常规十型抽油机系统效率分析与节能改进工程硕士论文(编辑修改稿)

常规十型抽油机系统效率分析与节能改进工程硕士论文(编辑修改稿)内容摘要：

化方向发展； (12)向增大冲程方向发展； (13)向长冲程无游梁抽油机方向发展； (14)向精确平衡方向发展； ； (15)液压抽油机向功能回收型方向发展； (16)向标准化、 系列化、通用化方向发展 [8]。 研究目标 (1)改进后的常规十型抽油机与改造前相比其单机日均耗电量下降 15%以上； (2)在相同工况条件下，抽油机井的 地面 效率提高 20%以上； (3)改进后的抽油机安装方便，便于维护。 研究内容 (1)针对常规十型 抽油机 工作的典型工况进行系统的全效率分析，找出影响该第 1章 绪论 6 抽油机系统效率低的各种因素，针对主要因素对其进行设计改造。 (2)在现有文献的基础上，对我国开发研制的各种节能抽油机在其结构、运动特性、节能效果上进行对比和评价，选择一种高效的节能抽油机的结构形 式对常规抽油机进行节能改造。 (3)结合现有游梁抽油机的工作原理，对常规抽油机和节能抽油机的运动及动力性能、悬点载荷计算、减速箱曲柄转矩计算进行详尽的分析，为后续设计改造提高理论依据。 (4)对常规抽油机改造后的系统效率和节能效果进行评价。 技术路线 (1)分析国内常规型游梁式抽油机运动及平衡机理； (2)分析国内节能型游梁式抽油机运动及节能机理； (3)对比分析常规抽油机和节能抽油机的系统效率； 7 第 2 章 游梁式抽油机 基本 理论 游梁式抽油机的工作原理是：电动 机将电能转换为旋转运动，再经过减速箱减速后，利用四连杆机构将旋转运动转变为直线往复运动 ， 通过驴头、悬绳器、光杆、抽油杆带动深井泵抽油 [3]。 游梁式抽油机的基本工作理论 包括：运动学分析、悬点载荷计算、平衡问题、减速器输出轴的扭矩计算和抽油机功率的确定。 本章叙述的基本工作理论是基于抽油机曲柄旋转角速度等于常数这一基础之上的。 游梁式抽油机运动 学 分析 [9][10] 游梁式抽油机运动分析的 主要任务是：求出驴头悬点的位移、速度和加速度随时间变化的规律，为载荷分析和扭矩计算提供运动学依据。 在曲柄角速度等于常数 的情况下，问题也就归结为求解悬点位移、速度和加速的随曲柄转角的变化规律。 本章对抽油机理论的研究均以 后置式 常规游梁式抽油机 (如图 )为例进行讨论。 1 驴头； 2游梁； 3 横梁； 4 连杆； 5曲柄； 6 减速器 7 电动机； 8刹车； 9 底座； 10支架；11 悬绳器； 12 光杆卡瓦； 13 吊绳 ； 图 常规游梁式抽油机结构图 第 2章 游梁式抽油机基本理论 8 游梁式抽油机四杆机构的几何关系 为了便于研究，对抽油机四杆机构的参数采用下列符 号表示 (如图 )： A：游梁前臂长 度， m； C：游梁后臂长度 , m； P：连杆长度， m； R：曲柄半径， m； K：极距，减速器输出轴中心到游梁支撑中心的距离， m； H：游梁支撑中心到底座底部的高度， m； I：游梁支撑中心到减速器输出轴中心的水平距离， m； J：曲柄销轴承中心到游梁支撑中心的距离， m； G：减速器输出轴中心线到底座底部的高度， m； θ：曲柄转角，以曲柄半径 R 处于 12 点钟位置作为零度，沿曲柄旋转方向度量； φ ：零度线与 K 的夹角，由零度线到 K 沿曲柄旋转方向度量； β： C 与 P 之间的夹角； α： P 与 R 之间的夹角； ψ： C 与 K 之间的夹角 ； ψt：光杆在最高位置时， C 与 K 之间的夹角； ψb：光杆在最低位置时， C 与 K 之间的夹角； χ： C 与 J 之间的夹角； ρ： K 与 J 之间的夹角； θk： K 与 R 之间的夹角，由 K 到 R 沿曲柄旋转方向度量； ω：曲柄旋转角速度 s1； n： 冲 次 min1。 为了便于分析计算，特规定 本 章 所有计算式中的 “177。 ”号的意义是： “+”号用于曲柄顺时针方向 旋转，“ ”号用于曲柄逆时针旋转。 则常规型游梁式抽油机几何关系计算式如下： )( GH Iar ctg  ()  k () kKRRKJ c o s2222  () 9 )2a r c c o s ( 222 CP JPC  () )2a rc c o s ( 222 CJ PJC  ()  JR k sina rc sin () k  )( ()   ()   CK RPKCb 2 )(a r c c o s 222 ()   CK RPKCt 2 )(a r c c o s 222 () 图 常规游梁式抽油机机构运动简图 第 2章 游梁式抽油机基本理论 10 游梁式抽油机运动特性分析 (1)悬 点位移 悬点位移： Si=Aδi =A( b  ) () 悬点最大位移： AS =A( t b ) () 位置因数 PR ：tbbiiSSPR    () (2)悬点速度 利用速度瞬心法 (见图 )可得 图 速度瞬心法图解  sinsinRvB  () 式中 602 n 游梁摆动的角速度 )( 1sb 为：  sinsinCRb  () 11 悬点速度 v(m/s)： sinsinRCAA b  () 无因次速度 ： sinsinCRS  () (3)悬点加速度 游梁摆动的角加速度 b ： )c o ss inc o s( s ins in 1 22  ddddCRdtd bb  () 悬点加速度 ： bAa  () 无因次加速度 ： Saa2 () (4) 游梁式抽油机运动特性 抽油机悬点的位移、速度和加速度均是曲柄转角θ的周期函数，其大小和变化规律反映 了抽油机的运动特性，对抽油机的悬点载荷以及减速器输出轴的扭矩特性均有较大影响。 当抽油机曲柄半径相对于其它杆长来说很小时 (R/C、 R/P、 R/K→ 0)悬点运动可近似看成为简谐运动。 位置因数以及无因次速度和无因 次 加速度的计算公式可简化为： )cos1(21 PR ()  sin21 () cos21a () 上、下 死点位置时的实际加速度与按 简谐 运动公式计算出的加速度之比值称为运动指标 ,用 am 表示 . 下死点时的运动指标 : 21 )/(1/1 CR PRm a  () 上死点时的运动指标 : 第 2章 游梁式抽油机基本理论 12 22 )/(1/1 CR PRm a  () 运动指标越接近 1,悬点的实际运动规律越接近 简谐 运动 .运动指标 am 取决于游梁式 抽油机四连杆机构的杆长比值， R/P 与 R/C 越小 , am 越接近 1,而这也意味着相同冲程长度下四连杆机构的尺寸也越大。 游梁式抽油机的悬点载荷 [9][10] 游梁式抽油机通过抽油杆柱带动井下抽油泵工作时，在抽油机驴头悬点上作用有三类载荷： (1)静载荷 ， 是 包括抽油杆柱自重以及油管内外液体静压力作用于抽油泵柱塞上的液柱静载荷。 (2)动载荷 ， 是 由于抽油杆柱和油管内液体作不等速运动而产生的杆柱动载 荷以及作用于柱塞上的液柱动载荷。 (3)各种摩擦阻力产生的载荷。 在抽油机驴头悬点上下往复运动过程中，载荷作周期性变化，反应悬点载荷随其位移变化规律的图形称为光杆示功图。 在抽油机设计中，对示功图的分析是十分必要的。 悬点静载荷与静力示功图 (1)抽油杆柱自重 LqW rr  () 式中 rW —— 抽油杆柱自重， kN ； rq —— 每米抽油杆柱自重， mkN/ ； L —— 抽油杆柱总长或挂泵深度， m。 抽油杆柱在液体中的自重： rfrrfr WWW )1 2 ()1(   () 式中 f —— 井液密度， 3/mt ； 13 r —— 抽油杆密度，对钢制抽油杆 r = 3/mt。 (2)作用于柱塞的液柱载荷 pfPff AgHAhLgW 0)(   () 式中 pA —— 柱塞面积， 2m ； g —— 重力加速度， g = 2/sm ； h —— 泵的沉没深度， m ； 0H —— 油井动液面深度， m。 (3)悬点静载荷 上冲程悬点静载荷 1jW 为： frj WWW 1 () 下冲程悬点静载荷 2JW 为： rj WW 2 () (4)静力示功图 在由下冲程转为上冲程时，抽油杆柱伸长 ； 在由上冲程转为下冲程时 ， 抽油杆柱缩短。 伸长或缩短的变形量 r 为： LWEEA LW frrfr  () rr EAE1 () 式中 r —— 抽油杆柱静变形， m ； rA —— 抽油杆截面积， 2m ； E —— 抽油杆钢材弹性模量， 108 2/mkN ； rE —— 抽油杆弹性常数，1)( kN。 当油管底部不锚定时， 在由下冲程转为上冲程时，油管柱缩短 ； 在由上冲程转为下冲程时，油管柱伸长。 其静变形量 t 为； 第 2章 游梁式抽油机基本理论 14 LWEEALW fttft  () tt EAE1 () 式中 t —— 油管柱静变形， m ； tA —— 油管截面积， 2m ； tE —— 油管弹性常数， 1)( kN。 总的静变形量  ：rftrtr WLEE  1)(  () 式中  为变形分配系数，rtr EE /1 1  () 抽油泵柱塞的有效冲程长度 ： SSp () 图 静力示功图 在上冲程开始阶段的静变形期内，悬点载荷由 rW 逐渐上升，到静变形结束时(即悬点位移等于  时 )，达到 fr WW 。 在下冲程开始阶 段的静变形期内，悬点载荷由 fr WW  逐渐减少，到静变形结束时 (即悬点位移等于 S 时 )，又减小到 rW。 15 这就是悬点静载荷随悬点位移的变化规律，用图形表示 ，称为静力示功图 (如图)。 它代表了悬点载荷变化的基本规律，是悬点载荷计算的基础，也是分析实 际示功图的基础。 悬点动载荷与动力示功图 (1)动载荷计算 抽油杆柱和液柱在不等速运动过程中产生惯性力而作用于悬点的载荷称为动载荷。 上冲程 动载荷：gaWWWWW frfdrdd )(1  () 下冲程动载荷：gaWW。