巴西油田科技人員曾研制出一種新型扭矩測(cè)量?jī)x，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(cè)量?jī)x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(guò)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(wèn)題一直未能得到解決。當(dāng)扭矩超過(guò)額定值時(shí)會(huì)損壞價(jià)值為機(jī)械抽油機(jī)(MPU)總成本的50%的變速箱，使其報(bào)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(jì)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(jì)算精度沒(méi)有預(yù)防扭矩減速器的損壞。而且，由于測(cè)力儀的校準(zhǔn)水平差，API用于計(jì)算抽油機(jī)各部件尺寸誤差的積累使得這個(gè)誤差要大得多。對(duì)于轉(zhuǎn)數(shù)下降嚴(yán)重的發(fā)動(dòng)機(jī)，如果不考慮抽油機(jī)制動(dòng)裝置計(jì)算時(shí)的慣性效應(yīng)，所計(jì)算出的扭矩誤差可達(dá)70%。
API確定軸扭矩的計(jì)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(wèn)題。該計(jì)算涉及16個(gè)變量，并且每個(gè)變量都有一個(gè)測(cè)量誤差。因此，扭矩的計(jì)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(cè)量的研究都在某種程度上利用了API方法。
除預(yù)測(cè)功能外，通過(guò)抽油機(jī)扭矩測(cè)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(wú)線測(cè)量消除了AP1計(jì)算方法的誤差，并提供了一種即可靠又適用的抽油機(jī)測(cè)試方法。設(shè)備包括變形測(cè)量?jī)x，電子轉(zhuǎn)換器，遙測(cè)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(hào)傳輸?shù)街髟O(shè)備上。無(wú)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(cè)量?jī)x采集的軸變形信號(hào)，然后該信號(hào)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(wú)線電接收器的芯片對(duì)信號(hào)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(hào)。基站無(wú)線電收發(fā)機(jī)組件(BTM)的螺旋天線進(jìn)行RF信號(hào)采集，信號(hào)傳入無(wú)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(cè)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(dòng)遙控裝置的連續(xù)旋轉(zhuǎn)。
遙控與測(cè)量：
無(wú)形之手與有形之手
從變形測(cè)量?jī)x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(cè)量?jī)x的信號(hào)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(cè)量?jī)x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(hào)。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(hào)調(diào)節(jié)器電路由簡(jiǎn)單適用的部件組成，無(wú)需儀表裝置放大器和線性化技術(shù)，并配備了無(wú)傳感元件的溫度自動(dòng)補(bǔ)償裝置。在溫度為80℃時(shí)，線性誤差小于測(cè)量最低值的0.07%。為使傳輸遙控裝置轉(zhuǎn)換成電路信號(hào)，新系統(tǒng)應(yīng)用了ZigBee通訊協(xié)議的無(wú)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(zhǎng)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(guò)65,000。
遙控設(shè)備【變形測(cè)量?jī)x、電子轉(zhuǎn)換器和RTM(無(wú)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(duì)氣候條件和軸的旋轉(zhuǎn)性能有極高的敏感性，還研制一個(gè)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(cè)量效果。
遙控裝置電源為機(jī)電發(fā)電機(jī)，無(wú)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(dòng)勢(shì)。電動(dòng)勢(shì)的極性不斷變化激發(fā)電流方向變化。該電動(dòng)勢(shì)遵守諧波定律,整流器將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)提供給遙控裝置。
測(cè)量?jī)x主裝置從遙控裝置接收扭矩信號(hào)，并利用ZigBee組件的脈寬調(diào)制模塊頻道將信號(hào)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)4~20毫安信號(hào)。RC串聯(lián)積分電路將脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)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(hào)被施加到抽油機(jī)位置檢測(cè)器上。為研究扭矩信號(hào)與曲柄位置的關(guān)系，利用LabView對(duì)減速器輸出軸發(fā)射信號(hào)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(chǎng)檢測(cè)
在扭矩測(cè)量?jī)x安裝在設(shè)備之前和評(píng)估工作狀態(tài)下的未來(lái)動(dòng)力特性之前必須校準(zhǔn)。試驗(yàn)重新設(shè)計(jì)了一種直接在抽油機(jī)上校準(zhǔn)的扭矩測(cè)量?jī)x，并考慮了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變數(shù)。在對(duì)該系統(tǒng)性能的實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)中，一次是校準(zhǔn)遙測(cè)動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)量?jī)x(用電池替代機(jī)電發(fā)電機(jī))的測(cè)試靜態(tài)扭矩。測(cè)試評(píng)價(jià)了遙測(cè)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(tái)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(tái)相同。該裝置配裝一個(gè)鋼制的與試驗(yàn)臺(tái)末端連成一體的圓切面型軸。另一端是一個(gè)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(wú)價(jià)值的正常張力，該試驗(yàn)采用一個(gè)連接軸承上的軸，軸承由焊接在臺(tái)上的3塊金屬板制成。這就消除了扭轉(zhuǎn)的影響。
通過(guò)焊接在軸上的金屬柄液壓千斤頂提供了軸旋轉(zhuǎn)扭矩。測(cè)力計(jì)采集金屬柄上的扭矩，輸入LabView軟件中。圖2給出了由動(dòng)力測(cè)力環(huán)提供的參考扭矩，由遙控裝置發(fā)送的扭矩信號(hào)。
圖2得出的數(shù)據(jù)線性誤差為0.54%，小于動(dòng)力測(cè)力環(huán)測(cè)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(lái)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(dòng)機(jī)，被連接在輸出轉(zhuǎn)速為15rpm的減速器上。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)一端標(biāo)有參考重量的金屬柄。
由動(dòng)態(tài)特性條件下扭矩測(cè)量?jī)x測(cè)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(jì)算求出的參考扭矩相比，測(cè)量值的最大誤差小于0.7%。
盡管伴有試驗(yàn)臺(tái)的振動(dòng)，本儀器對(duì)動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)量的不確定性僅有0.78%，相比之下，目前市場(chǎng)最先進(jìn)的扭矩測(cè)量?jī)x的動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差在1%~2%之間。
實(shí)驗(yàn)人員在巴西油田用扭矩測(cè)量?jī)x對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了為期兩個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，試驗(yàn)期間新型儀器沒(méi)有任何問(wèn)題。目前，扭矩測(cè)量?jī)x仍在繼續(xù)監(jiān)測(cè)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(duì)變形測(cè)量?jī)x提供了扭矩測(cè)量值。顯示校準(zhǔn)方法效果的變形測(cè)量?jī)x的測(cè)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(cè)量?jī)x甚至可以檢測(cè)到經(jīng)常被API 方法忽略的扭矩方向的振動(dòng)。固有功率的無(wú)線電扭矩測(cè)量?jī)x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(cè)量?jī)x不能安裝在抽油機(jī)上，而且，扭矩的計(jì)算在最好的運(yùn)行條件下具有10%的誤差。新型扭矩測(cè)量?jī)x具備以下優(yōu)點(diǎn)，新型扭矩測(cè)量?jī)x在有效控制扭矩的條件下測(cè)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(tái)的振動(dòng)，本儀器對(duì)動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)量的不確定性僅有0.78%，相比之下，目前市場(chǎng)最先進(jìn)的扭矩測(cè)量?jī)x的動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差在1%~2%之間;實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和礦場(chǎng)試驗(yàn)均證明，新型測(cè)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(dòng)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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