4.25. Принцип уравновешивания станка-качалки

Работа привода ШСНУ сопровождается возвратно-поступательным перемещением колонны штанг. Определим работу, которую должен совершить двигатель в течение цикла работы скважинного насоса - при ходе штанг вверх и вниз. При этом пренебрежем силами трения и инерционными составляющими усилий.

Примем, что пластовая жидкость находится на уровне приема скважинного насоса, поэтому при ходе штанг вверх статическая нагрузка в точке подвеса штанг будет определяться по формуле:

Р_в=Р_шт+Р_ж,

а при ходе вниз:

Р_н=Р_шт,

где Р_шт - вес колонны штанг в жидкости;

Р_ж - вес столба жидкости над полной площадью сечения плунжера.

При ходе штанг вверх работа, которую необходимо затратить, расходуется на подъем столба жидкости (совершение полезной работы) и на подъем колонны штанг (увеличение ее потенциальной энергии):

А_в=l(Р_шт+Р_ж).

При ходе штанг вниз полезная работа по подъему пластовой жидкости не совершается, а выделяется накопленная потенциальная энергия:

А_н= -lР_шт.

В результате за полный цикл работы установки совершенная работа будет равна:

A_∑=А_в+А_н = lР_ж.

Таким образом, полезная работа, совершаемая в течение двойного хода точки подвеса штанг, определяется работой по подъему- столба жидкости на длину хода точки подвеса штанг.

В том случае, если привод установки не содержит устройств, аккумулирующих потенциальную энергию колонны штанг при их ходе вниз и отдающих ее при ходе штанг вверх, то мощность приводного двигателя должна выбираться исходя из величины работы при ходе точки подвеса штанг вверх.

Соотношение мощностей двигателей установок с одними и теми же режимами работы, но отличающимися отсутствием или наличием уравновешивающего устройства, будет следующим:

(4.22)

Для наиболее часто используемых сочетаний колонн штанг и скважинных насосов это соотношение изменяется в пределах от 5 до 9 и более, что означает, что мощность двигателя неуравновешенного привода должна быть в 5 - 9 раз больше, чем мощность двигателя уравновешенного.

Уравновешивающее устройство должно обладать достаточным запасом энергоемкости и иметь возможность изменять ее величину в зависимости от конструкции внутрискважинного оборудования, используемого в ШСНУ.

4.26. Грузовое уравновешивание станка-качалки

Как уже отмечалось, равномерная нагрузка приводного двигателя штанговой насосной установки возможна только при наличии уравновешивающего устройства. В балансирных станках-качалках наиболее широко применяются уравновешивающие устройства, состоящие из грузов, установленных на балансире и роторе.

Определим вес груза на балансире, при котором установка будет уравновешена. Механическая работа сил инерции на полированном штоке будет равна нулю, так как при его разгоне силы инерции будут иметь положительный знак, а при торможении — отрицательный.

Рис. 4.36- Кинематическая схема балансирного станка-качалки с балансирным уравновешиванием

При установке на балансире в точке В уравновешивающего груза G (рис. 4.36.) механическая работа при ходе вверх и вниз будет соответственно равна (полагаем, что переднее плечо балансира равно заднему):

А_в = S(P_ж + P_шт)-GS; A_н = -Р_шт + GS.

Если в уравновешенном станке-качалке А_в =А_н, то получим:

Поскольку в реальных станках-качалках груз устанавливается в точке С, то с учетом различных длин плеч балансира вес уравновешивающего груза будет равен:

(4.23)

Описанный способ уравновешивания называется балансирным. Он прост, но его основным недостатком является появление дополнительных инерционных сил, обусловленных наличием массы груза G. Инерционные силы отрицательно сказываются на работе всех деталей установки.

Этого недостатка нет у роторного способа уравновешивания (рис. 4.37.).

Рис. 4.37. Кинематическая схема балансирного станка-качалки с роторным уравновешиванием

Уравновешивающий груз G_р монтируется на кривошипе. При ходе штанг вверх и вниз работа двигателя будет равна:

А_в=S(P_шm+P_ж)-2G_pR; A_н= -Р_штS + 2G_pR.

При а = b из этих уравнений получим:

Т. к. S = 2r, то с учетом различной длины плеч балансира получим приближенно вес роторного груза:

. (4.24)

Приняв стандартное значение роторного груза , перемещая его по кривошипу, определим место его установки по формуле:

(4.25)

При роторном уравновешивании инерционные усилия, возникающие при движении грузов, воспринимаются только подшипниками кривошипного вала и при его постоянной угловой скорости вращения не передаются на другие детали установки.

При комбинированном уравновешивании на балансире устанавливается уравновешивающий груз G (рис. 4.38.).

Рис. 4.38. Кинематическая схема балансирного станка-качалки с комбинированным уравновешиванием

Вес груза на роторе определяется ниже описанным способом.

При ходе штанг вверх и вниз работа, затрачиваемая двигателем, равна:

A_в=S_A(P_шm+P_ж)-GS_в-2G_PR;

А_н = -P_штS_A +GS_в +2G_PR ,

где S_A - перемещение точки подвеса штанг;

S_в - перемещение центра тяжести на балансире по вертикали.

Определим величину груза G_р, приравняв правые части уравнений:

Но , , тогда получим приближенно:

(4.26)

Приняв стандартное значение роторного груза , определим место его установки по формуле:

(4.27)

Комбинированное уравновешивание применяется в основном на средних по мощности станках-качалках, где использование балансирного уравновешивания привело бы к появлению значительных сил инерции от противовеса. Уравновешенность установки контролируется замером величины тока электродвигателя, максимальные значения которого при ходе штанг вверх и вниз должны быть одинаковыми.