CN102155405A - 一种潜油螺杆泵转速智能控制系统及控制方法 - Google Patents

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一种潜油螺杆泵转速智能控制系统及控制方法，检测模块中的传感器检测潜油螺杆泵采油系统不同工况的参数并将检测到的参数输出，然后通过数据采集卡将采集的信号转换成数字信号输出；控制器中的计算机依据检测模块中各传感器输出的参数，并依据智能优化算法模块，对不同的工况参数进行优化计算，将优化后的转速-控制信号传送至执行部分；执行部分中的变频器接收计算机传送的控制信号后，通过调节变频器实现电机转速的优化。本发明综合考虑影响螺杆泵经济使用寿命的因素，建立一个融合多参数于一体的最优转速匹配模型，适时、适量地调整转速，使潜油螺杆泵正常运转，极大地提高转速控制系统的准确性并延长潜油螺杆泵的经济使用寿命。

Description

一种潜油螺杆泵转速智能控制系统及控制方法
技术领域
本发明涉及一种潜油螺杆泵转速智能控制系统及方法，尤其指一种潜油螺杆泵转速根据不同工况呈非线性变化的潜油螺杆泵转速控制系统及方法。
背景技术
潜油螺杆泵采油系统（Electrical-submersible-motor-driven progressing cavity pumping system，简写为ESPCP），它是井下潜油电机直接驱动螺杆泵转子高速转动实现举升的机械采油设备。与其它人工技术比较，潜油螺杆泵采油技术由于适宜于高粘度、高含砂量原油的开采、同比采油量能耗低、不存在杆管偏磨问题、适宜于斜井和水平井作业、机组井上部分占地面积小等特点，目前已在石油开采中得到日益广泛的应用。
潜油螺杆泵采油系统控制涉及转速调节、智能优化算法、信号采集、信号处理与通讯控制等方面。在下潜深度、泵规格一定的条件下，转速是最主要、甚至是唯一可调的参数，因此潜油螺杆泵采油系统的控制优化实质主要为转速的优化。石油开采中工况比较复杂，影响因素较多，有原油黏度、井下温度、含砂量、含水量等，而且各个参数时时变化。如对影响因素不进行监控反馈并改变转速，必将影响潜油螺杆泵的使用寿命。
为解决上述问题，通常采用的策略是实施变频调速。目前国内有人对潜油螺杆泵采油系统转子转速调控技术进行研究，建立了由可编程控制器控制变频器，从而调节电机转速，以达到控制螺杆泵转速的目的。通过环空动液面测量仪和流量计采集的信号传送至可编程控制器，可编程控制器根据控制模型改变变频器频率，从而控制泵的转速；并根据实际生产情况确定了优先级控制模型，一级为软启动模型、二级为基于动液面的速度调控模型、三级为基于容积效率的泵转速优化模型。但该方法尚有缺点，特别是可编程控制器根据控制模型改变变频器频率时，该控制模型必须综合考虑诸如油井的工况参数、螺杆泵自身物理和几何参数、螺杆泵的机械效率和容积效率等因素对转速的影响，仅仅考虑各个工况参数对螺杆泵转速的影响，而没有考虑工况参数之间的耦合关系以及其它影响因素是不全面的，并不能真正实现螺杆泵转速的优化，提高螺杆泵的使用寿命。
为此，提供一种潜油螺杆泵转速智能控制系统及方法，改善上述技术的缺失，能够全面的考虑影响螺杆泵转速的影响因素以及影响因素之间的耦合关系，显著地提高了转速控制系统的准确性并延长潜油螺杆泵的经济使用寿命。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种潜油螺杆泵转速智能控制系统，可以显著地提高转速控制系统的准确性并延长潜油螺杆泵的经济使用寿命；本发明的另一目的在于提供一种潜油螺杆泵转速智能控制系统，可实现螺杆泵的转速能根据油井及泵的工况进行实时调节，达到螺杆泵高效节能的功能。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种潜油螺杆泵转速智能控制系统，其特征在于：所述系统包括检测模块、控制器和执行部分；其中检测模块由数据采集卡和传感器组成，控制器由计算机组成，执行部分由变频器和电机组成；
计算机的信号输入端连接变频器的信号输入端，变频器的信号输出端连接电机信号输入端，电机信号输出端分别连接传感器信号输入端，传感器信号输出端连接数据采集卡信号输入端，数据采集卡信号输出端连接计算机信号输入端。
所述传感器包括温度传感器、压力传感器、流量传感器。
所述控制器的计算机中包括软件控制平台和智能优化算法模块。
一种潜油螺杆泵转速智能控制系统的控制方法，其特征在于：所述方法包括：
步骤1.检测模块中的传感器检测潜油螺杆泵采油系统不同工况的参数及电机转速，然后通过数据采集卡将采集的信号转换成数字信号输出，接着执行步骤2；
步骤2.判断电机转速是否低于目标转速，如果是，执行步骤3，如果否，执行步骤4；
步骤3.控制器中的计算机依据检测模块中各传感器输出的参数，将转速传送一控制信号至执行部分，然后执行步骤5；
步骤4.依据智能优化算法模块的计算结果，对不同的工况参数进行优化计算，并输出优化后的转速控制信号至执行部分，然后执行步骤5；
步骤5.执行部分的变频器接收计算机传送的控制信号后，通过调节变频器实现电机转速的优化。
所述计算机中的存储单元储存一组预定工况参数对应一组预定螺杆泵转速，使该螺杆泵转速与优化后的转速进行对比分析。
所述系统的整体输出信号只有一个螺杆泵转速信号。
所述系统通过软件控制平台和智能优化算法模块对不同工况参数的分析和处理，计算出最优转速。
与其它的潜油螺杆泵转速控制技术相比，本发明的潜油螺杆泵转速智能控制系统以及方法可综合考虑影响螺杆泵经济使用寿命的因素，建立一个融合多参数于一体的最优转速匹配模型，适时、适量地调整转速，改善上述现有技术的缺点，使潜油螺杆泵正常运转，极大地提高转速控制系统的准确性并延长潜油螺杆泵的经济使用寿命。
附图说明：
图1为本发明的基本结构示意图；
图2为本发明的运行流程图。
具体实施方式：
本发明所述潜油螺杆泵转速智能控制系统设置在潜油螺杆泵采油系统电子装置中，用于调节采油系统转速。
下面结合附图对本发明进行详细说明。
图1为本发明的基本结构示意图，如图所示，潜油螺杆泵转速智能控制系统包括检测模块、控制器和执行部分。
其中检测模块由多个传感器和数据采集卡组成，传感器包括温度传感器、压力传感器、流量传感器；在潜油螺杆泵采油正常工作时，检测不同工况条件下的参数并将检测到的参数输出。各个传感器对采油系统运转情况下的工况参数进行实时监控，并将系统参数通过数据采集卡传递给计算机。
控制器由计算机组成，计算机中包括软件控制平台和智能优化算法模块；执行部分由变频器和电机组成；计算机的信号输入端连接变频器的信号输入端，变频器的信号输出端连接电机信号输入端，电机信号输出端连接传感器信号输入端，传感器信号输出端连接数据采集卡信号输入端，数据采集卡信号输出端连接计算机信号输入端。
图2为本发明的运行流程图，如图所示，应用本发明的潜油螺杆泵转速智能控制系统及方法的软件平台，预先建立采油系统工况参数与螺杆泵转速的非线性关系，借此执行下列步骤：
步骤1.检测模块中的传感器检测潜油螺杆泵采油系统不同工况的参数及电机转速，然后通过数据采集卡将采集的信号转换成数字信号输出，接着执行步骤2；
步骤2.判断电机转速是否低于目标转速，如果是，执行步骤3，如果否，执行步骤4。
所述目标转速，是指一组预定工况参数所对应的预定螺杆泵转速值，即智能优化算法优化时的一组样本数据，是一组给定的值。优化算法的目的是使电机转速低于目标转速，达到降低定子橡胶磨损，延长系统经济使用寿命的目的。
步骤3.控制器中的计算机依据检测模块中各传感器输出的参数，将转速传送一控制信号至执行部分，然后执行步骤5；
控制器的计算机存储单元所储存的工况参数与螺杆泵转速间的对应关系，使一组预定工况参数对应一预定螺杆泵转速，该螺杆泵转速与优化后的转速进行对比分析。在实验中，预先设定一组工况参数温度值为40℃、原油粘度600                                                
Figure 29543DEST_PATH_IMAGE001
、泵端压差5.0
Figure 46041DEST_PATH_IMAGE002
、磨损间隙0.005
Figure 730969DEST_PATH_IMAGE003
，该组工况参数所对应螺杆泵转速为358
Figure 440299DEST_PATH_IMAGE004
；另设一组预定工况参数温度值为42℃、原油粘度540
Figure 577888DEST_PATH_IMAGE001
、泵端压差6.0
Figure 460393DEST_PATH_IMAGE002
、磨损间隙0.035
Figure 750560DEST_PATH_IMAGE003
，该组工况参数所对应螺杆泵转速为360
Figure 880059DEST_PATH_IMAGE004
。依此类推，将每组工况参数对应一螺杆泵转速，建立螺杆泵转速与工况参数之间的非线性关系。
步骤4.依据智能优化算法模块的计算结果，对不同的工况参数进行优化计算，并输出优化后的转速控制信号至执行部分，然后执行步骤5；
步骤5.执行部分的变频器接收计算机传送的控制信号后，通过调节变频器实现电机转速的优化，且保持螺杆泵转速不变并返回上述步骤1，重复执行步骤1至步骤5，使螺杆泵转速依据采油系统工况参数的变化适时变化。
在实验中，当温度值为40℃、原油粘度600
Figure 255677DEST_PATH_IMAGE001
、泵端压差5.0
Figure 886682DEST_PATH_IMAGE002
、磨损间隙0.005
Figure 296935DEST_PATH_IMAGE003
时，通过智能优化算法优化的转速为358，再传送一控制信号至电机，控制电机的转速。此后，不断地由检测部分传感器采集信号以及控制器部分分析和处理，通过变频器调节电机，实现对螺杆泵转速的控制。
通过上述步骤运行后，该系统的整体输出信号只有一个螺杆泵转速信号。

Claims (7)

1.一种潜油螺杆泵转速智能控制系统，其特征在于：所述系统包括检测模块、控制器和执行部分；其中检测模块由数据采集卡和传感器组成，控制器由计算机组成，执行部分由变频器和电机组成；
计算机的信号输入端连接变频器的信号输入端，变频器的信号输出端连接电机信号输入端，电机信号输出端连接传感器信号输入端，传感器信号输出端连接数据采集卡信号输入端，数据采集卡信号输出端连接计算机信号输入端。
2.根据权利要求1所述一种潜油螺杆泵转速智能控制系统，其特征在于：所述传感器包括温度传感器、压力传感器、流量传感器。
3.根据权利要求1所述一种潜油螺杆泵转速智能控制系统，其特征在于：所述控制器的计算机中包括软件控制平台和智能优化算法模块。
4.一种如权利要求1-3中任一项所述潜油螺杆泵转速智能控制系统的控制方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤1.检测模块中的传感器检测潜油螺杆泵采油系统不同工况的参数及电机转速，然后通过数据采集卡将采集的信号转换成数字信号输出，接着执行步骤2；
步骤2.判断电机转速是否低于目标转速，如果是，执行步骤3，如果否，执行步骤4；
步骤3.控制器中的计算机依据检测模块中各传感器输出的参数，将转速传送一控制信号至执行部分，然后执行步骤5；
步骤4.依据智能优化算法模块的计算结果，对不同的工况参数进行优化计算，并输出优化后的转速控制信号至执行部分，然后执行步骤5；
步骤5.执行部分的变频器接收计算机传送的控制信号后，通过调节变频器实现电机转速的优化。
5.根据权利要求4所述潜油螺杆泵转速智能控制系统的控制方法，其特征在于：所述计算机中的存储单元储存一组预定工况参数对应一组预定螺杆泵转速，使该螺杆泵转速与优化后的转速进行对比分析。
6.根据权利要求4所述潜油螺杆泵转速智能控制系统的控制方法，其特征在于：所述系统的整体输出信号只有一个螺杆泵转速信号。
7.根据权利要求4所述潜油螺杆泵转速智能控制系统的控制方法，其特征在于：所述系统通过软件控制平台和智能优化算法模块对不同工况参数的分析和处理，计算出最优转速。
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