CN110878685A - 一种游梁式抽油机实时动态平衡调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种一种游梁式抽油机实时动态平衡调节方法，其特征在于，包括如下步骤：1，在游梁顶端或尾部安装动态平衡调节装置；2，采集抽油机一个周期的电气量，计算出负载转矩；3，根据得到的负载转矩，计算出最大负载力矩；4，计算动态平衡调节装置的平衡力矩；当动态平衡调节装置离游梁支点最远时，计算出最大平衡力矩；5，根据最大负载转矩及最大平衡力矩计算平衡峰值降幅比；6，计算出一个周期不同时刻动态平衡调节装置相对于游梁支点的位移；7，计算出控制直流电机的控制电压，通过控制电源电压来改变电机的转速。改善抽油机运行工况，有效降低运行过程中动力电机的峰值功率，降低机械冲击，提高系统实用寿命，并达到节能目的。

Description

一种游梁式抽油机实时动态平衡调节方法

技术领域

本发明属于油田游梁式抽油机及节能控制领域，特别是涉及一种用于游梁式抽油机实时动态平衡调节的控制方法。

背景技术

游梁式抽油机是油田机采系统应用最广泛的设备之一，此类设备是典型的势能负荷系统，当电动机驱动此类装置时，电机在抽油机上冲程过程中通常处于重载，输出较大功率，而在下冲程过程中，抽油杆及液柱本身的重力通常可带动运转，电机输出功率较小。针对这种势能负载工况，相关研究领域提出并研究多种针对抽油机电机系统的节能技术。

由于运行工况的特点，使得电机运行效率及相应节能技术受到很大限制，尤其是抽油机系统的运行过程中的峰值功率的限制。以油田应用最为广泛的调压节能为例，调压节能的基本原理是通过降低电机的输入电压，使得电机铁耗以及铜耗降低来实现节能。油田中常见的固定调压方法包括：变压器分接头调压、自耦变压器调压。上述调压技术实现简单，不会产生电源污染，但其调节范围受峰值功率限制，节能效果无法达到预期目的。例如一台37kW抽油机电机，其平均功率通常为8kW左右，但其峰值功率可到30kW以上，此时电压调整参数要满足最大运行功率，因此限制了节能效果，无法最大程度提高系统效率。

为了改善上述条件，通过平衡调节是最为有效的方法之一。平衡调节是通过平衡装置改善抽油机运行过程的平衡度，平衡度提高可有效改善势能系统运行过程中的机械冲击，同时降低电机峰值功率，进而可降低电机的装机容量，提高运行效率。虽然游梁式抽油机均装有固定平衡装置，但此种平衡需要采用人工方式进行调节，其调节难度及工作量较大，因此在抽油机平衡状态改变后，通常不能通过固定平衡实现平衡度的及时调整。

针对上述问题，本发明结合大量现场实测曲线，在系统分析抽油机平衡力矩、负荷变化特点，以及相应节能方法限制因素的基础上，提出了平衡实时动态调节控制方法及装置。此装置的基本工作原理是，在衡梁上增加新平衡装置，此装置能够在游梁上左右移动。通过新平衡块的不同位置实现改变作用到曲柄轴上的等效力矩，完成平衡度的动态调节。

发明内容

本发明提出了一种用于游梁式抽油机采油系统机械及节能控制领域的实时动态平衡调节方法及装置。实现在改善抽油机机械冲击以及保证系统安全可靠性的同时，提高系统运行效率，达到节能目的。此方法及装置是采用在抽油机游梁顶端或尾端安装可动态调节的平衡装置，在一个运行周期内根据运行工况数据，实时调整平衡装置对系统的平衡力矩，有效平衡驴头负载力矩尤其是峰值力矩，进而降低抽油机电机及供电线路峰值功率，在实现降低抽油机机械冲击的同时提高系统效率。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种游梁式抽油机实时动态平衡调节方法，包括以下步骤：

步骤1，在游梁顶端或尾部安装动态平衡调节装置，使动态平衡调节装置处于初始位置，并以抽油机驴头下死点作为周期起始时刻；

步骤2，采集抽油机一个周期的电气量，计算出负载转矩T_L(k)，并记录保存；

步骤3，根据得到的负载转矩T_L(k)，计算出最大负载力矩T_LZ；

步骤4，计算动态平衡调节装置的平衡力矩T_D；当动态平衡调节装置离游梁支点最远时，计算出最大平衡力矩T_Dmax；

步骤5，根据最大负载转矩T_LZ及最大平衡力矩T_Dmax计算平衡峰值降幅比J₀；

步骤6，根据T_L(k)及J₀计算出一个周期不同时刻动态平衡调节装置相对于游梁支点的位移A_X(k)；

步骤7，由计算得到的A_X(k)计算出控制直流电机的控制电压u(k)，通过控制电源电压u(k)来改变电机的转速。

步骤2中，所述负载转矩T_L(k)的计算公式如下：

其中，E为感应电势，m为电机相数，ω₁为同步角速度，R₁为定子电阻，R_m为励磁电阻，X_m为励磁电抗，P₁为有功功率，I₁为相电流，T_m为机械损耗转矩，T_a为附加损耗转矩。

感应电势E的计算公式如下：

其中，X₁为定子电抗，Q₁为无功功率，U为相电压。

最大负载转矩T_LZ的计算公式如下：

T_LZ＝max{T_L(k)} (3)

其中，T_L(k)为T_L的离散表述形式，计算时相应的P₁、Q₁、I₁、U均采用离散形式P₁(k)、Q₁(k)、I₁(k)、U(k)。

所述平衡力矩T_D的计算公式如下：

T_D＝k_DT_uM_DA_xηcos(β_b) (4)

其中，k_D为力矩方向系数，本发明中k_D为1，M_D为动态平衡调节装置的最大等效力矩，T_u为变扭矩因数，η为传动效率，A_x为动平衡重物相对于游梁支点的位移，β_b为游梁相对于水平位置的角度。

当动态平衡调节装置离游梁支点最远时，A_X取值最大，最大值记为A_xmax，同时cos(β_b)等于1时，平衡力矩为最大值，记为T_Dmax：

T_Dmax＝k_DT_uM_DA_xmaxη (5)。

平衡峰值降幅比J₀的计算公式如下：

A_X(k)的计算公式如下：

其中，H_DQ为控制直流电机与曲柄轴间的传输效率。

控制直流电机的控制电源电压u(k)的计算公式如下：

u_X(k)＝[A_X(k+1)-A_X(k)]△t₀S₀ (8)

其中，△t₀为离散点时间间隔，S₀为转速变比系数，A_X[k]为k_*△t₀时刻位置的离散数据，其中k＝1，2，3……。

本发明的有益效果：

本发明所提出的游梁式抽油机实时动态平衡调节方法及装置，能够很好地适应不同工况的抽油机电动机负荷，改善抽油机运行工况，尤其是可有效降低运行过程中动力电机的峰值功率，降低机械冲击，提高系统实用寿命，并达到节能目的。本发明能够改善机械性能、降低能耗、降低工作量，保证了抽油机系统的正常稳定运行。另外，本发明不仅适用于油田抽油机，还可以适用于其它周期性势能负载。

附图说明

本发明有如下附图：

图1为本发明实时动态平衡调节过程中数据采集及控制过程流程图；

图2为实时动态平衡调节装置中平衡重物在游梁顶端的安装方式示意图；

图3为实时动态平衡调节装置中平衡重物游梁尾端的安装方式示意图；

图4为图3的局部放大图；

图5为本发明实时动态平衡调节过程中，新增动平衡力矩对抽油机系统等效作用示意图；

图6为本发明实时动态平衡调节过程中，通过电气量计算得到的负载力矩曲线图；

图7为井下动液面800米时，采用本发明的实时动态平衡调节与初始平衡、采用常规平衡调节方式电机功率曲线对比图；

图8为井下动液面500米时，采用本发明的实时动态平衡调节与初始平衡、采用常规平衡调节方式电机功率曲线对比图。

其中，1、动平衡重物，2、驱动螺杆，3、控制直流电机，4、驱动齿轮，5、游梁支点，6、游梁。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明所述的，一种游梁式抽油机实时动态平衡调节方法，包括以下步骤：

首先在游梁顶端或尾部安装动态平衡调节装置(如附图2、3)，动态平衡调节装置安装完成后其重力不变，通过控制直流电机3实时调节动平衡重物所处的位置或角度来改变力臂的大小，实现针对不同时刻的工况进行动态平衡力矩的调整。

所述实时动态平衡调节方法中，动平衡力矩是根据抽油机的负载转矩，实时调整其本身的作用力矩，实现中和负荷力矩进而降低电机输出力矩的目的，由抽油机电机输入端的电气量间接计算出电机的负载转矩，公式如下：

其中，E为感应电势，计算公式如下：

其中，最大负载转矩T_LZ公式表示如下：

T_LZ＝max{T_L(k)} (3)

上式中，m为电机相数，ω₁为同步角速度，R₁为定子电阻，R_m为励磁电阻，X₁为定子电抗，X_m为励磁电抗，P₁为有功功率，Q₁为无功功率、I₁为相电流，U为相电压，T_m为机械损耗转矩，T_a为附加损耗转矩，T_L(k)为T_L的离散表述形式，计算时相应的P₁、Q₁、I₁、U均采用离散形式P₁(k)、Q₁(k)、I₁(k)、U(k)。

所述实时动态平衡调节方法中，动态平衡调节装置以游梁支点为中心，其平衡力矩大小与所处位置(或角度)距游梁支点的距离，以及与游梁相对于水平位置的角度β_b有关，平衡力矩T_D的计算公式如下：

T_D＝k_DT_uM_DA_xηcos(β_b) (4)

上式中，A_x为动平衡重物1相对于游梁支点5的位移，当动态平衡调节装置离游梁支点5最远时，A_X取值最大，最大值记为A_xmax，同时cos(β_b)等于1时，则平衡力矩为最大值，记为T_Dmax。

T_Dmax＝k_DT_uM_DA_xmaxη (5)

式中，k_D为力矩方向系数，处于游梁支点5左侧时为+1，处于游梁支点右侧时-1，采用本文结构时k_D为1，M_D为动态平衡调节装置的最大等效力矩，T_u为变扭矩因数，η为传动效率。

所述实时动态平衡调节方法中，根据最大负载转矩T_LZ及最大平衡力矩T_Dmax可计算出平衡峰值降幅比J₀，公式如下：

所述实时动态平衡调节方法中，动平衡重物1对系统的作用力矩，是通过实时控制动平衡重物1的实时位置A_X(k)(或角度)进而改变作用力臂的方式实现，A_X(k)的计算公式如下：

上式中，H_DQ为控制直流电机与曲柄轴间的传输效率。

所述实时动态平衡调节方法中，动态平衡调节装置位置的移动是通过装置中的控制直流电机驱动螺杆(齿轮)来实现，而不同时刻的位移速度，采用控制电压来改变电机转速的方式实现，控制直流电机的控制电源电压u(k)的计算公式如下：

u_X(k)＝[A_X(k+1)-A_X(k)]△t₀S₀ (8)

上式中，△t₀为离散点时间间隔，S₀为转速变比系数，A_X[k]为k_*△t₀时刻位置的离散数据，其中k＝1，2，3……。

一种游梁式抽油机实时动态平衡调节装置(图2)，用于实现上述调节方法，包括：动平衡重物1、驱动螺杆2和控制直流电机3，控制直流电机3安装于抽油机游梁6的一端，游梁6上方平行安装有驱动螺杆2，驱动螺杆2的一端与控制直流电机3连接；所述动平衡重物1与驱动螺杆2螺纹连接，并能够沿驱动螺杆2左右移动。所述驱动螺杆2在控制直流电机3的驱动下，带动所述动平衡重物1移动。

一种游梁式抽油机实时动态平衡调节装置(图3、4)，用于实现上述调节方法，包括：动平衡重物1、驱动齿轮4和控制直流电机3，所述动态平衡调节装置设置于游梁6的后端，所述驱动齿轮4在控制直流电机3的驱动下，带动所述动平衡重物1移动。

图5为本发明实时动态平衡调节过程中，新增动平衡力矩对抽油机系统等效作用示意图，其本质是通过改变等效力臂实现平衡力矩的调整；

一、准备工作

1、测试前在抽油机处于稳定运行状态，且动态平衡调节装置已经安装完成。

2、动态平衡调节装置处于初始位置，并以抽油机驴头下死点作为周期起始时刻。

二、控制过程

1、采集抽油机一个周期的电气量，计算出负载转矩T_L(k)，并记录保存，如图6所示。

2、根据得到的负载转矩，计算出最大负载力矩T_LZ。

3、在A_X取值最大，同时cos(β)等于1时，计算出最大平衡力矩T_Dmax。

4、计算平衡峰值降幅比J₀。

5、根据负载转矩及峰值最大降幅计算出一个周期不同时刻的A_X(k)。

6、由计算得到的A_X(k)计算出控制直流电机的控制电源电压u(k)，通过控制电源电压u(k)来改变电机的转速，从而实现降低抽油机的动力电机的峰值功率的目的，提高系统运行效率。

三、实施例说明

1、实施例1：如图7所示，为某油田10型抽油机37kW异步电动机，在动液面为800米时，现场实测的采用本发明的实时动态平衡调节方法与常规平衡调节的功率对比曲线图。采用常规平衡调节，最佳效果时其峰值功率为31kW，综合节能率为2.1％；采用实时动态平衡调节控制方法，其峰值功率降低为22kW，综合节能率为6.4％。

1、实施例2：如图8所示，为某油田10型抽油机37kW异步电动机，在动液面为500米时，现场实测的采用本发明的实时动态平衡调节方法与常规平衡调节的功率对比曲线图。采用常规平衡调节，最佳效果时其峰值功率为27kW，综合节能率为4.6％；采用实时动态平衡调节控制方法，其峰值功率降低为16kW，综合节能率为8.4％。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种游梁式抽油机实时动态平衡调节方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，在游梁顶端或尾部安装动态平衡调节装置，使动态平衡调节装置处于初始位置，并以抽油机驴头下死点作为周期起始时刻；

步骤2，采集抽油机一个周期的电气量，计算出负载转矩T_L(k)，并记录保存；

步骤3，根据得到的负载转矩T_L(k)，计算出最大负载力矩T_LZ；

步骤4，计算动态平衡调节装置的平衡力矩T_D；当动态平衡调节装置离游梁支点最远时，计算出最大平衡力矩T_Dmax；

步骤5，根据最大负载转矩T_LZ及最大平衡力矩T_Dmax计算平衡峰值降幅比J₀；

步骤6，根据T_L(k)及J₀计算出一个周期不同时刻动态平衡调节装置相对于游梁支点的位移A_X(k)；

步骤7，由计算得到的A_X(k)计算出控制直流电机的控制电压u(k)，通过控制电源电压u(k)来改变电机的转速。

2.如权利要求1所述的游梁式抽油机实时动态平衡调节方法，其特征在于，步骤2中，所述负载转矩T_L(k)的计算公式如下：

其中，E为感应电势，m为电机相数，ω₁为同步角速度，R₁为定子电阻，R_m为励磁电阻，X_m为励磁电抗，P₁为有功功率，I₁为相电流，T_m为机械损耗转矩，T_a为附加损耗转矩。

3.如权利要求2所述的游梁式抽油机实时动态平衡调节方法，其特征在于，感应电势E的计算公式如下：

其中，X₁为定子电抗，Q₁为无功功率，U为相电压。

4.如权利要求3所述的游梁式抽油机实时动态平衡调节方法，其特征在于，最大负载转矩T_LZ的计算公式如下：

T_LZ＝max{T_L(k)} (3)

其中，T_L(k)为T_L的离散表述形式，计算时相应的P₁、Q₁、I₁、U均采用离散形式P₁(k)、Q₁(k)、I₁(k)、U(k)。

5.如权利要求4所述的游梁式抽油机实时动态平衡调节方法，其特征在于，所述平衡力矩T_D的计算公式如下：

T_D＝k_DT_uM_DA_xηcos(β_b) (4)

其中，k_D为力矩方向系数，k_D为1，M_D为动态平衡调节装置的最大等效力矩，T_u为变扭矩因数，η为传动效率，A_x为动平衡重物相对于游梁支点的位移，β_b为游梁相对于水平位置的角度。

6.如权利要求5所述的游梁式抽油机实时动态平衡调节方法，其特征在于，当动态平衡调节装置离游梁支点最远时，A_X取值最大，最大值记为A_xmax，同时cos(β_b)等于1时，平衡力矩为最大值，记为T_Dmax：

T_Dmax＝k_DT_uM_DA_xmaxη (5)。

7.如权利要求6所述的游梁式抽油机实时动态平衡调节方法，其特征在于，平衡峰值降幅比J₀的计算公式如下：

8.如权利要求7所述的游梁式抽油机实时动态平衡调节方法，其特征在于，A_X(k)的计算公式如下：

其中，H_DQ为控制直流电机与曲柄轴间的传输效率。

9.如权利要求8所述的游梁式抽油机实时动态平衡调节方法，其特征在于，控制直流电机的控制电源电压u(k)的计算公式如下：

u_X(k)＝[A_X(k+1)-A_X(k)]△t₀S₀ (8)

其中，△t₀为离散点时间间隔，S₀为转速变比系数，A_X[k]为k_*△t₀时刻位置的离散数据，其中k＝1，2，3……。

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