[发明专利]一种基于功率预测的变速拖动曲线优化控制方法

说明书

 

一、     技术领域：

本发明涉及的是石油人工举升技术领域，具体涉及的是一种基于功率预测的变速拖动曲线优化控制方法。

二、背景技术：  

在大庆油田平均每年消耗的电量大约为99亿千瓦，其中有近1/3的电量消耗在机械采油设备井中，但是游梁式抽油机井的平均效率却比较低，只有25%左右，这对整个油田的综合开发利用极其不利。因此有必要提出一种有效的节能措施来提高抽油机井效率。

为降低抽油机井的能耗，各国油田工程师们都进行了大量努力，比如美国专利US4102394和US4490094是将游梁式抽油机提供给光杆的准正弦速度曲线转变为在大部分的上冲程和下冲程过程中的匀速运动来减弱悬点载荷，即其速度曲线近似梯形曲线。专利WO2007/041823是通过采集电机转矩、转速，悬点载荷、位移，泵流率等数据，以产量最大化为目标，进行优化分析，计算出抽油机系统运行方式。此方法实施起来相对比较困难，而且没有完全消除惯性扭矩对减速箱的不利影响，由其优化后的测试结果看，减速箱扭矩曲线有时会出现“过平衡”状况，很可能使减速箱处于“超载”状态运行，会导致减速箱齿轮被破坏，这不利于抽油机系统的平稳运行和寿命。我国专利ZL0710113421.5是利用曲柄块的惯性势能，在下冲程时关闭电源，让抽油机在惯性力下运行，从而达到节能的目的。但是游梁式抽油机运行负荷具有周期性剧烈交变的特点，且随着抽汲工况参数的增大其波动性会更大。电机，减速箱、四连杆及杆柱都需要承受这种交变载荷的反复冲击，因此有必要采用某种措施让电动机在平稳的运行状态下工作，从而能降低能耗，而且减弱抽油机的周期性交变冲击的工况。

三、发明内容：

本发明的一个目的是提供一种基于功率预测的变速拖动曲线优化控制方法，它用于解决电动机在不超载的情况下，解决游梁式抽油机运行平稳、节能降耗的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种基于功率预测的变速拖动曲线优化控制方法将测试的电机输入功率或抽油机系统工况参数数据，按傅里叶级数展开法进行优选变速拖动曲线，并进行综合节电率和周期载荷系数参数的计算，在满足约束条件的前提下，以综合节电率最大为目标，优化出电机变速拖动速度曲线，在进行平衡调整后，通过变频控制器将优化的变速拖动曲线应用到机-杆-泵系统中，使抽油机系统在节能平稳状况下运行，具体如下：

步骤一、建立数据库，该数据库包括抽油机数据库、电动机特性数据库，抽油机数据库包括抽油机结构尺寸参数、运动件转动惯量、传动比、平衡块数目、平衡块重量；电动机特性数据库由室内电机负载特性试验台测试获取，并拟合成相应特性函数；

步骤二、借助试验井模拟试验获取皮带、减速箱及四连杆等处的节点功率与扭矩数据，对该数据处理后获得皮带、减速箱及四连杆的传动效率，并拟合成相应特性函数；

步骤三、向变速拖动优化程序中输入：冲程、冲次、泵挂、动液面、泵径、管径、杆柱组合及直径、含水率、套压、流压、油液密封、粘度；

步骤四、计算变速驱动时，抽油机运动特性与动力特性，包括悬点位移、悬点速度、悬点加速度、悬点载荷、减速箱扭矩、电机扭矩、电机功率、电机转速参数；

步骤五、按电流平衡法进行抽油机平衡调整，电流平衡度取值范围为65%-85%；

步骤六、在约束条件下，按目标函数                                               进行变速优化计算，约束条件为：

式中；

——计算目标函数的一系列相关参数；

——计算目标函数的计算函数；

——综合节电率（%）：；

——有功、无功功率（kW、kar）；

——无功经济当量，对于抽油机用电动机一般取0.05～0.08；

——电流平衡度（%）：;

——周期载荷系数：；

——输入电流、上冲程峰值电流、下冲程峰值电流（A）；

——杆柱工作最大应力、杆柱许用应力（MPa）；

——减速箱输出轴扭矩（N.m）；

——产量；

下标：

max——最大值；

i——序号；

c——恒速拖动时的相关参数；

e——相关设备额定值；