CN105740482A

CN105740482A - 一种抽油机负载转矩模型建立方法和仿真系统

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Publication number: CN105740482A
Application number: CN201410743356.4A
Authority: CN
Inventors: 时振堂; 杨明乾; 李君�; 王乐; 孟凡中; 杜红勇
Original assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals
Current assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals
Priority date: 2014-12-07
Filing date: 2014-12-07
Publication date: 2016-07-06
Anticipated expiration: 2034-12-07
Also published as: CN105740482B

Abstract

本发明公开了一种抽油机负载转矩模型建立方法和仿真系统，包括如下步骤：根据实测抽油机的参数和电动机的参数建抽油机载荷-位移示功图；建立悬点位置与悬点质量的关系；建立悬点速度和悬点位置关系；根据悬点位置对应的悬点质量与悬点速度确定悬点做功功率；根据悬点位置对应的平衡块位置关系以及平衡块质量确定平衡块的功率；根据平衡块的功率、悬点的功率和电动机的角速度建立抽油机负载转矩模型。本发明提供的抽油机负载转矩模型建立方法和仿真系统，简单、易行，通过测量、统计游梁式抽油机参数，结合抽油机载荷-位移示功图曲线即可实现抽油机负荷模型的建立，具有较好的推广应用价值。

Description

一种抽油机负载转矩模型建立方法和仿真系统

技术领域

本发明涉及一种抽油机负载转矩模型建立方法和仿真系统,属于抽油机系统仿真技术领域。

背景技术

计算机已成为电力系统设计、运行与控制中不可缺少的手段。在现有的一些应用中，用户对仿真计算的精度要求越来越高。但是电力负荷建模的时变性、随机性、分布性、多样性、非连续性等特点，成为电力系统几个最困难的研究领域之一。

近年来，随着技术的不断发展，电力负荷建模技术已经取得相当多的成果。我国电力工作者在电力负荷建模领域也开展了不少研究工作，取得了一些富有创造性的成果。

现有的油气田大量采用的游梁式抽油机，游梁式抽油机的上、下冲程中载荷周期性交变的特点，增加了对游梁式抽油机建模的难度。早期模拟油田电网运行时常常忽略了抽油机交变负载的特性，将抽油机近似模拟为恒转矩或恒功率负载、仿真特性不合理，依据这种负荷模型所建立的油田电网模型与实际电网的运行也不相符。

目前，为改变抽油机建模的不合理性，现在国内外抽油机建模一般用抽油机负荷、平衡块、摩擦等转矩和来模拟抽油机交变的机械负荷转矩特点。并且要根据动力学原理建立一套完整的计算公式，整个建立过程相对比较复杂，建立的抽油机负载仿真模型准确度不高，不符合实际运行的特性。负荷在上下冲程处于交变状态，力矩也在不断变化，；平衡块做功力矩也在不停变化，难以建立准确方程；摩擦力的构成复杂，难以准确计量，因此采用叠加法求转矩准确度不高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：一种抽油机负载转矩模型建立方法和仿真系统。

为实现上述发明目的，本发明提供如下的技术方案：

一方面，本发明提供一种抽油机负载转矩模型建立方法，包括如下步骤：

根据实测抽油机的参数和电动机的参数建抽油机载荷-位移示功图；

根据示功图建立悬点位置与悬点质量的关系；

建立悬点速度和悬点位置关系；

根据悬点位置对应的悬点质量与悬点速度确定悬点做功功率；

根据悬点位置对应的平衡块位置关系及平衡块质量确定平衡块的功率；

根据平衡块的功率、悬点的功率和电动机的角速度建立抽油机负载转矩模型。

其中较优地，所述悬点位置与悬点质量的关系按以下步骤得到：

由平衡块初始位置角度和抽油机的冲程得悬点初始位置；

由抽油机的冲次得到悬点运动周期；

由悬点运动的周期和抽油机的冲程得到悬点平均运动速度；

由电动机的额定转速推算悬点运动速度的比例系数；

由电动机当前的转速，得到悬点当前运动速度大小；

由悬点的初始位置和悬点的当前运动速度，计算出悬点经过的冲程距离总和；

由抽油机的表示抽油机的冲程和悬点经过的冲程距离总和以正弦函数模拟悬点运动过程的位移大小；

由载荷-位移示功图和悬点运动位移大小，得到与位移相对应的载荷质量大小。

其中较优地，所述悬点运动过程的位移大小如下式所示：

S_{f} = \frac{CH}{2} \cdot (1 - \cos (\frac{π}{CH}) \cdot S)

其中，S_f表示悬点运动过程的位移大小，CH表示抽油机的冲程；S表示悬点经过的冲程距离总和。

其中较优地，所述建立悬点速度和悬点位置关系如下式所示：

v_{f} = {\overset{\cdot}{S}}_{f} = \frac{π}{2} \cdot \sin (\frac{π}{CH} \cdot S) \cdot v

其中，v_f表示悬点的速度，S_f表示抽油机悬点位移；CH表示抽油机的冲程；S表示悬点经过的冲程距离总和，表示悬点位移的导数，v_f表示悬点位移矢量大小，v表示悬点位移速度标量大小。

其中较优地，所述悬点做功功率如下式所示：

P_{f} = F \cdot v_{f} = F \cdot \frac{π}{2} \cdot \sin (\frac{π}{CH} \cdot S) \cdot v

其中，P_f表示悬点的功率，F表示悬点的载荷质量，CH表示抽油机的冲程，S表示悬点经过的冲程距离总和，v_f表示悬点速度矢量大小，v表示悬点速度标量大小。

其中较优地，平衡块的功率按以下方式得到：

由悬点位置推导出平衡块重力所在位置的高度；

根据平衡块重力所在高度计算得到平衡块的重力势能；

对平衡块势能求导得平衡块做功功率；

平衡块的做功功率如式下式所示：

P_{G} = {\overset{\cdot}{W}}_{G} = - MgR \sin (\frac{π}{CH} \cdot S) \cdot \frac{π}{CH} \cdot v

其中，P_G表示平衡块的功率，表示平衡块的势能的导数,M表示平衡块质量，g表示重力加速度，R表示平衡块运动半径，CH表示抽油机的冲程；S表示悬点经过的冲程距离总和，v表示悬点速度标量大小。

其中较优地，抽油机负载转矩模型如下式所示：

T_{m} = \frac{P_{f} + P_{G}}{Ω}

T_{m} = \frac{F \cdot \frac{π}{2} \cdot \sin (\frac{π}{CH} \cdot S) - M \cdot g \cdot R \sin (\frac{π}{CH} \cdot S) \cdot \frac{π}{CH}}{\frac{2 π \cdot K}{60}}

其中，P_f表示悬点载荷做功功率，P_G表示平衡块做功功率，Ω表示抽油机电动机角速度，T_m表示负载转矩，F表示悬点的载荷质量，S表示悬点经过的冲程距离总和，CH表示抽油机的冲程。M为平衡块质量，g为重力加速度，R表示平衡块重心所在位置的半径，K表示电动机转速与悬点速度标量的比例关系。

其中较优地，还包括通过电力系统仿真软件或抽油机负载转矩仿真系统对所述抽油机负载转矩模型验证的步骤。

其中较优地，所述通过电力系统仿真软件对所述抽油机负载转矩模型验证的步骤包括：

利用抽油机负载转矩模型进行仿真，如果仿真曲线与实际曲线不符，修改参数直到符合实际情况。

另一方面，本发明还提供一种验证上述抽油机负载转矩模型的抽油机负载转矩仿真系统，包括：

工控机、可编程逻辑控制器PLC、变频器、负载电动机和抽油机电动机；

所述可编程逻辑控制器PLC分别与所述工控机、所述变频器连接，所述变频器和所述负载电动机连接；所述抽油机电动机和所述负载电动机同轴连接；

所述可编程逻辑控制器PLC中载入所述抽油机负载转矩模型，所述PLC控制器控制所述负载电动机形成负荷转矩，模拟抽油机负载。

本发明提供的抽油机负载转矩模型建立方法和仿真系统，简单、易行，通过测量、统计游梁式抽油机冲程，冲次，电动机转速，平衡块的质量、等值半径及其初始角度等参数，结合抽油机载荷-位移示功图曲线即可实现抽油机负荷模型的建立，具有较好的推广应用价值。

附图说明

图1为本发明电动机输出功率仿真与实测曲线图；

图2为本发明抽油机示功图仿真与实测曲线图；

图3为本发明抽油机负载仿真系统结构图；

图4为本发明实际输出转矩与模拟转矩图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明提供一种抽油机负载转矩模型建立方法，其特征在于，包括如下步骤：根据实测抽油机的参数和电动机的参数建抽油机载荷-位移示功图；根据示功图建立悬点位置与悬点质量的关系；建立悬点速度和悬点位置关系；根据悬点位置对应的悬点质量与悬点速度确定悬点做功功率；根据悬点位置对应的平衡块位置关系，及平衡块质量确定平衡块的功率；根据平衡块的功率、悬点的功率和电动机的角速度建立抽油机负载转矩模型。下面对本发明提供的抽油机负载转矩模型建立方法展开详细的说明。

首先，介绍根据实测抽油机的参数和电动机的参数建立抽油机载荷-位移示功图的步骤。

抽油机载荷-位移示功图反映抽油机悬点载荷随其位移变化规律的图形。其纵坐标是抽油机的悬点载荷w，横坐标是抽油机的冲程S，可以利用相关测试仪器(例如动力仪，示功仪)对实际抽油井进行实测在抽油机一个抽吸周期内得出测取的封闭曲线。通过相关测试仪器可以实际测量抽油机获得抽油机的参数，查询电动机铭牌得到电动机的参数。通过对抽油机的实际测量得到抽油机的参数，例如抽油机的冲程CH、冲次CC、平衡块质量M、平衡块中心所在位置的半径R、平衡块初始位置对应角度θ0等。通过对对电动机品牌的查询得到电动机的参数，例如电动机的额定转速nN、电动机的额定功率PN、电动机的当前转速n等。在抽油机的实际工作中，以实测示功图是分析抽油泵工作状况的主要依据。在分析过程中既要依据示功图和油井的各种资料作全面分析，又要找出影响示功图的主要因素。典型示功图是指某一因素的影响十分明显，其形状代表了该因素影响下的基本特征。虽然实际情况下有多种因素影响示功图的形状，但总有其主要因素。所以，示功图的形状也就反映着主要因素影响下的基本特征。因此，需要根据实测抽油机的参数和查询得到的电动机的参数建立抽油机载荷-位移示功图。

其次，介绍根据建立悬点位置与悬点质量关系的步骤。

悬点的质量也就是悬点载荷的大小，悬点位置也称悬点位移，悬点载荷大小与悬点位置唯一遵循示工图关系曲线，示功图关系可以现场测量得到，也可以查阅标准的示功图曲线作为参考。悬点位置与悬点质量关系通过以下步骤得到。

由平衡块初始位置角度和抽油机的冲程得悬点初始位置，悬点初始位置如下式所示：

S_{0} = \frac{θ_{0}}{360} \cdot 2 CH

其中,S₀表示悬点的初始位置，θ₀表示平衡块初始位置角度，CH表示抽油机的冲程。

根据抽油机的冲次得到悬点运动周期，悬点运动周期如下式所示：

T = \frac{60}{CC}

其中,T表示悬点运动的周期，CC表示抽油机的冲次。

由悬点运动的周期和抽油机的冲程得到悬点平均运动速度，悬点平均运动速度如下式所示：

\overset{&OverBar;}{v} = \frac{2 CH}{T}

其中，表示悬点平均运动速度，T表示悬点运动的周期，CH表示抽油机的冲程。

由电动机的额定转速推算悬点运动速度的比例系数，悬点运动速度的比例系数如下式所示：

K = \frac{n_{N}}{\overset{&OverBar;}{v}}

其中，K表示悬点运动速度的比例系数，n_N电动机的额定转速，表示悬点平均运动速度。

由电动机当前的转速，得到悬点当前运动速度大小，悬点当前运动速度大小如下式所示：

v = \frac{n}{K}

其中，v表示悬点当前运动速度，K表示悬点运动速度的比例系数，n表示电动机当前的转速。

根据悬点的初始位置和悬点的当前运动速度，计算出悬点经过的冲程距离总和，悬点经过的冲程距离总和如下式所示：

S = S_{0} + {&Integral;}_{0}^{t} vdt

其中，S表示悬点经过的冲程距离总和，S₀表示悬点的初始位置，v表示悬点当前运动速度，dt表示时间的微分。

通过抽油机的表示抽油机的冲程和悬点经过的冲程距离总和以正弦函数模拟悬点运动过程的位移大小，悬点运动过程的位移大小如下式所示：

S_{f} = \frac{CH}{2} \cdot (1 - \cos (\frac{π}{CH} \cdot S))

求出悬点运动位移大小后，根据载荷-位移示功图，可得到与位移相对应的载荷质量大小。

第三，介绍建立悬点速度和悬点位置关系的步骤。

根据抽油机的冲程、冲次、和电动机的转速得到悬点运动过程的位移关系函数。悬点运动过程位移函数关系如下式所示：

S_{f} = \frac{CH}{2} \cdot (1 - \cos (\frac{π}{CH} \cdot S))

对悬点的位移求导得出悬点的速度，悬点的速度如下式所示：

v_{f} = {\overset{\cdot}{S}}_{f} = \frac{π}{2} \cdot \sin (\frac{π}{CH} \cdot S) \cdot v

其中，v_f表示悬点的速度，S_f表示抽油机悬点位移；CH表示抽油机的冲程；S表示悬点经过的冲程距离总和，v表示悬点速度标量大小。

第四，介绍根据悬点位置对应的悬点质量与悬点速度确定悬点做功功率的步骤。

根据抽油机载荷-位移示功图，由悬点位移S_f查出对应的悬点载荷，根据悬点载荷和悬点速度得到悬点功率。悬点的功率如下式所示：

P_{f} = F \cdot v_{f} = F \cdot \frac{π}{2} \cdot \sin (\frac{π}{CH} \cdot S) \cdot v

其中，P_f表示悬点的功率，F表示悬点的载荷，v_f表示悬点的速度，CH表示抽油机的冲程；S表示悬点经过的冲程距离总和，v表示悬点速度标量大小。

第五，根据悬点位置与平衡块的位置关系确定平衡块的功率；

根据杠杆关系式，利用悬点位置求出平衡块重力势能。

由悬点位置推导出平衡块重力所在位置的高度为：

H = R (1 + \cos (\frac{π}{CH} \cdot S))

其中，H表示平衡块重心所在位置的高度，R表示平衡块运动半径CH表示抽油机的冲程；S表示悬点经过的冲程距离总和。

根据平衡块重力所在高度计算得到平衡块的重力势能，平衡块的重力势能如下式所示：

W_{G} = M \cdot g \cdot H = M \cdot g \cdot R (1 + \cos (\frac{π}{CH} \cdot S))

其中，H表示平衡块重心所在位置的高度，M表示平衡块质量，g表示重力加速度，R表示平衡块运动半径，CH表示抽油机的冲程；S表示悬点经过的冲程距离总和。

对平衡块势能求导得平衡块做功功率，平衡块的做功功率如式下式所示：

P_{G} = {\overset{\cdot}{W}}_{G} = - MgR \sin (\frac{π}{CH} \cdot S) \cdot \frac{π}{CH} \cdot v

最后，介绍根据悬点的功率和平衡块的功率、电动机的角速度建立抽油机负载转矩模型。

悬点功率与平衡块功率之和为电动机功率，电动机功率除以电动机角速度等于电动机输出转矩。这个关系式是悬点位置和输出转矩的关系，将悬点位置用电动机速度表示，这个公式变成电动机速度与电动机输出转矩关系。悬点近似做匀速运动，电动机输出转矩近似等于电动机负载转矩，因此所求公式为电动机速度与负载转矩关系式。这是建模中标准的速度负载关系式，可以应用于电力系统仿真。

T_{m} = \frac{F \cdot v_{f} + P_{G}}{Ω} = \frac{F \cdot v_{f} + P_{G}}{2 πn / 60}

T_{m} = \frac{F \cdot \frac{π}{2} \cdot \sin (\frac{π}{CH} \cdot S) - M \cdot g \cdot R \sin (\frac{π}{CH} \cdot S) \cdot \frac{π}{CH}}{\frac{2 π \cdot K}{60}}

其中，T_m表示负载转矩，F表示悬点的载荷质量，v_f表示悬点速度矢量大小，P_G表示平衡块的功率，n表示电动机转速，S表示悬点经过的冲程距离总和，CH表示抽油机的冲程。M为平衡块质量，g为重力加速度，R表示平衡块重心所在位置的半径，K表示电动机转速与悬点速度标量的比例关系。

本发明还包括对抽油机负载转矩模型验证的步骤，具体包括：利用电力系统仿真软件对仿真模型验证或通过实物仿真平台对抽油机负载转矩模型验证。下面具体说明：

利用电力系统仿真软件(例如，利用DIgSILENT电力系统仿真软件)，对仿真模型进行校验、修改。利用抽油机负载转矩模型进行仿真，如果仿真曲线与实际曲线不符，修改参数直到符合实际情况。例如：根据现场录波装置记录的某一次短路事故，以及记录的短路电流大小来作为依据修正负载模型。用仿真软件仿真此次事故，比较仿真的短路电流和实际短路电，调整平衡块质量，平衡块半径，电动机转动惯量，使仿真结果与实际结果一致，这样的模型才是符合实际需要的。

如图1所示，本发明的抽油机建模方法采用通用仿真软件计算的电动机输出功率结果和现场实测结果对比示意图。仿真计算所得的电动机输出功率的最大值、最小值、曲线形状、交变频率与实测数据非常接近。

如图2所示，为本发明的抽油机建模方法采用通用仿真软件计算的抽油机悬点载荷-位移关系示功图和现场实测数据对比示意图。从图中可以看出仿真计算所得的示功图数据与实测数据基本一致。

如图3所示，本发明提供的抽油机负载转矩模型仿真系统包括：工控机、可编程逻辑控制器PLC、变频器，抽油机电动机和负载电动机；抽油机电动机和负载电动机同轴连接，负载电动机和变频器连接，可编程逻辑控制器PLC与变频器和工控机连接；将抽油机负载转矩模型载入可编程逻辑控制器中，控制变频器，进而控制负载电动机运动，形成负荷阻转矩，模拟抽油机负荷。抽油机电动机与负载电动机同轴连接，模拟游梁式抽油机带负载运行状态。

本发明利用实物仿真系统，对抽油机负载转矩模型进行校验、修改，使供的抽油机负载转矩模型仿真系统符合实际情况。具体地利用工控机、可编程逻辑控制器PLC、变频器、电动机模拟抽油机负荷，将模型参数输入可编程逻辑控制器PLC中，控制变频器和电动机模拟负荷转矩，将测量曲线与实际曲线做对比，修改模型参数。下面对本发明利用一种抽油机负载仿真系统对本发明提供的抽油机负载转矩模型验证的过程展开详细说明：

仿真时，将抽油机电动机的电磁转矩曲线记录下来，与油田现场同型号电动机电磁转矩曲线做对比，如有差别则修改负载模型中的平衡块质量，平衡块半径，电动机转动惯量，平衡块初始位置角度等参数，使仿真与实际的电磁转矩曲线相同。

如图4所示，为实物仿真系统电动机输出电磁转矩与实际抽油机电动机电磁转矩的对比，两者差别很小，可以认为负载模型达到了很高的准确度。

综上所述，本发明提供的抽油机负载转矩模型建立方法和仿真系统，简单、易行，通过测量、统计游梁式抽油机冲程，冲次，电动机转速，平衡块的质量、等值半径及其初始角度等参数，结合抽油机载荷-位移示功图曲线即可实现抽油机负荷模型的建立，具有较好的推广应用价值。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims

1.一种抽油机负载转矩模型建立方法，其特征在于，包括如下步骤：

根据示功图建立悬点位置与悬点质量的关系；

建立悬点速度和悬点位置关系；

2.如权利要求1所述的抽油机负载转矩模型建立方法，其特征在于，所述悬点位置与悬点质量的关系按以下步骤得到：

由平衡块初始位置角度和抽油机的冲程得悬点初始位置；

由抽油机的冲次得到悬点运动周期；

由悬点运动的周期和抽油机的冲程得到悬点平均运动速度；

由电动机的额定转速推算悬点运动速度的比例系数；

由电动机当前的转速，得到悬点当前运动速度大小；

3.如权利要求2所述的抽油机负载转矩模型建立方法，其特征在于，所述悬点运动过程的位移大小如下式所示：

S_{f} = \frac{CH}{2} \cdot (1 - \cos (\frac{π}{CH} \cdot S))

4.如权利要求1所述的抽油机负载转矩模型建立方法，其特征在于，所述建立悬点速度和悬点位置关系如下式所示：

v_{f} = {\overset{\cdot}{S}}_{f} = \frac{π}{2} \cdot \sin (\frac{π}{CH} \cdot S) \cdot v

5.如权利要求1所述的抽油机负载转矩模型建立方法，其特征在于，所述悬点做功功率如下式所示：

P_{f} = F \cdot v_{f} = F \cdot \frac{π}{2} \cdot \sin (\frac{π}{CH} \cdot S) \cdot v

6.如权利要求1所述的抽油机负载转矩模型建立方法，其特征在于，平衡块的功率按以下方式得到：

由悬点位置推导出平衡块重力所在位置的高度；

根据平衡块重力所在高度计算得到平衡块的重力势能；

对平衡块势能求导得平衡块做功功率；

平衡块的做功功率如式下式所示：

P_{G} = {\overset{\cdot}{W}}_{G} = - MgR \sin (\frac{π}{CH} \cdot S) \cdot \frac{π}{CH} \cdot v

7.如权利要求1所述的抽油机负载转矩模型建立方法，其特征在于，抽油机负载转矩模型如下式所示：

T_{m} = \frac{P_{f} + P_{G}}{Ω}

T_{m} = \frac{F \cdot \frac{π}{2} \cdot \sin (\frac{π}{CH} \cdot S) - M \cdot g \cdot R \sin (\frac{π}{CH} \cdot S) \cdot \frac{π}{CH}}{\frac{2 π \cdot K}{60}}

8.如权利要求1所述的抽油机负载转矩模型建立方法，其特征在于，还包括通过电力系统仿真软件或抽油机负载转矩仿真系统对所述抽油机负载转矩模型验证的步骤。

9.如权利要求7所述的抽油机负载转矩模型建立方法，其特征在于，所述通过电力系统仿真软件对所述抽油机负载转矩模型验证的步骤包括：

10.一种验证权利要求1-6任意一项所述抽油机负载转矩模型的抽油机负载转矩仿真系统，其特征在于包括：