CN104133176B - 抽油机电动机动态负荷模拟加载系统及模拟加载方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电动机动态负荷模拟测试技术领域中的一种抽油机电动机动态负荷模拟加载系统及模拟加载方法。系统包括顺序连接的扭矩仪、皮带轮及齿轮箱模块、抽油机四连杆机构模块、井下负荷模块、四象限变频器和负载电机；方法为：根据实测电机负载扭矩和模拟电机负载扭矩确定最优的等效平衡配重及井下摩擦力，再根据确定等效平衡配重及井下摩擦力计算曲柄驱动力矩；然后将曲柄驱动力矩换算成电机负载扭矩，生成电机负载扭矩驱动指令并发送至负载电机。本发明无需改造标准井，节省了测试系统的建设费用，且不用考虑变频器或伺服电机的差异，具有很强的通用性。

Description

抽油机电动机动态负荷模拟加载系统及模拟加载方法

技术领域

本发明属于电动机动态负荷模拟测试技术领域，尤其涉及一种抽油机电动机动态负荷模拟加载系统及模拟加载方法。

背景技术

游梁式抽油机系统如图1所示，其主要包括电气和机械两部分，当电动机及曲柄旋转时，会带动抽油杆做直线往返运动。油泵位于地下数百米至数千米位置，钢质抽油杆及油管内油液重量达数吨以上，在上冲程时，系统需要很大的驱动力矩；下冲程时，仅依靠抽油杆及液体自身重力便能运行，电动机仅需提供很小力矩或被拖入发电工况运行。因此，抽油机电动负荷特性是周期势能负载，电动机在运行中可能会出现重载、轻载、空载甚至发电工况，运行工况复杂多变。

目前，我国油田抽油机电动机系统运行性能测试，主要采用标准井测试方法，所谓的标准井，就是选择一口废弃油井，将其井底用水泥浇筑密封，再向井下注入液体来模拟真实油井，抽取的液体在井口重新注入套管回流至井下。该方法可通过调整动液面深度或平衡块位置来模拟不同抽油机负荷特性，具有一定程度上的通用性。但在实际应用中存在以下几点不足：

1)抽油机电动机负载状况复杂多变，随季节，平衡配重、井下动液面等因素而不断变化，导致同一口井不同时段测试数据不具备可比性，使得具有相同参数的抽油机负荷特性会出现误差。

2)利用“标准井”测试时手动调整动液面深度费时费力，且每次抽水、注水后由于井下气压作用液面深度稳定需要一定时间，易引起测试误差。

3)油田冬季户外气温可达-45℃，“标准井”内油液会上冻，无法投入生产，受光线、气候温度等因素影响，不可全年、全天候运行，年工作小时数有限。

4)针对某一台固定标准井，井上和井下参数不可调。如果想模拟不同井况下的电动及运行性能，需要重新选择标准井，耗费大量人力、物力、财力。

电动机运行性能测试中的负载装置主要包括磁粉制动器、直流发电机组或水电阻等传统加载装置，因其可控性好、重复性高，在机械负荷特性的试验研究中得到了广泛应用。然而，传统负载装置加载精度低，测试过程中能量损失现象严重。针对这一问题，基于变频器的能量回馈式加载方案近年来受到了国内外学者的关注和认可，该负载方案动态响应快，可实现节能、低功耗测试。可是，现有技术手段仅针对恒扭矩负载，并不能模拟电动机在动态负荷下的运行情况。

鉴于以上所述问题，本发明以动态负荷中最为复杂的油田游梁式抽油机负荷为例，研究一种用于模拟抽油机负荷的电动机模拟加载系统，以检测电动机在动态负荷条件下的运行性能，为动态负荷下的电机能效检测提供技术支持和理论支撑；此外，该测试系统具有较强的通用性，也可推广应用于风机、水泵等流体类负载测试领域。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种抽油机电动机动态负荷模拟加载系统及模拟加载方法，用于解决现有电动机动态负荷模拟加载系统和加载方法存在的问题。

为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种抽油机电动机动态负荷模拟加载系统，其特征是所述系统包括顺序连接的扭矩仪、皮带轮及齿轮箱模块、抽油机四连杆机构模块、井下负荷模块、四象限变频器和负载电机；

所述扭矩仪用于测量负载电机转速并将负载电机转速发送至皮带轮及齿轮箱模块；

所述皮带轮及齿轮箱模块用于根据负载电机转速计算曲柄角位移、曲柄角速度和曲柄角加速度，并将计算得到的曲柄角位移、曲柄角速度和曲柄角加速度发送至抽油机四连杆机构模块；

所述抽油机四连杆机构模块用于根据曲柄角位移、曲柄角速度和曲柄角加速度计算驴头悬点位移和驴头悬点加速度，并将驴头悬点位移、驴头悬点加速度和曲柄角加速度发送至井下负荷模块；

所述井下负荷模块用于根据驴头悬点位移和驴头悬点静负荷曲线确定驴头悬点静负荷，并根据驴头悬点加速度计算驴头悬点动负荷；还用于确定等效平衡配重及井下摩擦力，再根据等效平衡配重及井下摩擦力计算曲柄驱动力矩，之后将曲柄驱动力矩换算成电机负载扭矩发送至四象限变频器；

所述四象限变频器用于根据电机负载扭矩生成电机负载扭矩驱动指令并发送至负载电机；

所述负载电机根据电机负载扭矩驱动指令控制自身转动。

一种抽油机电动机动态负荷模拟加载方法，其特征是所述方法包括：

步骤1：根据扭矩仪测量得到的负载电机转速计算曲柄角位移、曲柄角速度和曲柄角加速度；

步骤2：利用曲柄角位移、曲柄角速度和曲柄角加速度计算驴头悬点位移和驴头悬点加速度；

步骤3：利用驴头悬点位移和驴头悬点静负荷曲线确定驴头悬点的静负荷，利用驴头悬点加速度计算驴头悬点的动负荷；

步骤4：确定等效平衡配重及井下摩擦力，再根据确定等效平衡配重及井下摩擦力计算曲柄驱动力矩；

步骤5：将曲柄驱动力矩换算成电机负载扭矩，生成电机负载扭矩驱动指令并发送至负载电机。

所述确定等效平衡配重及井下摩擦力具体为：

子步骤A1：以实测电机负载扭矩曲线为拟合对象，定义拟合度目标函数并确定拟合度目标函数的约束条件；

所述拟合度目标函数为：

其中，Y_i为采样点i的实测电机负载扭矩；

y_i为采样点i的模拟电机负载扭矩；

N为采样点的数量；

Q_e为等效平衡配重；

f_s为井下摩擦力；

拟合度目标函数的约束条件为：0.7Q_eq≤Q_e≤1.3Q_eq以及0≤f_s≤f_eq；

Q_eq为抽油机平衡块换算至曲柄梢处的平衡配重；

f_eq为设定值；

子步骤A2：以f(Q_e,f_s)≤ε为最优解判定条件，计算拟合度目标函数的最优解Q_e和f_s；其中，ε为设定百分比。

所述根据确定等效平衡配重及井下摩擦力计算曲柄驱动力矩采用公式：

T_C为曲柄驱动力矩；

P_s为驴头悬点静负荷；

P_d为驴头悬点动负荷；

B_w为结构不平衡重；

f_s为井下摩擦力，上冲程是取正值，下冲程时取负值；

为扭矩因数；

M_C为平衡块垂直作用在曲柄轴上的最大平衡力矩且M_C＝Q_e·R；

Q_e为等效平衡配重；

R为曲柄旋转中心到曲柄与连接杆交点之间的距离；

θ为曲柄位移；

τ为平衡块偏置角；

J₂为曲柄及平衡块的转动惯量；

为曲柄角加速度。

本发明只需通过修改模型参数即可模拟油田实际变负荷、变工况负载，无需改造标准井，节省了测试系统中与标准井相关的建设费用，且不用考虑变频器或伺服电机的生产厂家、设计参数及制作工艺上所存在的差异，具有很强的通用性。

附图说明

图1是游梁式抽油机系统结构示意图；

图2是抽油机电动机动态负荷模拟加载系统结构图；

图3是游梁式抽油机四连杆结构示意图；

图4是驴头悬点静负荷曲线图；

图5是动液面为300米时的模拟负载转矩与实测对比曲线图；

图6是关键参数对比表；

图7是实例2的模拟加载系统与实测对比图；其中，(a)是模拟加载系统输入功率与实测对比图，(b)是模拟加载系统的转矩与实测对比图，(c)是模拟加载系统转速与实测对比图；

图8是实例3的模拟加载系统与实测对比图；其中，(a)是模拟加载系统输入功率与实测对比图，(b)是模拟加载系统的转矩与实测对比图，(c)是模拟加载系统转速与实测对比图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图2是抽油机电动机动态负荷模拟加载系统结构图。如图2所示，本发明提出的抽油机电动机动态负荷模拟加载系统包括：顺序连接的扭矩仪、皮带轮及齿轮箱模块、抽油机四连杆机构模块、井下负荷模块、四象限变频器和负载电机。

扭矩仪用于测量负载电机转速并将负载电机转速发送至皮带轮及齿轮箱模块。

皮带轮及齿轮箱模块用于根据负载电机转速计算曲柄角位移、曲柄角速度和曲柄角加速度，并将计算得到的曲柄角位移、曲柄角速度和曲柄角加速度发送至抽油机四连杆机构模块。

抽油机四连杆机构模块用于根据曲柄角位移、曲柄角速度和曲柄角加速度计算驴头悬点位移和驴头悬点加速度，并将驴头悬点位移、驴头悬点加速度和曲柄角加速度发送至井下负荷模块。

井下负荷模块用于根据驴头悬点位移和驴头悬点静负荷曲线确定驴头悬点静负荷，并根据驴头悬点加速度计算驴头悬点动负荷；还用于确定等效平衡配重及井下摩擦力，再根据等效平衡配重及井下摩擦力计算曲柄驱动力矩，之后将曲柄驱动力矩换算成电机负载扭矩发送至四象限变频器。

四象限变频器用于根据电机负载扭矩生成电机负载扭矩驱动指令并发送至负载电机。

负载电机根据电机负载扭矩驱动指令控制自身转动。

本发明还提供了一种抽油机电动机动态负荷模拟加载方法，该方法包括：

步骤1：根据扭矩仪测量得到的负载电机转速计算曲柄角位移、曲柄角速度和曲柄角加速度。

皮带轮及齿轮箱模块得到负载电机转速后，先根据公式(1)

Ω₁＝n·2π/60 (1)

计算得到电机旋转机械角速度Ω₁，n为负载电机转速。

再根据公式(2)

Ω_C＝Ω₁/k (2)

计算得到曲柄机械角速度Ω_C，k为皮带轮及齿轮箱传动变比。

由图3可知，曲柄角速度与曲柄机械角速度Ω_C之间有关系因此，根据公式(1)和(2)可以得到曲柄角速度对曲柄角速度积分，可以得到曲柄角位移θ₂，对曲柄角速度微分，可以得到曲柄角加速度

步骤2：利用曲柄角位移、曲柄角速度和曲柄角加速度计算驴头悬点位移和驴头悬点加速度。

抽油机四连杆机构模块得到曲柄角位移θ₂、曲柄角速度和曲柄角加速度后，先根据公式(3)

计算出游梁臂参考角θ₄。其中，C为游梁后臂，L为抽油杆长度，P为连接杆长度，R为曲柄旋转中心到曲柄与连接杆交点之间的距离。

再根据公式(4)

计算得到游梁臂参考角速度

然后，根据公式(5)

计算得到游梁臂参考角加速度cot(·)为反正切函数。

最后，根据公式(6)

计算得到计算驴头悬点位移S_c和驴头悬点加速度a_c。A为游梁前臂的长度。

步骤3：利用驴头悬点位移和驴头悬点静负荷曲线确定驴头悬点的静负荷，利用驴头悬点加速度计算驴头悬点的动负荷。

在抽油机电动机结构确定的情况下，驴头悬点静负荷曲线是可知的，如图4所示。驴头悬点静负荷曲线表征驴头悬点位移和驴头悬点静负荷之间的关系，根据该曲线，通过查询驴头悬点位移S_c对应的驴头悬点静负荷值，可得驴头悬点静负荷P_s。

对于驴头悬点的动负荷，通过公式(7)计算：

其中，P_d-up为驴头悬点的上冲程动负荷，P_d-down为驴头悬点的下冲程动负荷，m_bar为抽油杆的重量，m_oil为油管内油柱的重量，a_c为驴头悬点加速度。

抽油杆的重量m_bar采用如下公式计算：

m_bar＝S_barLρ_bar (8)

公式(8)中，S_bar为抽油杆的截面积，L为抽油杆的长度，ρ_bar为抽油杆的密度。

油管内油柱的重量m_oil采用如下公式计算：

m_oil＝(S_oil-S_bar)Lρ_oil (9)

公式(9)中，S_oil为油管的截面积，L为抽油杆的长度，ρ_oil为油液的密度。

步骤4：确定等效平衡配重及井下摩擦力，再根据确定等效平衡配重及井下摩擦力计算曲柄驱动力矩。

子步骤A1：以实测电机负载扭矩曲线为拟合对象，定义拟合度目标函数并确定拟合度目标函数的约束条件。

拟合度目标函数如公式(10)：

公式(10)中，Y_i为采样点i的实测电机负载扭矩，y_i为采样点i的模拟电机负载扭矩，N为采样点的数量。Q_e为等效平衡配重，f_s为井下摩擦力。其中，实测电机负载扭矩可以从实际运行的抽油机电动机中测得。

拟合度目标函数的约束条件包括：

0.7Q_eq≤Q_e≤1.3Q_eq (11)

0≤f_s≤f_eq (12)

其中，Q_eq为抽油机平衡块换算至曲柄梢处的平衡配重；f_eq为设定值，一般取f_eq≤5(单位：千牛顿)。

子步骤A2：以f(Q_e,f_s)≤ε为最优解判定条件，计算拟合度目标函数的最优解Q_e和f_s；其中，ε为设定百分比。其中，ε一般取5％，优化计算采用遗传算法。

确定等效平衡配重及井下摩擦力后，根据公式(13)计算曲柄驱动力矩。

公式(13)中，T_C为曲柄驱动力矩；P_s为驴头悬点静负荷；P_d为驴头悬点动负荷，在上冲程时，P_d＝P_d-up；在下冲程时，P_d＝P_d-down，B_w为结构不平衡重，±f_s为井下摩擦力，上冲程是取正值，下冲程时取负值；为扭矩因数；M_C为平衡块垂直作用在曲柄轴上的最大平衡力矩且M_C＝Q_e·R；Q_e为等效平衡配重；R为曲柄旋转中心到曲柄与连接杆交点之间的距离；θ为曲柄位移；τ为平衡块偏置角；J₂为曲柄及平衡块的转动惯量；为曲柄角加速度。

步骤5：将曲柄驱动力矩换算成电机负载扭矩，生成电机负载扭矩驱动指令并发送至负载电机。

曲柄驱动力矩换算成电机负载扭矩采用公式(14)如下：

T_L为电机负载扭矩，T_C为曲柄驱动力矩，η为皮带轮及齿轮箱传动效率，k为皮带轮及齿轮箱传动变比。

换算成的电机负载扭矩由井下负荷模块发送至四象限变频器，四象限变频器生成电机负载扭矩驱动指令后发送至负载电机，负载电机根据电机负载扭矩驱动指令控制自身转动。

四象限变频器控制负载电机运行时，采用模糊控制算法，输入指令m_k与实测电机负载扭矩在数值上是相对独立的两组数据，不能用严格的数学关系表示；m_k+1的增减是以误差e_k+1正负为判据的，当e_k+1>0时，m_k+1需向上调整，反之则向下调整，参照下式(15)。

其中，m_k+1为四象限变频器生成的第k+1次电机负载扭矩驱动指令，m_k为四象限变频器生成的第k次电机负载扭矩驱动指令，k_p为比例系数，e_k+1为第k+1次实测电机负载扭矩与第k+1次电机负载扭矩驱动指令对应的电机负载扭矩之差。

电动机动态负荷模拟加载系统，控制方式传递函数为G(s)＝1，由劳斯判据可求得闭环传递函数φ(s)的特征根s＝1，若系统稳定，增益系数须小于1。

下面给出用几个实例来说明本发明的效果。实例1如下：

抽油机型号：CYJ10-3-37HB；结构参数：曲柄R＝1.15m，连接杆P＝3.35m，游梁后臂C＝2.4m，游梁前臂A＝3.0m，基杆投影I＝2.3m，游梁支撑点距齿轮箱中心高H＝3.28m，结构不平衡块Bw＝0；井下参数：泵深L＝940m，动液面hoil＝300m，抽油杆直径D＝30mm；皮带、齿轮箱参数：k＝149.33，η＝0.88；四连杆：η₁＝0.95；负载单元选用Siemens公司S120系列四象限变频器及1FT6系列永磁伺服电动机，驱动精度1.0％。根据上述机井参数对应修改上位机BPs模型参数，被试电机选用Y2系列8极37kW普通三相异步电动机，室内模拟试验数据与户外抽油机实测结果如图5所示。结合图5可以看出，仿真结果、试验数据与实测数据三者相吻合，实测抽油机冲次为5.08次/分，室内模拟为5.0次/分，误差-1.6％；户外抽油机电动机1小时计量耗电量为8.83kWh，室内8.96kWh，误差为1.5％；可见，该模拟加载系统能精确模拟户外抽油机的实际负荷特性，其模型中详细参数见图6的表。

实例2如下：

动液面约为400米时，利用室内模拟加载系统的试验结果与户外标准井实测输入功率、电动机输出转矩和转速对比如图7所示，其中，图7(a)为模拟加载系统输入功率与实测对比图；图7(b)为模拟加载系统的转矩与实测对比图；图7(c)为模拟加载系统转速与实测对比图。可以看出，被试电机输入有功功率、负载扭矩及电机转速变化与标准井实测结果基本吻合。

实例3如下：

动液面约为500米时，利用室内模拟加载系统的试验结果与户外标准井实测输入功率、电动机输出转矩和转速对比如图8所示，其中，图8(a)为模拟加载系统输入功率与实测对比图；图8(b)为模拟加载系统的转矩与实测对比图；图8(c)为模拟加载系统转速与实测对比图。可以看出，被试电机输入有功功率、负载扭矩及电机转速变化与标准井实测结果基本吻合。

本发明的有益效果为：

(1)利用本发明中提供的模拟加载系统，在测试电动机在动态负载条件下运行性能时，只需通过修改模型参数即可模拟油田实际变负荷、变工况负载。

(2)本发明中所提出的模拟加载系统，无需改造标准井，只需在室内配置四象限变频器及伺服电机，节省了测试系统中与标准井相关的建设费用。

(3)本发明中以四象限变频与伺服电机组成的能量回馈式负载单元为整体，视作二端口对象，不用考虑变频器或伺服电机的生产厂家、设计参数及制作工艺上所存在的差异，具有很强的通用性。

(4)本专利所提出的加载系统不仅适用于抽油机电动机动态负荷模拟，还可推广应用于风机、水泵等流体类负载，且对不同类型负荷下电动机的运行性能测试及能效评估提供重要参考价值。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种抽油机电动机动态负荷模拟加载系统，其特征是所述系统包括顺序连接的扭矩仪、皮带轮及齿轮箱模块、抽油机四连杆机构模块、井下负荷模块、四象限变频器和负载电机；

所述扭矩仪用于测量负载电机转速并将负载电机转速发送至皮带轮及齿轮箱模块；

所述皮带轮及齿轮箱模块用于根据负载电机转速计算曲柄角位移、曲柄角速度和曲柄角加速度，并将计算得到的曲柄角位移、曲柄角速度和曲柄角加速度发送至抽油机四连杆机构模块；

所述抽油机四连杆机构模块用于根据曲柄角位移、曲柄角速度和曲柄角加速度计算驴头悬点位移和驴头悬点加速度，并将驴头悬点位移、驴头悬点加速度和曲柄角加速度发送至井下负荷模块；

所述井下负荷模块用于根据驴头悬点位移和驴头悬点静负荷曲线确定驴头悬点静负荷，并根据驴头悬点加速度计算驴头悬点动负荷；还用于确定等效平衡配重及井下摩擦力，再根据等效平衡配重及井下摩擦力计算曲柄驱动力矩，之后将曲柄驱动力矩换算成电机负载扭矩发送至四象限变频器；

所述四象限变频器用于根据电机负载扭矩生成电机负载扭矩驱动指令并发送至负载电机；

所述负载电机根据电机负载扭矩驱动指令控制自身转动。

2.一种抽油机电动机动态负荷模拟加载方法，其特征是所述方法包括：

步骤1：根据扭矩仪测量得到的负载电机转速计算曲柄角位移、曲柄角速度和曲柄角加速度；

步骤2：利用曲柄角位移、曲柄角速度和曲柄角加速度计算驴头悬点位移和驴头悬点加速度；

步骤3：利用驴头悬点位移和驴头悬点静负荷曲线确定驴头悬点的静负荷，利用驴头悬点加速度计算驴头悬点的动负荷；

步骤4：确定等效平衡配重及井下摩擦力，再根据确定等效平衡配重及井下摩擦力计算曲柄驱动力矩；

步骤5：将曲柄驱动力矩换算成电机负载扭矩，生成电机负载扭矩驱动指令并发送至负载电机；

所述确定等效平衡配重及井下摩擦力具体为：

子步骤A1：以实测电机负载扭矩曲线为拟合对象，定义拟合度目标函数并确定拟合度目标函数的约束条件；

所述拟合度目标函数为：

其中，Y_i为采样点i的实测电机负载扭矩；

y_i为采样点i的模拟电机负载扭矩；

N为采样点的数量；

Q_e为等效平衡配重；

f_s为井下摩擦力，上冲程时取正值，下冲程时取负值；

拟合度目标函数的约束条件为：0.7Q_eq≤Q_e≤1.3Q_eq以及0≤f_s≤f_eq；

Q_eq为抽油机平衡块换算至曲柄梢处的平衡配重；

f_eq为设定值；

子步骤A2：以f(Q_e,f_s)≤ε为最优解判定条件，计算拟合度目标函数的最优解Q_e和f_s；其中，ε为设定百分比。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征是所述根据确定等效平衡配重及井下摩擦力计算曲柄驱动力矩采用公式：

$T_C=(P_s+P_d-B_w\±f_s)\·\stackrel{\‾}{TF}-M_{C}sin(\mathrm{\θ}-\mathrm{\τ})+J_2{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_2;$

T_C为曲柄驱动力矩；

P_s为驴头悬点静负荷；

P_d为驴头悬点动负荷；

B_w为结构不平衡重；

f_s为井下摩擦力，上冲程时取正值，下冲程时取负值；

为扭矩因数；

M_C为平衡块垂直作用在曲柄轴上的最大平衡力矩且M_C＝Q_e·R；

Q_e为等效平衡配重；

R为曲柄旋转中心到曲柄与连接杆交点之间的距离；

θ为曲柄位移；

τ为平衡块偏置角；

J₂为曲柄及平衡块的转动惯量；

为曲柄角加速度。