巴西油田科技人員曾研制出一種新型扭矩測量儀，其優(yōu)點(diǎn)是噪音小，在強(qiáng)震環(huán)境中性能良好，可安裝在任何旋轉(zhuǎn)軸上，其扭矩誤差低于1%，傳統(tǒng)的測量儀在最好的運(yùn)行條件下的誤差為10%。這一技術(shù)為確定梁式泵減速器扭矩提供了一種新方法，為油田技術(shù)人員和管理人員開拓科研思路，具有較強(qiáng)的借鑒性、實(shí)用性和指導(dǎo)性。
新儀器：消弭扭矩誤差
目前，世界上超過八層的油井仍然使用梁式泵采油，但其減速器輸出軸超扭矩問題一直未能得到解決。當(dāng)扭矩超過額定值時會損壞價值為機(jī)械抽油機(jī)(MPU)總成本的50%的變速箱，使其報廢，其更換的成本和停產(chǎn)損失巨大。
用API推薦的、已用數(shù)十年的計算多數(shù)抽油機(jī)減速器輸出扭矩的方法在最好的運(yùn)行條件下存在著10%的誤差,其計算精度沒有預(yù)防扭矩減速器的損壞。而且，由于測力儀的校準(zhǔn)水平差，API用于計算抽油機(jī)各部件尺寸誤差的積累使得這個誤差要大得多。對于轉(zhuǎn)數(shù)下降嚴(yán)重的發(fā)動機(jī)，如果不考慮抽油機(jī)制動裝置計算時的慣性效應(yīng)，所計算出的扭矩誤差可達(dá)70%。
API確定軸扭矩的計算未考慮由曲柄角的變化、游梁、平衡桿、曲柄軸、曲柄平衡錘的重量的慣性效應(yīng)及軸承磨損產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)失平衡問題。該計算涉及16個變量，并且每個變量都有一個測量誤差。因此，扭矩的計算導(dǎo)致了誤差傳播。所有現(xiàn)在有關(guān)抽油機(jī)減速器扭矩測量的研究都在某種程度上利用了API方法。
除預(yù)測功能外，通過抽油機(jī)扭矩測量還可以得到能量效率指數(shù)，這一功能非常重要，因?yàn)槟茉聪某杀菊疾捎妥鳂I(yè)總成本的20~35%。
新型減速器軸扭矩的無線測量消除了AP1計算方法的誤差，并提供了一種即可靠又適用的抽油機(jī)測試方法。設(shè)備包括變形測量儀，電子轉(zhuǎn)換器，遙測裝置和LabView軟件。該軟件將固定在旋轉(zhuǎn)軸上的遠(yuǎn)端設(shè)備的扭矩信號傳輸?shù)街髟O(shè)備上。無線通信使用ZigBee標(biāo)準(zhǔn)。
電子轉(zhuǎn)換器電路處理擴(kuò)大了由變形測量儀采集的軸變形信號，然后該信號被傳輸?shù)竭b控?zé)o線電收發(fā)機(jī)組件(RTM)，微型控制器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。無線電接收器的芯片對信號進(jìn)行調(diào)相，利用相移鍵控法，激發(fā)全雙工天線，用射頻頻率(RF)發(fā)射信號。基站無線電收發(fā)機(jī)組件(BTM)的螺旋天線進(jìn)行RF信號采集，信號傳入無線電收發(fā)機(jī)的芯片(窄頻帶濾波器)，被解調(diào)，放大后轉(zhuǎn)為讀數(shù)。用嵌入式或普通型電腦(PC)存取測量值，或?qū)⑵滢D(zhuǎn)為4~20ma標(biāo)準(zhǔn)型(抗噪音)。該系統(tǒng)應(yīng)用軸運(yùn)轉(zhuǎn)帶動遙控裝置的連續(xù)旋轉(zhuǎn)。
遙控與測量：
無形之手與有形之手
從變形測量儀軸的變形讀數(shù)開始采集遙控裝置數(shù)據(jù)。為便于變形測量儀的信號處理，通常利用電子傳感器電路的惠斯通電橋?qū)㈦娮柁D(zhuǎn)換為張力。而變形測量儀電路的解決方案是采用模擬電路為惠斯通電橋提供同步解調(diào)和發(fā)送交流電信號。設(shè)備研究、能源和環(huán)境控制研究組織研發(fā)了一種與上述裝置理念完全不同的新電路，具有低耗電、高集成和低成本特性。
信號調(diào)節(jié)器電路由簡單適用的部件組成，無需儀表裝置放大器和線性化技術(shù)，并配備了無傳感元件的溫度自動補(bǔ)償裝置。在溫度為80℃時，線性誤差小于測量最低值的0.07%。為使傳輸遙控裝置轉(zhuǎn)換成電路信號，新系統(tǒng)應(yīng)用了ZigBee通訊協(xié)議的無線電頻率。因其為嵌入式使用，因此具有低耗能、低成本使用壽命長的優(yōu)點(diǎn)。另外，ZigBee技術(shù)成本低，支持網(wǎng)點(diǎn)數(shù)額大，超過65,000。
遙控設(shè)備【變形測量儀、電子轉(zhuǎn)換器和RTM(無線電收發(fā)器組件)】擁有靈敏的集成電路技術(shù)。由于設(shè)備對氣候條件和軸的旋轉(zhuǎn)性能有極高的敏感性，還研制一個保護(hù)和加固電路、配有柔性玻璃纖維密封器夾子。該夾不影響測量效果。
遙控裝置電源為機(jī)電發(fā)電機(jī)，無需電池，系統(tǒng)可獨(dú)立供電。由旋轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生的機(jī)械能為遙控裝置提供了足夠的電源。機(jī)電發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁鐵芯極性交替變化產(chǎn)生電動勢。電動勢的極性不斷變化激發(fā)電流方向變化。該電動勢遵守諧波定律,整流器將正弦信號轉(zhuǎn)換為直流信號提供給遙控裝置。
測量儀主裝置從遙控裝置接收扭矩信號，并利用ZigBee組件的脈寬調(diào)制模塊頻道將信號轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)4~20毫安信號。RC串聯(lián)積分電路將脈寬調(diào)制(PWM)信號進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，使其用于電流發(fā)射機(jī)。發(fā)射器提供了4~20ma的防噪音的標(biāo)準(zhǔn)電流，該信號被施加到抽油機(jī)位置檢測器上。為研究扭矩信號與曲柄位置的關(guān)系，利用LabView對減速器輸出軸發(fā)射信號進(jìn)行分析。圖1給出的是系統(tǒng)示意圖。
室內(nèi)驗(yàn)證與現(xiàn)場檢測
在扭矩測量儀安裝在設(shè)備之前和評估工作狀態(tài)下的未來動力特性之前必須校準(zhǔn)。試驗(yàn)重新設(shè)計了一種直接在抽油機(jī)上校準(zhǔn)的扭矩測量儀，并考慮了系統(tǒng)的動態(tài)變數(shù)。在對該系統(tǒng)性能的實(shí)驗(yàn)臺實(shí)驗(yàn)中，一次是校準(zhǔn)遙測動態(tài)扭矩測量儀(用電池替代機(jī)電發(fā)電機(jī))的測試靜態(tài)扭矩。測試評價了遙測裝置的設(shè)備性能;另一次試驗(yàn)是模擬由MPU平衡塊產(chǎn)生的扭矩。
在鋼制試驗(yàn)臺靜態(tài)扭矩的實(shí)驗(yàn)裝置中，減速器軸的材質(zhì)與試驗(yàn)臺相同。該裝置配裝一個鋼制的與試驗(yàn)臺末端連成一體的圓切面型軸。另一端是一個焊接在軸上的剛性橫向柄。為使所應(yīng)用的扭矩具有純剪切張力或無價值的正常張力，該試驗(yàn)采用一個連接軸承上的軸，軸承由焊接在臺上的3塊金屬板制成。這就消除了扭轉(zhuǎn)的影響。
通過焊接在軸上的金屬柄液壓千斤頂提供了軸旋轉(zhuǎn)扭矩。測力計采集金屬柄上的扭矩，輸入LabView軟件中。圖2給出了由動力測力環(huán)提供的參考扭矩，由遙控裝置發(fā)送的扭矩信號。
圖2得出的數(shù)據(jù)線性誤差為0.54%，小于動力測力環(huán)測的扭矩值和遠(yuǎn)程設(shè)備發(fā)射到主裝置的值的誤差范圍0.3%。用來模擬由機(jī)械抽油機(jī)(MPU)平衡塊產(chǎn)生的扭矩的模型配有轉(zhuǎn)速為1680rpm、550w的發(fā)動機(jī)，被連接在輸出轉(zhuǎn)速為15rpm的減速器上。隨著發(fā)動機(jī)的旋轉(zhuǎn)圓盤轉(zhuǎn)動一端標(biāo)有參考重量的金屬柄。
由動態(tài)特性條件下扭矩測量儀測得的數(shù)據(jù)結(jié)果分析確定扭矩低值的線性誤差為0.78%(標(biāo)準(zhǔn)誤差偏離值)，與方程計算求出的參考扭矩相比，測量值的最大誤差小于0.7%。
盡管伴有試驗(yàn)臺的振動，本儀器對動態(tài)扭矩測量的不確定性僅有0.78%，相比之下，目前市場最先進(jìn)的扭矩測量儀的動態(tài)測量誤差在1%~2%之間。
實(shí)驗(yàn)人員在巴西油田用扭矩測量儀對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了為期兩個月的現(xiàn)場檢驗(yàn)。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，試驗(yàn)期間新型儀器沒有任何問題。目前，扭矩測量儀仍在繼續(xù)監(jiān)測抽油機(jī)的扭矩。抽油機(jī)從700 m深處采液(油和水)110m3/d。
試驗(yàn)期間，粘在軸背面的2對變形測量儀提供了扭矩測量值。顯示校準(zhǔn)方法效果的變形測量儀的測量值產(chǎn)生了2條曲線之間的相互關(guān)系。圖4顯示出采集的2條扭矩曲線。曲線的相關(guān)系數(shù)為99.78%，平均值為1.251%。
試驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)力測量儀甚至可以檢測到經(jīng)常被API 方法忽略的扭矩方向的振動。固有功率的無線電扭矩測量儀效果好，噪音小，可安裝在任何旋轉(zhuǎn)軸上。由于以前應(yīng)用法蘭和插座連接，扭矩測量儀不能安裝在抽油機(jī)上，而且，扭矩的計算在最好的運(yùn)行條件下具有10%的誤差。新型扭矩測量儀具備以下優(yōu)點(diǎn)，新型扭矩測量儀在有效控制扭矩的條件下測量減速箱軸的扭矩誤差低于1%，較傳統(tǒng)方法誤差降低9%;盡管伴有試驗(yàn)臺的振動，本儀器對動態(tài)扭矩測量的不確定性僅有0.78%，相比之下，目前市場最先進(jìn)的扭矩測量儀的動態(tài)測量誤差在1%~2%之間;實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和礦場試驗(yàn)均證明，新型測量系統(tǒng)具有準(zhǔn)確度高，成本低，效果好，抗噪音能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而且，在強(qiáng)烈震動的環(huán)境中使用效果良好，為確定梁式泵減速器扭矩提供了一種新方法。
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