Вопрос 4.26. 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.

Полагая уровень пластовой жидкости у приема скважинного на­соса, найдем, что при ходе штанг вверх статическая нагрузка в точке подвеса штанг равна:

а при ходе вниз:

где Р_шт - вес колонны штанг в жидкости;

- вес столба жидкости над полной площадью сечения плунжера.

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

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

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

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.

-180-

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

(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.

Вопрос 4.27. 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 применяют уравновешивающие устройства, состоящие из грузов, установленных на балансире и роторе.

Определим вес груза на балансире, при котором установка будет уравновешена. Воспользуемся для этого элементарной теорией. 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.

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

Если в уравновешенном станке-качалке А_B = А_H то, приравнивая правые части уравнений, получим:

G= .

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

-181-

-182-

(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). Уравновешивающий груз монтируют на кривошипе. При ходе штанг вверх и вниз работа двигателя будет равна:

Приравняв правые части уравнений, получим (полагая, что а = b):

Но S = 2 ·r, а 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 устанав­ливают уравновешивающий груз G (рис. 4.38).

Вес груза на роторе определяется следующим образом:

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

,

где - перемещение точки подвеса штанг;

- перемещение центра тяжести на балансире по вертикали. Определим величину груза , задавшись значением веса груза G. Для этого, приравняв правые части уравнений, получим:

-183-

Но тогда получим приближенно:

(4.26)

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

(4.27)

Комбинированное уравновешивание применяют в основном на средних по мощности станках-качалках, где использование балансирного уравновешивания привело бы к появлению значительных сил инерции от противовеса.

Уравновешенность установки контролируют замером величины тока электродвигателя, максимальные значения которого при ходе штанг вверх и вниз должны быть одинаковыми.