抽油机超高转差率电动机的应用研究

论文摘要

目前,油田的开采都是通过抽油机抽取地下的石油,因此国内油田对抽油机的需求量非常大。然而,据统计在油田生产成本中约有三分之一为电能消耗,其中抽油机消耗的电能约占总电能消耗的80%。驱动电动机是抽油机消耗电能的主要设备,年耗电量超过百亿KWh。所以对抽油机的机械系统和电气控制系统进行节能改造,最大限度地挖掘抽油机的节电潜力,可带来相当可观的经济效益。采用超高转差电机作为抽油机的驱动电机,是现有改进抽油机系统的主要措施之一。这种电动机的特点是转子电阻较大,起动转矩得到有效提高,安装容量得以降低;机械特性软,遇到换相冲击载荷时,转速下降,靠曲柄惯性作用,减速器和电动机的扭矩变化趋于平缓,峰值扭矩明显降低,从而改善了机、杆、泵的配合,提高了泵的充满系数,增加产液量,达到系统节能的目的。此外,抽油机的工作过程中,驱动电机有时会处于发电状态,对供电网的电能质量造成很大危害。超高转差率电机能够有效避免发电状态的出现,从而减小对供电网的冲击,保证供电质量。本课题以抽油机节能改造中驱动电机节能为出发点,从超高转差率电动机的机械特性、起动转矩等方面,对该类型电动机驱动抽油机的优势进行了理论分析。此外,本文还从能量平衡的角度,以抽油机中的动能平衡理论为基础分析了电机转差率对抽油机节能的影响。最后,本文结合抽油机运动分析和抽油机曲柄运动曲线,以抽油机载荷系数为目标函数,编写了优化计算程序,从而实现了对适合某一井况下抽油机的驱动电机的最优转差率的定量计算,并以此作为设计或者选配超高转差率电动机的依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 抽油机及其节能设备简介
• 1.2 国内、外抽油机节能技术发展概况
• 1.2.1 现有抽油机主要存在的问题
• 1.2.2 抽油机节能技术及发展情况
• 1.3 研究本课题的理论意义及应用价值
• 1.3.1 本课题的目的和意义
• 1.3.2 本课题研究的主要内容
• 1.3.3 本课题研究的理论意义及应用价值
• 2 抽油机系统节能分析
• 2.1 抽油机运行现状
• 2.1.1 现有抽油机的工作原理
• 2.1.2 抽油机系统现状
• 2.2 抽油机井系统能耗分析
• 2.2.1 系统效率计算
• 2.2.2 系统能耗状况分析
• 2.3 抽油机的节能方式
• 2.3.1 油田节能的原则
• 2.3.2 电气节能方式
• 2.3.3 节能方式的选择策略
• 3 超高转差率电动机节能原理分析
• 3.1 抽油机驱动电机的工作特性
• 3.1.1 工作特性分析
• 3.1.2 抽油机用电动机存在的问题
• 3.2 超高转差率电动机的特性
• 3.2.1 系统描述
• 3.2.2 超高转差电动机的特性分析
• 3.3 动能平衡原理
• 3.3.1 抽油机载荷的均衡方法与特点
• 3.3.2 超高转差率电动机与动能的释放
• 3.3.3 抽油机的动能分析
• 3.4 最优转差率
• 3.4.1 最佳曲柄角速度
• 3.4.2 最佳曲柄转差率及电机最优转差率
• 4 抽油机动力分析
• 4.1 常规抽油机的几何参数
• 4.2 减速器曲柄轴净扭矩计算
• 4.2.1 减速器曲柄轴净扭矩的计算公式
• 4.2.2 曲柄净扭矩公式分析
• 4.3 扭矩因数的计算
• 4.4 悬点静载荷的计算
• 5 优化算法求解转差率
• 5.1 最优转差率优化函数
• 5.1.1 选择决策变量
• 5.1.2 确定目标函数
• 5.1.3 确定约束条件
• 5.2 优化算法
• 5.2.1 Matlab 及其优化工具
• 5.2.2 最优化问题的分类
• 5.2.3 惩罚函数法
• 5.3 优化程序及结果
• 5.3.1 编写目标函数
• 5.3.2 选择优化工具箱
• 5.3.3 优化结果
• 5.3.4 结果分析
• 6 总结与展望
• 致谢
• 参考文献