驱动，缩短了传动链，使传动效率提高到 90%。(3)平衡重直接连接在轮上，大副降低了悬点负荷，改善了连杆、曲柄的受力状态，使连杆和曲柄不易发生断裂，增加了使用寿命，提高了该机的安全可靠性。(4)增大了极位夹角，实现了“上慢下快”的运动方式，增加了泵的充满度，提高

23、了产液量。(5)由于采用了无游梁驱动，该机的整体结构比常规游梁式抽油机更加简单。2.2 基本参数拟定抽油设备的功用就是从一定的井深处抽出一定的数量的原油，所以，井深和产量就标志着抽油设备的工作范围。为了达到这两个目标，对抽油机的工作能力提出了四方面的要求，它们分别是悬点（挂抽油杆处）的最大悬点载荷、悬点最大冲程长度、悬点最大冲程次数和减速箱曲柄轴的最大允许扭矩。这就是抽油机的基本参数，下面分别来分析。2.2.1 悬点最大载荷确定悬点载荷是表明抽油机工作能力的重要参数之一，也是抽油机设计技术和选择使用的主要根据。目前，悬点的最大允许载荷 从 58kN 到 150280kN。maxP大庆石油学院华

24、瑞学院本科生毕业设计(论文)9根据悬点最大允许载荷 的变化范围，可把抽油机分为下列几种：maxP轻型抽油机： 30kNmax中型抽油机：30kN60KN.mmax将扭矩与冲程次数相乘可得抽油机的功率。按照抽油机的功率可将抽油机分为：小功率： 5kwmaxN中等功率：5kw100kwaN如图 2-4 所示，常规游梁式抽油机由于采用的是曲柄处平衡，悬点的最大载荷主要取决于抽油杆柱和油柱的重量，其上冲程的最大悬点载荷可达 60kN，因此可称之为重型抽油机。而本机型采用了在轮处大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文)16直接平衡，这样在上下冲程的载荷都只相当 20kN 左右，也就是只相当于常规式抽油

25、机的最大悬点载荷的 1 3.减速箱曲柄轴上的扭矩的计算公式 , 由于平衡重在轮上，所以：上冲程时，根据平衡原理：CPM图 2-4 力平衡图 下冲程时，此时 比 大，根据平衡原理：CPM= -CMP式中 M所需扭矩；平衡重产生的扭矩；C悬点载荷产生的扭矩。P本机型所采用的在轮处直接平衡，在上下冲程的悬点载荷都被平衡重所平衡一部分或全部平衡，所达到的效果是只相当于常规式抽油机的最大悬点载荷的1/3,并且在整个工作过程中 M 的值波动较小 。132.3 主要结构尺寸确定在设计这个抽油机的过程中，我们本着在原机的基础上进行设计，尽可能的保证与原有结构一样，因此设计出的抽油机的零件与常规机的零件具有通用

26、性，很多部分的结构与常规机结构相似，这样对于工人操作没有更多或者更高要求。对于结构尺寸的计算，为了准确，采用了计算机绘图和计算编程来实现，只需赋值销子所在半径，曲柄长，以及极位夹角计算机会自动算出连杆的长度，然后结合 AUTOCAD 绘图就能给出各个具体尺寸。如表 2-1 所示本机型的主要结构尺寸。表 2-1 抽油机的主要结构尺寸垂直中心距（m） 4.10水平中心距（m） 2.70游梁前臂长（悬点半径） （m） 1.50游梁后臂长（销子作用半径） （m） 1.70极位夹角（） 13连杆长度（m） 4.25大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文)17中心连线长（m） 4.9636轮转角（） 1

27、33曲柄回转半径（m） 1.0冲程（m） 3.0冲次（min ）1 9第 3 章 新机型的运动分析3.1 运动规律分析在分析悬点运动规律时，目前一般采用两种分析方法：一是简化分析方法；二是精确分析方法。简化分析方法可分为两种：一种是简化为简谐运动；而是简化为曲柄滑块机构。简化分析方法的研究结果可用于一般计算和分析。但是做精确的分析计算和抽油机机构设计时，则有必要按精确分析方法来研究抽油机的实际运动规律 。12在精确分析抽油机运动规律时，复变矢量法是一种比较简单的方法。根据所设计的抽油机的结构，我们对其进行了简化。如图 4-1 所示为双轮直平式抽油机的运动分析简图。下面我们就对它进行具体的运动分

28、析 12图 3-1 运动分析(1)曲柄转角 从 12 点钟位置算起，角速度沿顺时针方向时取为正值。(2)各杆件的参考角 等角度均从基杆算起，并且沿逆时针方向取为432、大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文)18正值。图中几何关系为：(3-1)1(sinK(3-2)2L= (3-3)2cosR(3-4)in(si21L(3-5)co3 CLP(3-6)2s214图 3-1 中各矢量有如下关系式：(3-7)_KPR上述矢量方程用复变矢量可表示为：(3-8)432eiii Ce将上式两边对时间求导可得：(3-9)432 iii KPR或： 443322 sincossincossincos Ci

29、iPiR (3-10) 令方程两边实部和虚部对应相等，则可得如下方程组(3-11)432coscscosCPR(3-12)iniin将上述联立方程两边对时间 t 求导，可求得速度，即：(3-13)sin(43223PR(3-14)i(43224C将上面两式对时间 t 求导，可求得加速度，即：大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文)19(3-15)cot()()cot()( 242434323 (3-16)t()()t()( 3232434324悬点速度 及加速度 可由下式算出：cVc= (3-17)A4c4A3.2 计算结果对比经过上面的分析，通过计算机计算得出结果，并与 CYJ10-3-5

30、3HB 常规游梁式抽油机的运动性能进行对比如下：表 3-1 运动性能对比表CYJ10-3-53HB 双轮直平式抽油机 下降率最大加速度 （m/ ）max2s2.024 1.651 18.4%最小加速度 ( m/ )in-1.180 -1.014 -14.1%最大速度 （m/s）maxV1.512 1.093 27.71%最小速度 （m/s）in-1.396 -1.781 27.75%从上表可以看出：最大加速度下降了 18.4%，最大速度下降了 27.7%，改善了运动性能，加速度的降低减小了抽油杆柱和油柱惯性载荷对悬点载荷的影响，降低了悬点载荷，改变了受力状态，使该机的可靠性能增大，同时悬点载荷

31、降低可以使曲柄销的受力变小，减小了曲柄轴上的扭矩。因此，可以减小电动机的能耗，实现节能。3.3 运动性能对比在实际井况参数下，双轮直平式抽油机与常规游梁式抽油机 CYJ10-3-53HB的运动曲线对比如图 3-2、图 3-3 所示，井况参数见表 3-2大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文)20表 3-2 井况参数冲程(m) 冲次(次) 泵挂(m) 沉没度(mm) 泵径(mm) 杆径(mm) 管径(mm)3 9 960.8 82.3 56 22 63.5常规游梁式抽油机 CYJ10-3-53HB：位移： 3.000m速度： =1.521 =-1.396mazVsminVs加速度： =2.02

32、4 =-1.180xA2iA2图 3-2 CYJ10-3-53HB 型游梁式抽油机运动曲线双轮直平式抽油机： 位移： =3.000mmazS速度： =1.093 =-1.781mazVsminVs大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文)21加速度： =1.651 =-1.014maxA2sminA2s图 3-3 双轮直平式抽油机运动曲线第 4 章 新机型的动力分析4.1 抽油机扭矩分析为了使悬点一定的载荷 P 和一定的抽汲方式（S 和 n）工作，减速箱曲柄轴就需要给出一定的扭矩，因此减速箱曲柄轴扭矩是游梁式抽油机的基本参数之一。实践证明，减速箱曲柄轴扭矩的大小和悬点载荷，各杆件长度的比值和抽

33、油机的平衡情况有密切关系。它的合理确定对减速箱的设计、电动机功率的选择和抽油设备正常工作条件的保证有重要意义，下面首先研究一下减速箱曲柄轴扭矩的大小和变化规律，然后根据扭矩来确定抽油机所需要配备的电动机的额定功率。减速箱曲柄轴上静扭矩的计算公式：(4-1)CPM式中 悬点载荷扭矩， = ；PMTF平衡重等效的扭矩C在常规式抽油机中：(4-2)sin()si(21LrTF由于常规式抽油机的平衡中是放在曲柄上进行平衡载荷，因此：(4-3)(i为 曲 柄 转 角CM在本机型中 与常规抽油机是一样的，差别是在平衡重的等效扭矩上，由于FT本机型的平衡重是在轮上，在整个过程中没有变化。因此平衡重的等效扭矩

34、可直接计算：=GR (4-4)C平衡重的确定：在上冲程的时候，连杆带动轮旋转，即把悬点向上提升，这个时候，平衡重能够平衡一部分的悬点载荷，在下冲程的时候，相当于悬点拖动大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文)22平衡重向下运动，这个时候平衡重的重量大于悬点载荷，连杆是推动轮向下运动，这个时候连杆的力相当于是在推动平衡重的一部分在向下运动，为了在整个过程中使扭矩的波动较小，使发动机在上冲程和下冲程所做的功尽量相等。图 4-1 抽油机的静力示功图利用图 4-1 的抽油机静力示功图进行计算：(4-5)RLPGRMLC211111）（ ）（ ）（ 油杆 油杆 杆杆 由于在前面的计算： =33133.

35、8N =25090N 杆P油=1.5m R=1.71L可得： =68.52kN.mCMG=40.305kN=4.11t（平衡重的质量）m通过采用计算机编程计算，输入已知常数和任意转角，计算机会自动为你计算出该角的扭矩因数以及转角时的扭矩值，根据所计算的扭矩值，画出该机的扭矩曲线图，如图 4-2 所示，对比于常规游梁式抽油机扭矩曲线，如图 4-3 所示。大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文)23双轮直平式抽油机：曲柄转矩 M( kN.m)最大扭矩：18.3 kN.m 最小扭矩：0 kN.m图 4-2 双轮直平式抽油机扭矩曲线常规游梁式抽油机 CYJ10-3-53HB：曲柄转矩 M( kN.m

36、)平衡扭矩： 63.00 kN.m曲柄最大扭矩： 76.179 kN.m 曲柄最小扭矩：-37.516 kN.m最大扭矩： 29.51 kN.m 最小扭矩：-12.52 kN.m图 4-3 常规游梁式抽油机 CYJ10-3-53HB 扭矩曲线大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文)244.2 电动机选择分析抽油机工作时，由悬点载荷及平衡重在曲柄轴（减速箱输出轴）上造成的扭矩与电动机输出给曲柄的扭矩平衡。因此，通过悬点载荷及平衡来计算曲柄轴扭矩，不仅可以检查减速箱是否在超负荷条件下工作，而且可以用来检查和计算电动机功率及功率利用情况。一定型号的抽油机所配备的减速箱都有允许的最大扭矩。在一定的情

37、况下，它既限制着油井生产所采用的最大抽油参数（S、 n、D 及 L）,同时又限制着为了保证大参数生产所需要的电动机功率。在生产中既不能只看选点最大载荷，而任意采用大参数生产 ，也不能单纯根据大参数抽汲的需要，而随意使用大功率电动机。例如，对于 5 型抽油机，一般选用的电动机功率最大不要超过2022Kw.。如果选用 2730 的电动机，则会出现两种情况：一是电动机过大，而功率利用不充分（电动机效率和功率因数都低） ；或者电动机在满载条件下工作，但抽油机必然在超载荷或超扭矩的条件下工作。虽然国外有些油田用天然气发动机做抽油机动力，但大多数抽油机则以电动机作为动力。因此，在抽油机井较多的油田上，用于

38、抽油的电能消耗量很大。抽油装置电动机的选择，一方面关系到电能的利用效率，另一方面将关系到能否充分发挥抽油设备和油层生产能力的问题。因此，电动机的选择是一件很重要的事情，它与扭矩、载荷等密切相关。现在电动机的选择是根据输出扭矩、额定功率来选择的。抽油机的电动机选择一般是通过均方根扭矩来计算的。电动机的功率与传递到减速箱从动轴（曲柄轴）上的扭矩关系为：(4-6)nNM950(4-7)21式中 传至曲柄轴上的扭矩， N.m；N电动机额定功率， Kw；N曲柄周转数（悬点冲次数） ， ；1min传动效率皮带传动效率1大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文)25减速箱传动效率2由上式就可以得到根据曲柄轴

39、上的扭矩确定所需要的电动机额定功率的计算公式为：(4-8)950MnN由上式可以看出：电动机工作时，实际在曲柄轴上所产生的扭矩和冲数决定所需要的电动机功率。但是曲柄轴扭矩整个工作过程中是变化的，而只在上、下冲程的某一瞬时达到最大值。在变负荷条件下，电动机的选择就不能根据瞬时扭矩来计算，否则电动机在大部分时间不能满载工作，起效率和功率因数都不高，电动机利用率不充分。在变载荷条件下，电动机的选择一般方法是根据负载电流或扭矩的变化规律，按均方根求出等值电流或等值扭矩来计算。则：(4-9)950nMNer式中 电动机额定功率， KW；rNn冲数， ；1min传动效率曲柄轴上的均方根扭矩，Nm；eM所谓

40、均方根扭矩，就是用一个不变化的固定扭矩代替变化的实际扭矩，使其电动机的发热条件相同，则此固定扭矩即为实际变化扭矩的等值扭矩。它可以计算得到的扭矩曲线或测得的瞬时扭矩来计算：(4-10)i neMd2212202.式中 M曲柄轴瞬时扭矩（随曲柄转角 而变） ，N.m；曲柄转角计算时取的间隙 越小，则计算越准确。的计算时，计算机充分显示了它的优越性， 你可以尽量的取小，这样e 大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文)26算出来的值就越准确。经过计算机的计算，得到： =13.1KwrN在计算扭矩的时候我发现本机型的扭矩在整个过程中的最大值较常规机减少了很多，且在整个过程中扭矩的无负值（消除了常规机

41、中出现的下冲程发动机反而接受能量的现象） 、变化不大、波动较小，达到了设计要求 。184.3 节电效果分析所谓节电率是指电动机有功功率的相对下降率，它表明在同等工况下，电动机在改造前后耗电的相对值，是衡量介电性能指标的主要指标。即：(4-11)%Ne式中 节电率；N, 为改造前，后电动机的输出功率，kW。eN当然，衡量节电指标除此之外，尚有米吨液耗电指标；从示功图上算出光杆功率，再求电动机输出功率等方法。但最直接的是测试电动机有功功率 。 14综上所述，由于该抽油机的均方根扭矩波动系数值有明显下降，所以电动机输出功率将会降低，也就节约了电能。扭矩波动幅度下降，说明扭矩变化较均衡，有利于改善电动

42、机的工况，进而提高其功率因数和电动机的工作效率。大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文)27第 5 章 新机型的应用分析5.1 新机型的意义当今世界，资源有限而匮乏，而对资源的消耗却永无止境且与日剧增，尤其是石油资源的消耗。进入 2008 年以来，由于政治、资源、外交等各种因素，国际原油价格再次猛烈上扬，一度相继突破 120、130、140 美元大关，但其迅猛涨势却丝毫没有降下来的趋势。石油价格的剧烈上涨对世界各个国家的经济发展和政治格局均造成不同程度的影响。由此牵连引发的物价上涨，居民消费水平上涨，货币贬值，股市下跌等直接关系到很多国家的发展甚至存亡，世界对石油的需求在日益上涨，固然对石油

43、价格的上扬显得非常的敏感而无奈，为了人类的可持续发展和生存， “节约”成为世界上很多国家的共识和一直倡导的主题，尤其是对于资源消耗大国，所以，节能降耗将是抽油机设计的永远主题。利用游梁式抽油机进行机械采油，在大庆约占 80%。据统计我国各油田在用游梁式抽油机近 7 万套，装机容量达 150 万 kW，每年耗电量 300 多亿度，是油田主要耗电设备，约占总耗电的 1/3。在黑龙江省耗电的最大户就是大庆。而在大庆，机械采油是耗电量最多的。目前，对大庆油田的常规抽油机进行改造不仅必要而且是各采油厂的迫切需要。目前，我国开采石油耗电指标与国外先进水平相比，还有很大差距，我国抽油机的运行效率特别低，平均

44、效率仅为 25.96%，而国外平均水平为 30.05%，年节能潜力可达几十亿千瓦时。在用的抽油机系统效率一般在 20%30%之间，因此，开展新型抽油机，替换常规机型是大势所趋，随着油田的不断开发，地层能量逐渐消耗，为了保证原油的稳产、高产，机械采油己经成为广泛采用的一种方法。我国有机采油井 5 万多口，占油井总数的 80%左右，抽油机井的耗电量占总耗电量的四分之一，由于抽油机井的系统效率较低，大量的能量(70%以上)在传递过程中损失掉，如果将抽油机井的系统效率提高 5%，年节电 2010e8 千瓦时，这不仅可节约大量资金，而且，还可以缓解油田电力紧张状况。如图 5-1 的对比表中可看出：(1)

45、双轮直平式抽油机在指定工况下，装机功率下降 66. 6%，实耗功率节电率32. 4%。大庆地区的常规机约 1. 7 万台，如果都该用这种抽油机每天节约的电费大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文)28将达到 120 多万元，每年按 365 天计算的话，每年节约的电费将超过 4600 万元。如果全国的近 7 万台常规抽油机都改成双轮直平式抽油机的话，每年节约的电费将高达 19 亿元。(2)减速箱曲柄轴扭矩峰值下降 37. 4%，这样所需减速箱可下降一、二个档次。在抽油机中减速箱的花费大约占整个抽油机成本的一半，降低了减速箱的档次就相当于把抽油机的成本大大降低，可以节省大量费用，即节省大量装机费

46、用。(3)双轮直平式抽油机的结构和常规抽油机相比，主要不同在于该机构没有驴头、游梁和曲柄平衡块，而是采用双轮代替驴头和游梁，直接平衡代替曲柄平衡。这样简化了结构，并且能够满足运动要求，使用寿命却不低于常规抽油机。通过简化结构，重量减轻，制造费用大副降低。同时保留了常规型抽油机的优点：结构简单、工作可靠及维修方便等。(4)此抽油机的零件与常规式抽油机具有通用性，很多部分的结构与常规抽油机相似，它保留了常规抽油机的基本结构，这样对于工人师傅没有更多甚至更高要求。表 5-1 新机型与常规式抽油机的运动、动力性能对比表双轮直平式抽油机 CYJ10-3-53HB 备注最大加速度 （ ）max2s1.65

47、1 2.024 18.4%最小加速度 （ ）in-1.014 -1.180 14.1%最大速度 （ ）maxvs1.093 1.512 27.71%最小速度 （ ）in-1.781 -1.3 27.5%最大悬点载荷 （kN）maxP43.690 52.562 16.4%最小悬点载荷 （kN）in19.084 22.028 13.4%最大扭矩 （kN.m）maxM18.3 29.251 37.4%最小扭矩 （kN.m）in 0 -12.520 100%电机功率 （Kw）rN11.1 18.205 39.0%注：泵挂 960.8m，沉没度 82.3m，泵径 56mm，杆径 22mm，管径 63.5mm5.2 新机型抽油机的特点