【摘要】：隨著世界科技的發(fā)展,人們對石油能源的需求只增不減。目前大多數(shù)需要人工舉升的油井均依靠有桿式類別的游梁式抽油機進行采油。游梁式抽油機具有結(jié)構(gòu)簡單、運行穩(wěn)定等優(yōu)點,但它采油所消耗的電能占油田總電能消耗的40%以上。造成耗能嚴(yán)重的原因是波動率較大的負載增加了電動機選型的裝機功率,導(dǎo)致電機具有較低的負載率與效率。據(jù)統(tǒng)計,抽油機電動機在一個完整工作周期內(nèi)的平均功率因數(shù)僅為0.448,效率不到50%。因此,游梁式抽油機的低負載率與耗能嚴(yán)重問題亟待解決。通過對國內(nèi)外大量文獻進行閱讀與分析,目前針對游梁式抽油機的節(jié)能手段主要有改進抽油機的結(jié)構(gòu)、采用節(jié)能驅(qū)動設(shè)備與采用節(jié)能控制器,其中,由于我國油田大多數(shù)采用的均為游梁式抽油機,將抽油機結(jié)構(gòu)進行調(diào)整不易于國內(nèi)大范圍的普及,適用性較弱;采用節(jié)能驅(qū)動設(shè)備與節(jié)能控制器固然可以起到一定的節(jié)能效果,但對負載率的平衡效果有限,未完全發(fā)掘節(jié)能潛力,且無法有效抑制倒發(fā)電現(xiàn)象�；谝陨戏治�,本文設(shè)計了基于液壓混合動力的游梁式抽油機輔助節(jié)能系統(tǒng),該系統(tǒng)不僅可以對全國大范圍的游梁式抽油機進行節(jié)能使用推廣,而且可以有效回收驢頭勢能,改善系統(tǒng)負載率及效率,實現(xiàn)大幅節(jié)能。本文的研究內(nèi)容如下:首先分析了游梁式抽油機的基本結(jié)構(gòu)與工作原理,推導(dǎo)了抽油機結(jié)構(gòu)的幾何關(guān)系并得到驢頭懸點的運動規(guī)律,通過對懸點所受靜載荷與動載荷進行分析與求解,繪制示功圖;繼而對抽油機傳動機構(gòu)進行受力分析,求解曲柄軸的扭矩變化規(guī)律。選取某型號抽油機作為研究對象,于Pro/E中進行結(jié)構(gòu)建模,并導(dǎo)入Adams軟件中進行運動學(xué)與動力學(xué)仿真,得到游梁式抽油機懸點運動規(guī)律與曲柄軸扭矩變化規(guī)律曲線,為后文的建模與仿真奠定基礎(chǔ)。為了保證節(jié)能系統(tǒng)具有較強的適用性,對液壓節(jié)能系統(tǒng)采用并聯(lián)式混合動力結(jié)構(gòu)。液壓混合動力節(jié)能系統(tǒng)可以收集驢頭下沖程釋放的勢能,并將其在上沖程時進行釋放,緩解了電動機軸的等效負載波動率較大的情況。對液壓節(jié)能系統(tǒng)的核心元件進行建模;以電機能耗最低為目標(biāo)函數(shù),根據(jù)變量初始值與變化范圍,采用模擬退火算法對混合動力節(jié)能系統(tǒng)關(guān)鍵元件進行參數(shù)匹配,得到參數(shù)優(yōu)化結(jié)果。根據(jù)所述液壓系統(tǒng)節(jié)能原理與關(guān)鍵元件的數(shù)學(xué)模型,在AMESim中進行模型建立;采用Adams與AMESim聯(lián)合仿真方法實現(xiàn)負載模擬計算。通過分析仿真結(jié)果證實液壓節(jié)能系統(tǒng)的參數(shù)匹配與優(yōu)化效果良好,節(jié)能效果顯著,有效降低了電機軸負載的等效扭矩與電機的裝機功率,大幅提升電機效率,節(jié)省了近25%的電能。為了簡化控制系統(tǒng)輸入?yún)?shù),提高系統(tǒng)可靠性及降低工程信號采集成本,建立最簡控制模型�；陔姍C能量流的數(shù)學(xué)模型,采用遺傳算法對模型參數(shù)進行優(yōu)化辨識,并通過Simulink進行理論模型搭建,結(jié)合實驗數(shù)據(jù)對比驗證最簡控制模型可行性。最簡控制模型可以把MISO系統(tǒng)簡化為SISO系統(tǒng),提高控制器響應(yīng)速度,降低系統(tǒng)故障發(fā)生率,具有極大工程實踐意義。
【圖文】：

目前的石油汲取主要來自陸上油田，我國共有約 70000 多口陸上采油井去其中少量的自噴井外，大多數(shù)人工舉升油井均通過抽油機進行機械手段。因此，采油方式主要有兩種：一是自噴井的自噴采油，其汲取原理是通然力量將原油進行舉升；二是人工舉升采油，由于大多數(shù)油井的油液無法自然能量完成自噴，所以需要人工施加能量將這些石油進行汲取。目前需用人工舉升采油的油井占總油井?dāng)?shù)目的 90%，而在這些油井中，有 90%的采用了抽油機等配套設(shè)備進行原油采集。抽油機分為有桿式和無桿式兩大類中有桿式抽油機占抽油機總數(shù)的 85%以上。有桿式抽油機可以根據(jù)是否具梁的結(jié)構(gòu)特征再進一步細分，無游梁式抽油機具有較多不易解決的技術(shù)缺成本高、制造難度大、部分零件使用壽命短等，反之，游梁式抽油機因其簡單、運行穩(wěn)定、可靠性能較好等優(yōu)點占據(jù)主要有桿式抽油機份額。詳細油方式比例如圖 1.1 所示。

吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文梁式抽油機實物如圖 1.2 所示，其驅(qū)動原理是通過電動機帶動減構(gòu)，從而將旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本�運行。在運動的轉(zhuǎn)變過程中，能量傳動連接，具有一定的能量傳遞消耗，，但該消耗的部分占總消耗抽油機大部分的電能損失主要由電動機的輕載運行所導(dǎo)致，驢頭曲柄軸上的等效扭矩平均值約為最大值的三分之一左右，波動率致抽油機的工作負載特性曲線與電動機的特性無法合理匹配。目式抽油機均采用普通三相異步電機，為保證電機提供足夠轉(zhuǎn)矩，凈扭矩峰值選型，導(dǎo)致電動機的裝機功率選擇過高，電機長時間狀態(tài)，效率較低，加劇能耗。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TE319;TE933.1

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本文編號：2621121