一種新型轉矩檢測技術及其在抽油機示功圖中的應用
吳強，廖勇
（重慶大學輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室，重慶400044）
摘要：針對目前油井示功圖贏接測量方法存在傳感器易損壞和工序復雜等不足，建立了年}基于電參數間接測量示功圖的模型。從交流電機的數學模型人手，推導了靜止二相直角坐標系下轉矩與電壓、電流的關系式，進而實現了只需檢測電機的定子線電壓、線電流即可準確辨識出交流電機的瞬時轉矩。由電機的瞬時轉矩計算出懸點載荷，提出了通過曲柄旋轉角信號來獲取抽油機懸點載荷與懸點位移對關系的新方法。給出了油井現場的試驗結果，并將間接測量的示功圖與直接測量的示功圖進行對比，證明了轉矩檢測方法和間接模型的正確性和有效性，可以用于分析抽油機井的工作狀況。
關鍵詞：抽油機；示功圖；轉矩檢測
0 引 言
油井示功圖是油井工作狀態的重要表征，可以全面反映抽油機的運行狀況及原油的開采情況。在考察油井單位時間的產量、跟蹤地下油藏區塊的動態情況、評價和預測油井區塊的開發潛力、總體分析和把握油田的全局產能情況等方面，油井示功圖是一個不可缺少的現場數據。常用的實測示功圖方法通過安裝載荷和位移傳感器直接測量，該方法受到傳感器價格昂貴、受沖擊后易損壞、使用壽命短及人為破壞嚴重的限制，并且安裝傳感器要求抽油機停機，這將會影響抽油機的采油工作。因此間接測量油井示功圖的方法逐漸引起人們的重視。
針對目前油井示功圖測量方法所存在的問題，文獻[7]提出了通過測取油管受力圖來獲取示功圖，但油管上反映的液柱載荷很難正確反映懸點載荷的變化。文獻[8]提出了根據電機實測輸入功率曲線預測抽油機懸點載荷來繪制示功圖的方法，但該方法需要人工判斷下死點位置，影響計算的準確性。文獻[9]采用在抽油機游梁和支架鏈接處附近安裝兩個微動開關來檢測光桿的死點位置，進而獲取電機功率與光桿位移的對應關系，但由于微動開關和游粱之間存在機械摩擦，使用壽命有限，并且在間接測量前需要一組已知示功圖作為修正曲線。文獻[io]提出了通過轉速法與抽油機的機械特性曲線相結合來實現抽油機示功圖間接測量，但其計算電磁扭矩時使用修正的工程公式，影響計算準確性，且需要先安裝載荷傳感器來計算抽油機的機械特性曲線。
通過對游梁式抽油機的結構及工作原理進行分析可知，抽油機工作時，由懸點載荷及平衡重在曲柄軸上造成的扭矩與電動機輸給曲柄的扭矩相平衡。因此，可以通過曲柄軸扭矩及平衡來計算懸點載荷。由此，本文提出了通過測量電機的線電壓和線電流參數，由電機的數學模型人手在二相直角坐標系下辨識電動機軸轉矩，然后計算曲柄軸扭矩和懸點載荷，并同時采集曲柄旋轉角信號來得到懸點載荷與懸點位移的關系，從而實現抽油機示動  1 系統基本原理
游梁式抽油機主要由游梁一連桿一曲柄機構、減速箱、動力設備和輔助裝置等四部分組成。抽油機多以電動機為原動力，通過皮帶和減速箱帶動曲櫥作低速旋轉。曲柄通過連桿經橫粱帶動游梁作上下擺動，掛在驢頭上的懸繩器帶動抽油桿柱作上下往復運動。
(1)抽油機電機運行狀態分析。游梁式抽油機是一種特殊的交變載荷，因此電機負載轉矩呈正負波動變化。在抽油機的一個沖程周期中，上沖程時，平衡塊下落釋放能量，抽油桿提升吸收能量。抽油機所需功率為：
當p懸上> p曲放時，p上為正值，電機從電網吸收能量，運行在電動狀態；
當p懸上<p曲放時，p±為負值，電機加速進入發電狀態。
下沖程時，平衡塊上舉吸收能量，抽油桿下落釋放能量。抽油機所需功率為：
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