CN110912487A - 一种用于抽油机平衡动态调节融合多级调压节能控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种用于抽油机平衡动态调节融合多级调压节能控制方法。采用平衡实时动态调节与多级调压相结合的技术，具体的实现方式是：首先，通过安装动态调节平衡装置，并根据抽油机结构尺寸及运行周期等参数，实现平衡力矩的实时调整，在完成平衡度在线调整的同时有效降低抽油机电机运行的峰值功率；其次，根据抽油机平衡调整后的工况，在得到运行功率并辨识出最大功率的基础上，判定出重载运行区间持续时间，以此为依据计算出电机调压等级最低限定值；最后，根据多档位双绕组变压器与电机星、角接线相结合方式实现的多种调压等级，选择满足限制要求电压等级，且最小电机损耗为最终控制调压等级，实现最大程度提高电机及供电线路效率目的。

Description

一种用于抽油机平衡动态调节融合多级调压节能控制方法
技术领域
本发明属于油田游梁式抽油机系统采油节能控制领域，特别是涉及一种用于抽油机平衡动态调节融合多级调压节能控制方法。
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，该设备的负荷具有一定的周期性，电机在一个周期的运行过程中功率波动范围较大，峰值功率可达到电机的额定功率，最小功率时可出现倒发电状态，平均功率一般小于其额定功率的1/3，但为实现起动及满足安全运行需求，选取的电机额定功率通常要高于运行过程中最大功率，由此导致抽油机电机处于“大马拉小车”的低效率运行状态。针对这种周期性势能负载的节能技术主要包括：调压节能、平衡调节、断续供电、星角转换、电容补偿、永磁同步电机、多速电机、变频调速、间抽等。
上述节能技术中，调压节能是电机应用最广的节能技术，其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实现节能。而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。由于运行工况的特点，传统的平衡调节方式，在实际工程中虽然可以在一定程度上降低峰值功率，但受其本身机构及控制方法的限制效果并不明显。例如，一台37kW抽油机电机，常规平衡调节方式下，其运行的平衡度达到0.95时，其平均功率通常为8.2kW左右，但其峰值功率可到31kW以上。在这种工况下，如采用调压控制，由于其峰值功率已经达到了31kW，固定调压幅度很小，效果并不明显。如通过电子开关控制方式的动态调压，这样会给电源带来谐波污染，对电网安全带来隐患。
为了解决上述条件，本发明在结合抽油机机械机构及运行工况，以及调压节能损耗构成和转矩特性，并进一步分析了大量现场实测曲线的基础上，提出了用于抽油机平衡动态调节融合多级调压节能控制方法。基本工作原理是，通过安装可动态调节平衡装置，并根据负荷特点调节其产生的平衡力矩，实现平衡度在线调整同时有效降低抽油机电机运行峰值功率，抽油机电机峰值功率降低后，通过多档位双绕组变压器与星角结合方式实现多等级调压节能，并以电机的最大输出转矩可满足负载峰值为限制条件，同时以电机损耗最小确定调压等级，最终达到针对电机及供电线路节能目的。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于抽油机平衡动态调节融合多级调压节能控制方法。
本发明主要用于游梁式抽油机采油系统节能控制领域中平衡实时动态调节与多级调压相结合的节能控制，在降低抽油机机械冲击以及峰值功率的同时，通过多级调压方式降低电机及供电线路损耗，提高系统运行效率达到节能目的。具体方法是，通过安装动态调节平衡装置，并根据负荷特点实时调节其产生的平衡力矩，实现平衡度在线调整同时有效降低抽油机电机运行峰值功率，抽油机电机峰值功率降低后，通过多档位双绕组变压器与电机星、角接线相结合方式实现多等级调压节能，并以电机的最大输出转矩可满足负载峰值为限制条件，同时以电机损耗最小确定调压等级，最终达到针对电机及供电线路节能目的。
实现平衡动态调整、降低抽油机机械冲击的同时，通过多级调压方式降低电机及供电线路损耗，提高系统运行效率达到节能目的。此方法及装置是通过安装可动态调节平衡装置，实现平衡度在线调整的同时降低抽油机电机运行峰值功率，在此基础上，通过多档位双绕组变压器与电机星、角接线相结合方式实现多等级调压节能，其调压等级在满足稳定运行限定条件下，电机可产生最小损耗。最终达到针对电机及供电线路节能目的。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
所述动态调节平衡装置包括动平衡重物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4的一端，游梁4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。
一种用于抽油机平衡动态调节融合多级调压节能控制方法，通过在游梁4顶端安装动平衡重物1和驱动螺杆2，通过控制直流电机3实时调整动平衡重物1的位置来平衡力矩；包括以下步骤：
步骤1，利用动态调节平衡装置，通过控制直流电机实时调整动平衡重物的等效力臂ADX实现平衡力矩的调整，从而实现动平衡的实时控制，进而降低抽油机电机运行的峰值功率；ADX的控制方法如下：
Figure BDA0002249271110000031
其中，t为一个周期内，从下死点开始，抽油机的运行时间；T0为抽油机运行周期；aJ为模糊控制方法中专家修正系数；ADXmax为最大等效力臂；AD0为动平衡重物初始位置；AD0的确定方法如下：
AD0＝ηADXmax (2)
式中，η为抽油机初始状态平衡度，η＜1。
步骤2，动平衡的实时控制完成后，在进行调压节能控制前，首先根据检测到的抽油机一个周期运行的输入功率离散数据P1(k)，辨识出峰值功率P1max以及重载运行区域持续时间Tz，运行在重载区域的判定条件如下：
P1(k)>＝P1maxb0 (3)
其中，b0为重载系数，通常取值为0.85～0.95之间，重载运行区域持续时间Tz公式如下：
TZ＝△tNZ (4)
其中，△t为离散点时间间隔，NZ为满足运行在重载的离散点数。
步骤3，在进行多级调压控制时，为保证系统安全稳定运行，调压后电机最大输出转矩应可满足最大负载需求，基于电机原理，根据峰值功率P1max及调压安全系数a0，计算最低电压限定值UT-min；最低电压限定值UT-min计算公式如下：
Figure BDA0002249271110000041
上式中，X1为电机定子电抗，X2'为转子电抗，R1为定子电阻，a0为调压安全系数，I1max为峰值功率对应的输入电流，PFe为电机铁耗，m为相数。
所述调压安全系数a0与重载运行区域持续时间Tz相对抽油机运行周期T0的占比б相关，其确定方法如下：
Figure BDA0002249271110000042
其中，б＝100Tz/T0。
步骤4，采用两挡位双绕组变压器与星角接线相结合，以角接降压、星接升压、星接、星接降压的控制方式实现调压，调压后得到电压等级矩阵UT(j)；电压等级矩阵UT(j)形式如下：
UT(j)＝[U△-UOD，U△-UOG，UY+UOG，UY+UOD，UY，UY-UOD]
(7)
上式中，U△为角接绕组电压，UY为星接绕组电压，UOG为双绕组变压器高档位电压值，UOD为双绕组变压器低档位电压值，j为矩阵元素位置数，取值为1，2….。
步骤5，选择电压等级矩阵UT(j)中大于或等于最低电压限定值UT-min的调压等级，计算最小电机损耗P∑min，以最小电机损耗的调压等级作为最终控制调压等级，其中不同电压等级电机损耗P∑计算方法如下：
Figure BDA0002249271110000051
选取最小电机损耗P∑min计算公式如下：
P∑min＝min[P∑(j)] (9)
上式中，U1为额定电压、R2'为转子电阻。
本发明的有益效果为：
本发明所提出的用于抽油机平衡动态调节融合多级调压节能控制方法，适应于不同工况的游梁式抽油机电动机负荷，在改善抽油机运行工况，尤其是可有效降低运行过程中的峰值功率，降低机械冲击的基础上，通过多级调压的方式降低电机及供电线路损耗并达到节能目的。另外，本发明不仅适用于油田抽油机电动机负荷，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与多级调压相结合的节能控制过程流程图；
图2为实现平衡力矩调整的动态调节平衡装置结构示意图，其中动平衡重物位置的移动是通过控制直流电机驱动螺杆转动方式实现；
图3为多级调压的原理图，通过调压器的两个挡位与电机星、角接线相结合，即可实现6种电压等级的节能控制；
图4为多级调压控制实现流程图，通断开关可采用接触器及电子开关两种方式。
图5为某油田37kW抽油机，根据本发明实时动态平衡调节方法控制前后，电机输入功率的对比曲线。
图6为图5中的抽油机，根据本发明平衡实时动态调节与采用多级调压控制完成前后，电机损耗对比曲线。
图7为某油田运行的37kW抽油机，根据本发明实时动态平衡调节方法控制前后，电机输入功率的对比曲线。
图8为图7中的抽油机，根据本发明平衡实时动态调节与采用多级调压控制完成前后，电机损耗对比曲线。
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1～4所示，本发明所述的一种用于抽油机平衡动态调节融合多级调压节能控制方法，包括如下步骤：
一、准备工作
1、测试前抽油机达到稳定运行，且动平衡多级调压相结合的节能装置已经安装完成。
2、动平衡调节重物位于初始位置，调压控制相应的通断开关处于断开状态。
二、控制过程
1、利用动态调节平衡装置，根据抽油机参数及运行周期，计算出通过动态调节平衡装置控制动平衡重物的等效力臂ADX，完成动平衡的实时控制，进而降低抽油机电机运行功率。
2、动平衡的实时控制完成后，根据检测并记录的抽油机一个周期运行的输入功率离散数据P1(k)，辨识出峰值功率P1max，并以此为依据得到重载运行区域的持续时间Tz。
3、根据重载运行区域的持续时间Tz，确定调压安全系数a0值。
4、调压后电机最大输出转矩应可满足最大负载需求，则根据电机原理及调压安全系数a0，计算出最低电压限定值UT-min。
5、根据调压器参数以及实测电源电压值，计算出调压等级矩阵UT(j)中数值。
6、选择调压等级矩阵UT(j)中大于或等于UT-min调压等级，且以最小电机损耗的调压等级作为最终控制调压。
三、实施例说明
实施例1：
如图5所示，为某油田抽油机37kW电动机，现场实测的平衡实时动态调节控制方法与常规运行的输入功率对比曲线。从图5中可知，采用实时动态平衡调节控制后，其峰值功率由35kW降低为22kW，效果显著。
图6是在降低峰值功率的基础上，与多级调压相结合，控制前后的电机损耗曲线，由上述曲线及数值计算可知，不采用平衡调节前，其运行工况无法实现调压节能控制，而进行平衡调节后，电压等级可调节为260，损耗降低了783W，节能效果达到12％。
实施例2：
如图7所示，为某油田另一台抽油机37kW电动机，现场实测的平衡实时动态调节控制方法与常规运行的输入功率对比曲线。从图7中可知，采用实时动态平衡调节控制后，其峰值功率由38kW降低为23.4kW。
图8是在降低峰值功率的基础上，与多级调压相结合，控制前后的电机损耗曲线，由上述曲线及数值计算可知，不采用平衡调节前，其运行工况无法实现调压节能控制，而进行平衡调节后，电压等级可调节为220，损耗降低了896W，节能效果达到14％。
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 (8)

1.一种用于抽油机平衡动态调节融合多级调压节能控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1，利用动态调节平衡装置，通过控制直流电机实时调整动平衡重物的等效力臂ADX实现平衡力矩的调整，从而实现动平衡的实时控制，进而降低抽油机电机运行的峰值功率；
步骤2，动平衡的实时控制完成后，在进行调压节能控制前，首先根据检测到的抽油机一个周期运行的输入功率离散数据P1(k)，辨识出峰值功率P1max以及重载运行区域持续时间Tz；
步骤3，在进行多级调压控制时，为保证系统安全稳定运行，基于电机原理，根据峰值功率P1max及调压安全系数a0，计算最低电压限定值UT-min；所述调压安全系数a0根据重载运行区域持续时间Tz得到；
步骤4，采用两挡位双绕组变压器与星角接线相结合，以角接降压、星接升压、星接、星接降压的控制方式实现调压，调压后得到电压等级矩阵UT(j)；
步骤5，选择电压等级矩阵UT(j)中大于或等于最低电压限定值UT-min的调压等级，计算最小电机损耗P∑min，以最小电机损耗的调压等级作为最终控制调压等级。
2.如权利要求1所述的用于抽油机平衡动态调节融合多级调压节能控制方法，其特征在于，步骤1中，动平衡重物的等效力臂ADX的控制方法如下：
Figure FDA0002249271100000011
其中，t为一个周期内，从下死点开始，抽油机的运行时间；T0为抽油机运行周期；ADXmax为最大等效力臂；aJ为模糊控制方法中专家修正系数；AD0为动平衡重物初始位置。
3.如权利要求2所述的用于抽油机平衡动态调节融合多级调压节能控制方法，其特征在于，所述动平衡重物初始位置AD0的确定方法如下：
AD0＝ηADXmax (2)
其中，η为抽油机初始状态平衡度，η＜1。
4.如权利要求1所述的用于抽油机平衡动态调节融合多级调压节能控制方法，其特征在于，步骤2中，运行在重载区域的判定条件如下：
P1(k)>＝P1maxb0 (3)
其中，b0为重载系数，取值为0.85～0.95；
重载运行区域持续时间Tz的计算公式如下：
TZ＝△tNZ (4)
其中，△t为离散点时间间隔，NZ为满足运行在重载的离散点数。
5.如权利要求4所述的用于抽油机平衡动态调节融合多级调压节能控制方法，其特征在于，步骤3中，所述电压最低限定值UT-min的计算公式如下：
Figure FDA0002249271100000021
上式中，X1为电机定子电抗，X2'为转子电抗，R1为定子电阻，a0为调压安全系数，I1max为峰值功率对应的输入电流，PFe为电机铁耗，m为相数。
6.如权利要求5所述的用于抽油机平衡动态调节融合多级调压节能控制方法，其特征在于，步骤3中，所述调压安全系数a0与重载运行区域持续时间Tz相对抽油机运行周期T0的占比б相关，其确定方法如下：
Figure FDA0002249271100000031
其中，б＝100Tz/T0。
7.如权利要求1所述的用于抽油机平衡动态调节融合多级调压节能控制方法，其特征在于，步骤4中，所述电压等级矩阵UT(j)的形式如下：
UT(j)＝[U△-UOD，U△-UOG，UY+UOG，UY+UOD，UY，UY-UOD] (7)
上式中，U△为角接绕组电压，UY为星接绕组电压，UOG为双绕组变压器高档位电压值，UOD为双绕组变压器低档位电压值，j为矩阵元素位置数，取值为1，2….。
8.如权利要求1所述的用于抽油机平衡动态调节融合多级调压节能控制方法，其特征在于，步骤5中，不同电压等级电机损耗P∑计算方法如下：
Figure FDA0002249271100000032
所述最小电机损耗P∑min计算公式如下：
P∑min＝min[P∑(j)] (9)
上式中，U1为额定电压、R2'为转子电阻。
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