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摘 要：油田生产中抽油机平衡调整方法较多，每种方法的调整效果不同。分析了评价抽油机平衡的3个基本准则，指出3个评价标准均可通过提取抽油机单冲程功率曲线中的信息获得。对抽油机调平衡后，使其同时满足3个基本准则时，可认为抽油机处于理想的平衡状态。现场试验测试和数据分析表明：采用准则二中的功率法调平衡后，抽油机可同时满足准则一和准则二，并接近准则三的要求，可实现抽油机平衡调节。
关键词：游梁式抽油机；平衡准则；功率法；电流法
由于游梁式抽油机复杂的机械运动，使抽油机的平衡调整存在较大的难度。目前的油田生产中，抽油机平衡的评价标准通常采用“电流法”，当下冲程最大电流与上冲程最大电流之比在80%～110%时，认为抽油机处于平衡状态。然而，电流法检验抽油机平衡时会出现假平衡现象，这是由于抽油机下冲程时会产生电机倒发电现象，而钳形电流表采用的电流互感器无法判断电流的相位导致误判，生产实践已经证明这种方法无法准确评价抽油机的平衡。因此，电能法、示功图法、平均功率法、曲柄轴转矩法等相关方法被广泛讨论。为达到节能、延长减速箱寿命、操作简便的综合目标，本文讨论了抽油机平衡评价准则原理，指出抽油机平衡的3个基本准则。若抽油机运行中能同时满足3个平衡准则时，则抽油机工作状态最佳，处于较节能的状态。
1 抽油机平衡判断原则
根据《游梁式抽油机平衡的评价标准》中规定，电流法和平均功率法是抽油机调平衡的方法，但这2种方法都可归于基本准则：1）准则一：抽油机的电动机在上、下冲程中对外做功相等。2）准则二：悬点上、下冲程中减速箱曲柄轴峰值转矩相等。3）准则三：整个冲程中减速箱曲柄轴转矩的均方根值最小。（1）准则一。这一准则通常用于游梁式抽油机平衡装置的设计，根据此准则可计算出平衡装置所储存或释放的能量A0为
A0=（Au+Ad）/2 （1）
式中：Au为上冲程抽油杆柱下落所做的功；Ad为下冲程提拉抽油杆柱和油柱所做的功。A0可通过抽油机的实测示功图，或者利用静力示功图求得。电动机在上、下冲程中对外做功可转化为电动机的输出电能，而电动机输出电能与输入电能成正比。因此，可通过测量电动机上、下冲程的输入电能是否相等来判断抽油机平衡状态，也称为电能法。式（2）表示电动机功率曲线的上冲程所包围面积和下冲程所包围的面积相等，即上、下冲程电动机对外做功相等。则有
（2）
式中：Iu、Id为上下冲程的输入电流；U 为输入电压；cosφ 指电动机功率因数；t为抽油机工作时间。当下冲程与上冲程对外做功之比在80%～110%时，则认为抽油机平衡。（2）准则二。这一准则通常用于游梁抽油机的平衡状态检验与调整，但减速箱曲柄轴的转矩测量比较繁琐，通常可根据实测的光杆示功图及转矩因数表来绘制转矩曲线。这样的测量过程不利于现场的实际应用。由于电动机的输入电流和功率与减速箱曲柄轴转矩近
似成正比，因此人们通常比较上冲程和下冲程的电流峰值和功率峰值来取代曲柄轴转矩峰值。
（3）准则三。调整抽油机平衡是为延长抽油机使用寿命，即希望减速箱曲柄轴输出转矩最小。在不平衡的抽油机上，曲柄轴输出转矩通常有正有负，因此转矩的平均值Ma无法反应实际的载荷，通常采用均方根转矩Mf来反映减速箱曲柄轴的载荷情况。均方根转矩与平均转矩之比为周期载荷系数，其反映载荷转矩的波动程度。均方根转矩和平均转矩的表达式为
从节能角度分析，若使抽油机最节能即使电动机的变动损耗最小，而变动损耗与电流的平方成正比，电动机的电流取决于载荷转矩。因此，要求电动机载荷转矩的均方根值最小。只要保证曲柄轴转矩的均方根值最小，就能保证电动机负载转矩均方根值及电流的均方根值最小，即电动机工作在节能状态。因此，曲柄轴的均方根转矩最小时，抽油机可安全节能地工作。电动机的载荷转矩通常不易测量，但功率容易测量。对于转差不大，转速变化较小的电动机，近似认为电动机转速与曲柄轴角速度是常数，曲柄轴转矩与电动机输入功率大体成正比。
可利用电动机的均方根功率的极小值作为判据对抽油机平衡率进行调节。只有当功率曲线傅里叶级数的正弦分量占主要作用时，这种调节方式才能起到较好的效果。
2 调整判断方法
2.1 电流法
尽管电流法测试抽油机平衡时会出现假平衡状态，但这种方法简单，仍被采油单位所采用。实际应用时对非平衡抽油机进行调整，
（3）
式中：ΔR 为达到平衡时平衡块的移动量；Mmax为抽油机最大转矩；Wb为平衡块重；Wmax、Wmin为悬点最大和最小载荷；S 为冲程；n为冲次。该方法适用于现场抽油机平衡状态较好情况，当抽油机严重不平衡时，此方法无法有效调整平衡。
2.2 功率法
功率法是通过测量电动机的功率变化曲线，分析抽油机的平衡情况，当下冲程和上冲程最大功率的百分比在80%～100%之间时，则认为功率平衡，此值通常不大于100%。这种判断方法与电流法原理相同，但该方法可以克服抽油机的假平衡现象，即当抽油机带动电动机发电时，测量的功率曲线为负值。
3 调整原则比较
由以上分析可知：准则一采用抽油机上、下冲程功率曲线的面积比；准则二采用上、下冲程功率曲线的峰值比；准则三是对功率曲线进行傅里叶级数展开，使抽油机工作时电动机均方根功率取得极小值。任何一种平衡准则都与电动机功率曲线相关，因此，通过对功率曲线进行分析可实现抽油机平衡率调节。当抽油机处于良好平衡状态时，曲柄轴转矩曲线等效于功率曲线。抽油机的上、下冲程是对称的，采用准则一和准则二来判断平衡率将得到相同的结果，而准则三需要滤除曲线的一阶正弦分量，得到不同的功率曲线。若对新功率曲线
采用准则一和准则二时，将与原功率曲线得到不同的平衡率；而准则二仅考虑上、下冲程的峰值功率，信息量偏少，在实际应用中与准则一得到的平衡结果存在差别。由此可见，采用3种平衡准则分别调节抽油机时，将得到3种不同的平衡效果，具体哪种情况下的平衡效果最好目前还未有统一定论。若通过调节抽油机平衡块，使其同时满足3个基本准则，则可认为抽油机处于理想平衡状态。
参考文献：
1.金伟，高增海等.抽油机平衡测试方法的研究与改进[J].石油机械，2001，29.
2.侯立功，刘超，陶明.双驴头抽油机平衡调整的简易方法[J].油气田地面工程，2008.
关键词：游梁式抽油机；平衡准则；功率法；电流法
由于游梁式抽油机复杂的机械运动，使抽油机的平衡调整存在较大的难度。目前的油田生产中，抽油机平衡的评价标准通常采用“电流法”，当下冲程最大电流与上冲程最大电流之比在80%～110%时，认为抽油机处于平衡状态。然而，电流法检验抽油机平衡时会出现假平衡现象，这是由于抽油机下冲程时会产生电机倒发电现象，而钳形电流表采用的电流互感器无法判断电流的相位导致误判，生产实践已经证明这种方法无法准确评价抽油机的平衡。因此，电能法、示功图法、平均功率法、曲柄轴转矩法等相关方法被广泛讨论。为达到节能、延长减速箱寿命、操作简便的综合目标，本文讨论了抽油机平衡评价准则原理，指出抽油机平衡的3个基本准则。若抽油机运行中能同时满足3个平衡准则时，则抽油机工作状态最佳，处于较节能的状态。
1 抽油机平衡判断原则
根据《游梁式抽油机平衡的评价标准》中规定，电流法和平均功率法是抽油机调平衡的方法，但这2种方法都可归于基本准则：1）准则一：抽油机的电动机在上、下冲程中对外做功相等。2）准则二：悬点上、下冲程中减速箱曲柄轴峰值转矩相等。3）准则三：整个冲程中减速箱曲柄轴转矩的均方根值最小。（1）准则一。这一准则通常用于游梁式抽油机平衡装置的设计，根据此准则可计算出平衡装置所储存或释放的能量A0为
A0=（Au+Ad）/2 （1）
式中：Au为上冲程抽油杆柱下落所做的功；Ad为下冲程提拉抽油杆柱和油柱所做的功。A0可通过抽油机的实测示功图，或者利用静力示功图求得。电动机在上、下冲程中对外做功可转化为电动机的输出电能，而电动机输出电能与输入电能成正比。因此，可通过测量电动机上、下冲程的输入电能是否相等来判断抽油机平衡状态，也称为电能法。式（2）表示电动机功率曲线的上冲程所包围面积和下冲程所包围的面积相等，即上、下冲程电动机对外做功相等。则有
（2）
式中：Iu、Id为上下冲程的输入电流；U 为输入电压；cosφ 指电动机功率因数；t为抽油机工作时间。当下冲程与上冲程对外做功之比在80%～110%时，则认为抽油机平衡。（2）准则二。这一准则通常用于游梁抽油机的平衡状态检验与调整，但减速箱曲柄轴的转矩测量比较繁琐，通常可根据实测的光杆示功图及转矩因数表来绘制转矩曲线。这样的测量过程不利于现场的实际应用。由于电动机的输入电流和功率与减速箱曲柄轴转矩近
似成正比，因此人们通常比较上冲程和下冲程的电流峰值和功率峰值来取代曲柄轴转矩峰值。
（3）准则三。调整抽油机平衡是为延长抽油机使用寿命，即希望减速箱曲柄轴输出转矩最小。在不平衡的抽油机上，曲柄轴输出转矩通常有正有负，因此转矩的平均值Ma无法反应实际的载荷，通常采用均方根转矩Mf来反映减速箱曲柄轴的载荷情况。均方根转矩与平均转矩之比为周期载荷系数，其反映载荷转矩的波动程度。均方根转矩和平均转矩的表达式为
从节能角度分析，若使抽油机最节能即使电动机的变动损耗最小，而变动损耗与电流的平方成正比，电动机的电流取决于载荷转矩。因此，要求电动机载荷转矩的均方根值最小。只要保证曲柄轴转矩的均方根值最小，就能保证电动机负载转矩均方根值及电流的均方根值最小，即电动机工作在节能状态。因此，曲柄轴的均方根转矩最小时，抽油机可安全节能地工作。电动机的载荷转矩通常不易测量，但功率容易测量。对于转差不大，转速变化较小的电动机，近似认为电动机转速与曲柄轴角速度是常数，曲柄轴转矩与电动机输入功率大体成正比。
可利用电动机的均方根功率的极小值作为判据对抽油机平衡率进行调节。只有当功率曲线傅里叶级数的正弦分量占主要作用时，这种调节方式才能起到较好的效果。
2 调整判断方法
2.1 电流法
尽管电流法测试抽油机平衡时会出现假平衡状态，但这种方法简单，仍被采油单位所采用。实际应用时对非平衡抽油机进行调整，
（3）
式中：ΔR 为达到平衡时平衡块的移动量；Mmax为抽油机最大转矩；Wb为平衡块重；Wmax、Wmin为悬点最大和最小载荷；S 为冲程；n为冲次。该方法适用于现场抽油机平衡状态较好情况，当抽油机严重不平衡时，此方法无法有效调整平衡。
2.2 功率法
功率法是通过测量电动机的功率变化曲线，分析抽油机的平衡情况，当下冲程和上冲程最大功率的百分比在80%～100%之间时，则认为功率平衡，此值通常不大于100%。这种判断方法与电流法原理相同，但该方法可以克服抽油机的假平衡现象，即当抽油机带动电动机发电时，测量的功率曲线为负值。
3 调整原则比较
由以上分析可知：准则一采用抽油机上、下冲程功率曲线的面积比；准则二采用上、下冲程功率曲线的峰值比；准则三是对功率曲线进行傅里叶级数展开，使抽油机工作时电动机均方根功率取得极小值。任何一种平衡准则都与电动机功率曲线相关，因此，通过对功率曲线进行分析可实现抽油机平衡率调节。当抽油机处于良好平衡状态时，曲柄轴转矩曲线等效于功率曲线。抽油机的上、下冲程是对称的，采用准则一和准则二来判断平衡率将得到相同的结果，而准则三需要滤除曲线的一阶正弦分量，得到不同的功率曲线。若对新功率曲线
采用准则一和准则二时，将与原功率曲线得到不同的平衡率；而准则二仅考虑上、下冲程的峰值功率，信息量偏少，在实际应用中与准则一得到的平衡结果存在差别。由此可见，采用3种平衡准则分别调节抽油机时，将得到3种不同的平衡效果，具体哪种情况下的平衡效果最好目前还未有统一定论。若通过调节抽油机平衡块，使其同时满足3个基本准则，则可认为抽油机处于理想平衡状态。
参考文献：
1.金伟，高增海等.抽油机平衡测试方法的研究与改进[J].石油机械，2001，29.
2.侯立功，刘超，陶明.双驴头抽油机平衡调整的简易方法[J].油气田地面工程，2008.