抽油机电机能量平衡理论与试验研究

论文摘要

有杆抽油是应用最为广泛的传统采油方式,在国内外占有很大比例。其工作原理是靠抽油机抽油杆拖动抽油泵柱塞上下往复运动,实现抽油；上冲程时抽油机拖动抽油杆柱和油柱向上运动,载荷比较大,而下冲程时抽油机在抽油杆柱的拖动下向下运动,载荷小。因而抽油机所受载荷变化剧烈,为此常对抽油机平衡,而目前常用的机械平衡方式平衡不够彻底,还存在较大扭矩波动和负扭矩。故抽油机电机扭矩变化也较大、还存在超转速现象,造成了电机效率低下。由于增大转动惯量能够降低电机的转速波动、提高电机运行效率,本文从改变电机转动惯量的角度出发,从理论和试验两个方面研究增加电机转动惯量对电机效率的影响。根据抽油机的结构特点建立悬点运动及动力分析数学模型,计算悬点速度、加速度随曲柄转角的变化关系；以抽油机曲柄为等效转动构件,计算抽油机在一个周期的等效转动惯量。根据电机扭矩和转速关系建立方程,应用微分法求解电机在增加转动惯量前后的转速和转矩变化情况。并根据电机转速和效率的关系曲线,研究增加转动惯量对电机效率的影响。依据理论分析的结果,提出了利用飞轮来增加转动惯量的抽油机电机能量平衡装置设计方案,研制了两种型号的飞轮平衡装置。室内模拟试验表明,随抽油机冲次载荷的变化,电机的节能效果亦不同。现场的4口井的对比试验表明,CNB-II型抽油机电机能量平衡装置平均综合节电率达17.5%,最大功率降低29%；具有较理想的节能效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 创新点摘要
• 前言
• 第一章 抽油机载荷与电机机械特性的匹配性分析
• 1.1 常规游梁式抽油机运动及动力特性
• 1.1.1 游梁式抽油机运动分析
• 1.1.2 悬点运动规律
• 1.1.3 游梁式抽油机悬点载荷分析
• 1.1.4 游梁式抽油机减速箱曲柄轴扭矩计算
• 1.2 三相异步电动机的机械特性
• 1.2.1 电动机转矩
• 1.3 抽油机与电动机的匹配性分析
• 1.4 本章小结
• 第二章 游梁式抽油机电机平衡理论研究
• 2.1 游梁式抽油机固有转动惯量的计算
• 2.1.1 曲柄及其平衡块的质心和转动惯量
• 2.1.2 中间部件的质心和转动惯量
• 2.1.3 摆动部件质心和转动惯量
• 2.1.4 抽油机等效力学模型
• 2.2 游梁式抽油机运动分析
• 2.2.1 机械系统的运动方程式
• 2.2.2 机械系统运动方程的几种基本形式
• 2.2.3 抽油机运动方程式的求解
• 2.3 抽油机系统转动惯量与电机效率分析
• 2.3.1 电动机输出功率和电动机效率的关系
• 2.3.2 飞轮转动惯量与电动机效率分析
• 2.3.3 增加转动惯量与降低电机装机功率关系的研究
• 2.4 本章小结
• 第三章 能量平衡装置的试验研究
• 3.1 能量平衡装置的设计方案
• 3.2 能量平衡装置的设计
• 3.2.1 飞轮的设计
• 3.2.2 飞轮轴的设计
• 3.2.3 带传动的设计
• 3.2.4 离合器的设计
• 3.2.5 滚动轴承的选用
• 3.3 试验研究
• 3.3.1 室内试验
• 3.3.2 现场试验
• 3.3.3 试验结果分析
• 3.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 发表文章
• 致谢
• 详细摘要