本科生毕业论文 题 目： 数字化抽油机的改进 学生姓名： 刘延鹏 系 别： 机电工程系 专业年级：机械设计制造及其自动化10级一班 指导教师： 伍泳川 2014年 5月 26日 摘要 数字化抽油机是针对一些油田数字化建设施工难、安装工作量大、设备集成度低，油田现场危险性大，难度高等问题而设计的具备远程控制和数据采集功能的抽油机。 数字化抽油机能够自动调节冲次和平衡，使得油田的建设成本大幅度的节约，积极地推动了油田的数字化建设。在这里，我将数字化抽油机作简要的介绍，并结合传统的抽油机讨论数字化抽油机的优势与改进，并对数字化抽油机的一些问题提出部分解决措施。 关键词：传统抽油机、发展方向、数字化抽油机、技术创新与优势、存在问题 Abstract: The digital oil pumping machine is for some digital oilfield construction difficult,large workload of installation, equipment integration is low, the oil field is of great danger, oil pumping with remote control and data acquisition functions designed higher difficulty. The digital oil pumping machine can automatically adjust the speed and the balance, the oil field construction cost is greatly saved, and actively promote the construction of digital oilfield. Here, I will digital pumping unit are briefly introduced, and combined with the traditional oil pumping machine discussed advantages and improved digital pumping oil machine, and puts forward some measures to solve the problems of digital oil pumping machine. Keywords: traditional pumping unit, the direction of development, digital oil pumping machine, technology innovation and advantage, existing problems. 目录  第一章 绪论 随着油田的发展，有杆抽油技术取得了突破性的进展，尤其是近十几年来，科学工作者不断的开展对新型节能抽油机的研究，在理论和实践上均取得了很大的进展。越来越多的新型抽油机相继研制成功，对油田的发展做出了贡献。目前在用的有杆式抽油机主要分为以下几类： 目前，抽油机的发展趋势主要有以下几个方面： 1.1朝着大型化方向发展 随着世界油气资源的不断开发，开采油层深度逐年增加，石油含水量也不断增加，采用大泵提液采油工艺和开采稠油等都要求使用大型抽油机。因此，国外近几年来出现了许多大载荷的抽油机，例如前置式气平衡抽油机最大载荷213，气囊平衡抽油机最大载荷227。随着生产的需要，将来还会有更大载荷的抽油机出现。 1.2朝着低能耗方向发展 为了减少能耗，提高经济效益，近年来国、内外有关专家研制了许多节能型抽油机，如异相型抽油机、双驴头抽油机、摆杆抽油机、渐开线抽油机、磨擦换向抽油机等。 1.3朝着高适应性方向发展 抽油机应具备较高的适应性，以便拓宽其使用范围，例如适应各种自然地理和地质构造条件抽油的需要；适应各种成分石油抽汲的需要；适应各种类型油井抽汲的需要；适应深井抽汲的需要；适应长冲程的需要；适应节电的需要；适应无电源和间歇抽汲的需要；适应优化抽油的需要等。 1.3朝着自动化和智能化方向发展 20世纪90年代以来，以华北石油第一机械厂和新疆第三机床厂为代表的抽油机生产厂家，率先应用游梁变矩平衡原理，在传统的常规游梁式抽油机基础上进行了大胆的创新，研制成功了新一带的节能高效游梁式抽油机。实现了10型以上的大型抽油机有功节电30%，装机功率下降50%的目标，从而开创了游梁式抽油机节能的新时代。抽油机是石业的用电大户，其用电量约占油田总用电量的40%左右。由于抽油机负载一般呈周期性波动，空载和满载时负载相差很大，但是功率并没有什么差别，很多的电能浪费在空载的时候，所以常规抽油机负载率低，抽油机的系统效率也很低，据统计最高不超过30%，电能浪费严重。随着油田的开发，抽油机的投入量日益增加，提高抽油机的效率，降低抽油机的能耗问题显得越来越突出，于是各式各样的新型抽油机便应运而生。目前国内、外已有近百家厂商研制数字化游梁式抽油机。 目前，我国生产抽油机的厂家有几十家，产品主要是以游梁式抽油机为主，其研制和开发的各种节能型游梁式抽油机，如偏置式节能抽油机、双驴头异型抽油机、偏轮式高效节能抽油机、渐开线抽油机均以在全国各油田得到了一定的推广应用，并取得了显著的经济效益。 另外，高转差电机等节能电米博体育 米博官网机在提高系统效率和节能方面有较大效果，但是造价较高，难以代替普通异步机。在长期的油田使用中，人们普遍认为常规游梁式抽油机既有它的优势，也有能耗高的缺点。为克服常规抽油机能耗高的缺点，目前国、内外研究者主要采取了两个途径：一是在常规游梁式抽油机的基础上改变结构尺寸参数，即改变扭矩因数使悬点扭矩曲线产生变位，或按照变矩平衡原理，研制开发了许多节能高效的新型数字化节能游梁式抽油机，使传统的游梁式抽油机又呈现出了强大的生命力；另一个是从原理到结构形式上另辟新径，研制开发非四连杆机构的新型节能抽油机，如立式无游梁抽油机、新型数字化游梁式抽油机等。这两大抽油机都已在油田上被广泛采用。 第二章 传统抽油机概述及抽油机的发展方向 2.1传统抽油机概述 2.1.1游梁式抽油机。游梁式抽油机分为常规抽油机和异性游梁式抽油机。游梁式抽油机具有性能可靠、结构简单、操作维修方便等特点。但游梁式抽油机总体效率低。同时石油开采的主要采油设备，它的用电量占整个油田的40%以上，浪费了大量电网容量，导致能源的大量浪费，使得油田开采的成本居高不下。系统来说，游梁式抽油机存在以下缺点： 2.1.2传动效率低； 2.1.3游梁式抽油机增大冲程会导致外形和总计重量的增加； 2.1.4游梁式抽油机在作业时加速度大，造成较大的惯性载荷，缩短了抽油机的使用寿命。 2.2链条式抽油机，链条式抽油机是一种惯性载荷米博体育 米博官网小、冲程长度大、重量较小的节能电机。但同样，有着不可避免的缺陷； 2.2.1寿命较短。 2.2.2机箱内部件容易损坏。 2.2.3液压抽油机，液压式抽油机惯性载荷小，运动性能好，但共可靠性与适应性较差，应用并不广泛。 2.抽油机的发展前景 各种传统的抽油机存在的主要问题是系统效率低、能耗高。以游梁式抽油机为例，国内的游梁式抽油机，总效率平均低于30%，系统效率低下、能耗高、单井产量低成为个个油田面临的难题，节能降耗、现自动化智能化作业成为油田发展主要方向。为了更好地推动油田的发展，适应油田的节能降耗的发展要求，能耗低、性能强、长冲程无梁就成为了抽油机的主要发展方向。 第三章 数字化控油技术的功能及创新 数字化抽油机可以通过软件设定平衡度，当采集的传感器数据经过计算之后，就会自动启动平衡电机使数字化控油机调整到最佳平衡状态。 3.1.自动调节冲次：数字化抽油机在运行过程中，使用功图油量软件数据接口取得泵功图或泵充满度的数据，并采用最佳冲次技术所设计的判定软件对所得数据进行计算，根据计算结果给变频器发送指令，调整电动机输入频率，使抽油机冲次调整到最合理状态。 3.2.调整冲程：数字化控油机调整冲程的技术吸取了原弯梁变距控油机在调整冲程技术上的成果，无需吊车配合，只需要人工来调整曲柄销装置在曲柄上的位置即可完成对抽油机冲程的调整。 3.3语音提示及语音报警技术：在抽油机实际作业时，语音提示系统能够根据操作指令实现语音提示及报警，为油田作业的安全提供了保证。 3.4.实现软启动和过载保护软启动降低了抽油机启动惯性载荷，降低了抽油机的装机功率，降低了电网容量。 3.5.能够根据操作时间抽油机的远程启停。 3.6.通过更换传统抽油机的弯梁、控制柜和附件，能够完成对传统抽油机的数字化改造，在提高效率、节约能耗的同时降低了成本。 3.7技术特点 3.7.1抽油机整机结构安全可靠，操作方便，继承了调径变距游梁平衡抽油机可靠的主体结构，电机和控制柜布置与原理井口的减速器后端，既提高了油井火灾的安全性又便于维修更换。悬点失载防撞装置布置在底座后端。围栏将运动件运行空间完全隔离，现场安装方便快捷。刹车、控制柜在抽油机侧面与配种箱运行轨迹之间的距离安全合理，操作者站位视线开阔，便于一人操作。 3.7.2平衡自动调节装置设计灵活可靠，便于操作。在平衡臂上增加了移动平衡箱机构，具有自动调节、手操电动调节和人工手摇调节平衡等三种调节方式。设计中增加了移动平衡箱行程限位上、下开关，提高了安全性和可靠性。 3.7.3设备安装快捷方便。将平衡电机、角位移、限位开关的电缆集成为一根，通过专用插头快速链接，可避免接错线现场操作、维护保养的程序与常规抽油机基本一致，只需常备的通用工具就能完成。对采油工进行短时间的技术培训就能掌握，采用皮带轮装置减轻了现场操作工人的劳动强度，减少了工作量，同时还缩短了停井时间。 3.8关键技术 3.8.1平衡自动调节技术 新型数字化抽油机游梁平衡装置以常规调径变距抽油机的平衡机构为基础，通过采集抽油机的三相电参数，依据抽油机功率发的平衡法则，实时或者定时判断抽油机的平衡度，RTU根据平衡度情况，分析、判断和计算抽油机移动配重箱的移动方向与移动位置，准确调节平衡，同时防止驱动装置（平衡电机）在断电或发生故障的情况下平衡装置不能自动调节，在驱动装置设置手动操作机构，可实现手动调节平衡。 3.8.2冲次自动调节技术 抽油机根据油井示功图计算、对比、判断供液情况。根据液量和泵效情况确定变频器的调节频率，通过实时或者定时自动调节变频器的频率大小来调节抽油机的冲次快慢，最终达到最佳供液和冲次匹配运行，使得抽油机在最佳工况下运行抽油机冲次调节范围达到1.5~5.0min，满足油井低产运行的需要。 3.8.3变频器自动升频技术 当抽油机电机的定子转速高于转子的转速，系统出现能量反馈时，变频器采用开环矢量控制，仅对电机转速及系统频率进行监控，在监控范围内不干预电机运行，避免了变频器能耗制动造成的过压现象，同时也起到了节能的作用。 3.8.4设计简介 1.设计是用数学规划的理论和方法，借助电子计算机高速计算和强力逻辑判断的能力，从满足工程问题要求的一切可行方案中，按照预期的目标，自动寻求最佳方案的设计技术和方法。它能综合处理并最大限度的满足从各个不同角度提出的甚至互相矛盾的技术要求。设计是现代机械设计方法的重要组成部分。设计方法与机械工程技术相结合形成了机械设计这一学科，它在机械产品设计进程中，能从多方面帮助设计者进行技术决策，以寻求最佳方案，从而能极大的提高设计质量，米博体育缩短设计周期，提高经济效率。游梁式抽油机是油田应用最多的抽油机机型，是油田抽油机的主要市场，也是油田耗能、费用的支出大项。因此设计性能优良，满足油田要求，制造成本低，运动、动力性能优，节能效果好的抽油机占领市场一直是抽油机厂家、抽油机研究单位追求的目标，进行抽油机结构参数优化设计研究就是为了达到这一目的而开展的。 2.本实用新型涉及一种数字化抽油机智能控制系统，其集工频与变频无缝切换、冲次自动优化控制、平衡度自动调节、配重检测、无线远程监控及数据存储、能量控制等功能为一体，数字化抽油机智能控制系统包括ＲＴＵ控制单元，传感检测单元，变频控制单元，工频控制单元，调平衡系统；传感检测单元的输出端与ＲＴＵ控制单元连接；ＲＴＵ控制单元分别通过变频控制单元、工频控制单元与抽油机主电机连接，ＲＴＵ控制单元通过调平衡系统与调平衡小电机连接具有运行稳定、可靠性高、无需维修、操作简单等特点，能够满足油田恶劣的自然环境及供电系统，在最低能耗的条件下保证油井最大产量，真正实现了节能增产的效果，节能率可达３０％～５０％。 3.8.5系统机构组成 无线油井遥测系统主要有井口采集仪表设备、RTU机柜、通讯链路、监控中心设备组成一套（SCADA)数据采集、通讯自动化控制系统。该系统选用了高性能，高可靠性的的RTU模块和检测仪表，具有大容量、低功耗、高可靠性、高安全性的优点。使用短距离无线通信技术，由此带来施工简化、调试维护简单，建设周期短等。控制柜与中控室采用用232或485的接口的无线电台、GPRS/CDMA或无线网桥组成网络，不受距离的限制。 第四章 数字化抽油机载荷能力实验 新153-64井电能及示功图3所示。新153-64井采用8型新型数字化抽油机，其最大载荷是75.64kN，负载率94.55%，冲次1.62min、电流平衡度1.05，功率平衡度0.871，最大上/下行电流8.39A/8.8A，动态平衡运行，配重箱处在后臂中间位置还有向远端移动增加配重的能力。 现场实验结果说明，数字化抽油机（移动平衡）在额定载荷的50%~100%范围内均能通过智能控制柜将抽油机运行工况调整到动态平衡状态，载荷范围广，动态平衡状态下运行平稳。该系列机型变频优化状态下与工频状态下相比，系统效率高、节电效果好。通过现场同井、同机等条件下测试五口井证明新型数字化抽油机平均系统效率提高6个百分点，系统节电率为18%。 整机载荷运行记录 电机型号 Y180L-8 减速器型号 CJH/FSL750Χ26HB 冲程（m） 3 2.4 冲次（次/分） 5 3.5 悬点载荷（KN） 80 100 运转时间（h） 100 2 问题及情况处理 无异常响声及发热现象 一切就绪后2h超负荷运转正常 平衡调节系统运行记录 平衡调节机 型号 PHTJJ8-10 传动比 29:1 额定输出扭矩 188N.m 运行条件 运行位置 抽油机整机停在上死点位置，吊臂在最低点 吊臂配重箱 安装活动配重块440Kg 移动配重箱 安装活动配重块660 Kg 运转时间 2h 问题及情况处理 移动配重箱上下不间断运转，传动系统运转平稳，未出现异常响声，上下限位开关功能可靠。 整机外观性能检测记录 序号 检测项目 技术要求 检测结果 1 整机运转平稳性 整机运转平稳可靠，不得有不正常响声 平稳可靠 2 成品各部分可靠性 各连接部分可靠，不得有任何松动 无松动 3 成品各部分密封性 各密封处不得有任何渗漏 无渗透 4 两曲柄与从动轴链接键面积 80% 87% 5 刹车机构可靠性 150N 120N 6 剪刀差 ≤6mm 2mm 7 支架顶部纵向振幅 ≤6mm 3mm 8 支架顶部横向振幅 ≤5mm 2mm 9 悬点投影 φ16 φ10 10 整机噪声 ≤85dB 45dB 11 皮带轮平稳性 不得抖动 无抖动 12 包装 标志明显、牢固可靠 标志明显 13 外露金属件便面 平整光滑 平整 14 组合件 连接准确、美观大方、焊缝均匀平整、焊缝处应清除焊渣和金属飞溅物 平整美观 15 涂漆 均匀光亮、平整、无气泡、无漏漆 均匀光亮、平整、无气泡 16 螺栓外露 外露螺栓整齐 整齐 17 铸件不加工表面 圆滑过渡、平整美观 平整美观 18 锻件不加工表面 光滑、平整、美观 平整美观 19 减速器箱体和箱盖合箱处边缘 平齐、错位不大于2~3mm 1.5mm 20 各法兰连接处 错位不大于外径的1% 1% 21 丝杠传动系统 运转正常、转动平稳 合格 22 丝母机械强度 丝母承受的双向轴力和双向扭矩 符合图纸要求 23 安装尺寸、易损件尺寸 同型号安装尺寸，易损件基本尺寸应符合专业标准的规定 符合标准 第五章 数字化控油技术在实际应用中所存在的问题及解决办法 5.1.油田的数字化抽油机启停技术是在传统抽油机控制启停的按钮上加了装远程控制设备，已达到自动启停，但在抽油机自动停机的过程中，可能会出现由于抽油机平衡不好而在最高点停机的情况，这种情况可能导致翻车等重大安全事故。在自动启动时，会有启动提示，提示现场工作人员离开，从而使抽油机安全启动，避免出现安全事故。但如果出现刹车刹住，现场却无人值守时，会导致烧毁电机以及供电电路的事故，而现场有工作人员，操作失误则可能造成恶性的人员伤亡事故。 5.2.当井与井之间距离太近时频点应分开，否则数据会相互影响，测试时刻也应岔开； 5.3.监控设备应可靠接大地（包括外接RS485隔离保护、电源隔离保护模块）才能保证该设备可靠防浪涌、抗雷击保护等； 5.4.当对设备进行维护调试时应停井拉闸，以保证人员和设备的安全； 5.5.该设备目前只能安装使用在相电压为220v 范围内的井，若用在高压井(如线v 等)则电源需另外供，且3相线需各增加一分压电阻才可接到端子上（由于接线端子耐压不够，高压直接接到端子上会烧坏设备）。 5.6.当冲次在2冲以上，测试时长设为1分钟即可，当冲次低于2冲时，时长设为2分钟即可。 5.7.电流接线.除冲次与平衡需要现场调试外，其他设置在出厂时已经调试完毕，操作人员在没有经过培训前请不要随意更改平衡与频率以外的设置，以免设备发生故障。本机可自动监测并实时显示抽油机的平衡状况，便于将抽油机调整到最佳平衡状况，降低峰值电流，达到保护减速器和节能的目的。 需要注意的是：控制柜面板操作时，本地手动优先于远程操作，即：当旋钮在手动位置时进行本地操作，这时远程操作不能进行；当本地设置全部完成后，将旋钮转到“自动”位置，方可进行上位机远程操控。 第六章 结语 6.1.新型数字化抽油机是在调径变矩抽油机基础上开发的，具有结构简单，安全可靠，维护操作方便，灵活的优点。平衡调节范围满足抽油机额定载荷的50%~100%，具有自动调节、手操电动和人工调节等三种调节方式。 6.2.该系列机型变频优化状态下与工频状态下相比，系统效率高，节能效果好，能够实现收益最大化的循环冲次调整。在分析油井产液量、泵充满度与冲次的关系基础上，确定了合理的油井最大产液能力和冲次方法，以确保产量的同时实现了节能。测试表明，新型数字化抽油机平均系统效率提高了6个百分点，平均节电率为18%。 6.3.智能控制系统具有示功图与电参数同步采集、电参数辅助诊断功能。控制柜及其系统平台能运用电能曲线进行平衡分析，能进行示功图反演、校核载荷传感器的漂移情况，同时能够诊断分析抽油杆、皮带和减速器等部件的工作状态，其保护功能完善。 6.4.新型数字化抽油机的设计开发兼顾老式油田抽油机数字化改造，进一步夯实数字化抽油机的应用基础，满足油田数字化建设和油井生产运行的需要，为油田数字化管理向纵深发展提供了强有力的支撑，具有良好的推广应用前景。 6.5.现场安装井场地基示意图： 致谢 在此论文撰写过程中，要特别感谢我的导师的指导与督促，同时感谢他的谅解与包容。没有老师的帮助也就没有今天的这篇论文。严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人，求学历程是艰苦的，但又是快乐的。感谢我的班主任老师，谢谢他在这年中为我们全班所做的一切，他不求回报，无私奉献的精神很让我感动，再次向他表示由衷的感谢。在这年的学期中结识的各位生活和学习上的挚友让我得到了人生最大的一笔财富。在此，也对他们表示衷心感谢。 在此，我还要感谢和我一起在车间工作的同志们，谢谢你们这半年来对我生活上的照顾。还有工作上的支持。正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。特别感谢我的师傅，他对本课题做了不少工作，给予我不少的帮助。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们! 行文至此，我的这篇论文已接近尾声；岁月如梭，我四年的大学时光也即将敲响结束的钟声。离别在即，站在人生的又一个转折点上，心中难免思绪万千，一种感恩之情油然而生。最后还是想对你们说谢谢你们！ 12

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