CN113866496A - 一种游梁式抽油机示功图软测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测量领域，具体公开了一种游梁式抽油机示功图软测量方法及装置。其测量方法是采用一种示功图软测量装置采集抽油机游梁倾角、驱动电机输入电参数，根据建立的游梁倾角、驱动电机输入电参数与抽油机悬点位移、载荷之间的数学模型，实现对抽油机示功图的软测量。其抽油机示功图软测量装置由抽油机驱动电机电参量采集单元、抽油机驱动电机电参量处理单元、输出执行单元三大工作单元组成。本发明是一种典型的“以软代硬”间接软测量方法，不受抽油杆交变载荷拉伸影响，稳定性好、寿命长，也不受曲柄转角测量传感器安装位置影响，维护方便，工程实用性强。

Description

一种游梁式抽油机示功图软测量方法及装置

技术领域

本发明属于油田采油生产过程状态监测及机采提效控制技术领域，涉及一种游梁式抽油机示功图软测量方法及装置。

背景技术

游梁式抽油机示功图的准确测量是分析油田生产运行动态、制定和优化油田开发方案的关键技术。通过测量抽油机示功图，可以了解地层井筒油液供排关系，分析抽油机系统运行状况以及各类异常故障现象，有效提高油田采收率和管控水平。

目前本领域公知的测量方法主要有载荷位移传感器法和电参数反演法。载荷位移传感器法是利用载荷传感器测量抽油机悬点实时载荷、用直线或角位移传感器测量光杆实时位移直接获得示功图，例如装在抽油机悬点处、游梁处的各种示功仪等，这类方法简单直接，至今仍然占据市场主导地位，但不足之处在于其测力传感器长期承受交变载荷拉伸影响，容易发生零点漂移现象，稳定性差、寿命短；电参数反演法是通过研究电机、皮带、减速器的效率与扭矩传递之间的变化规律，建立基于电参数的示功图求解模型，得到示功图，但此类方法中悬点位移、载荷的计算普遍以曲柄转角为基础，受曲柄转角测量传感器安装位置狭小、安装方式较困难、维护不方便等因素制约，此法在工程应用中难以有效发挥作用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有方法的不足，提供一种游梁式抽油机示功图软测量方法及装置，通过实时监测抽油机游梁倾角、驱动电机输入电参量来实现示功图的在线软测量。

本发明所述游梁式抽油机示功图的软测量方法，包括以下实施步骤：

步骤一、通过游梁式抽油机示功图(以下简称抽油机示功图)软测量装置的三相电压检测模块和三相电流检测模块采集抽油机驱动电机的瞬时电压值u_ai(t)、u_bi(t)、u_ci(t)和瞬时电流值i_ai(t)、i_bi(t)、i_ci(t)，由安装于抽油机游梁处的游梁倾角测量模块测量游梁前臂与水平线X夹角Ω_i(即游梁倾角)对应的电流值I_si(t)，由抽油机示功图软测量装置的DSP系统模块计算获得驱动电机输入的瞬时合相有功功率值p_i(t)、游梁倾角Ω_i(当游梁前臂在水平线以上时取为正值，在水平线以下时为负值)，再由平均有功功率定义计算获得驱动电机输入平均有功电功率值P_i，其中下标a、b、c分别表示三相交流电制中的a相、b相、c相电，下标i表示一个冲程周期内第i个采样点，i＝1，2，3…；

步骤二、由DSP系统模块计算获得游梁倾角Ω_i变化周期T，即抽油机冲程周期T，由抽油机示功图软测量装置的单片机系统模块根据公式(1)计算悬点位移S_i，

在公式(1)中，S_i表示某个冲程周期悬点位移的第i个采样点，i＝1，2，3…，参考附图1(四连杆结构图)，A为游梁前臂长度、C为游梁后臂长度、R为曲柄长度、K为基杆长度(也称极距，减速器输出轴中心到曲柄销轴承中心的距离)、P为连杆长度(横梁轴承中心到曲柄销轴承中心的距离)、H为游梁支承中心到减速器输出轴中心的垂直距离、I为游梁支承中心到减速器输出轴中心的水平距离，单位均为米(m)，当抽油机型号确定时，这些参数就是确定和已知的，Ω_i为游梁倾角(游梁前臂与水平线X的夹角)，由装设在游梁O₁处的倾角传感器在线测量，单位为度(°)；

步骤三、由抽油机示功图软测量装置的单片机系统模块根据公式(2)计算扭矩因数

其中，

在公式(2)、(3)、(4)、(5)中，如附图1(四连杆结构图)所示，β₁为K₄与K₂的夹角、β₂为R与K₄的夹角、单位均为度(°)，K₁、K₂、K₃、K₄为各虚线的长度，单位均为米(m)；

步骤四、由抽油机示功图软测量装置的单片机系统模块根据公式(6)计算抽油机悬点载荷W_i(以曲柄平衡方式为例描述)，

公式(6)中，W_i表示某个冲程周期悬点载荷的第i个采样点，i＝1，2，3…，η为驱动电机效率、η_E是驱动电机到曲柄轴的传动效率、n为驱动电机轴转速、B为结构不平衡重，当驱动电机型号、减速器输出轴转速和抽油机型号确定时，这些参数就是确定和已知的，Q_e是曲柄平衡块重力与曲柄自重的等效载荷，随着平衡块调整时测量一次即可已知；

步骤五、由抽油机示功图软测量装置的CPLD逻辑与组合系统模块根据一个冲程周期T内的悬点位移S_i、载荷W_i在液晶屏上绘制出示功图。

本发明所述一种抽油机示功图的软测量装置，包括：

抽油机驱动电机电参量采集单元、抽油机驱动电机电参量处理单元和输出执行单元。其中：

所述抽油机驱动电机电参量采集单元由三相电压检测模块、三相电流检测模块、游梁倾角测量模块和遥信检测与闭锁模块组成；

所述抽油机驱动电机电参量处理单元由单片机系统模块、DSP系统模块、CPLD逻辑与组合系统模块、模拟信号调理电路模块、数字信号调理电路模块、串行通信模块、液晶显示模块和键盘模块组成；

所述输出执行单元由光电耦合器和控制输出模块组成；

所述三相电压检测模块、三相电流检测模块、游梁倾角测量模块的输出端分别接入所述抽油机驱动电机电参量处理单元内的所述模拟信号调理电路模块的输入端，所述遥信检测与闭锁模块的输出端接入所述抽油机驱动电机电参量处理单元内所述数字信号调理电路模块的输入端；

所述模拟信号调理电路模块的输出端接至所述DSP系统模块的输入端，所述数字信号调理电路模块的输出端接至所述CPLD逻辑与组合系统模块，所述DSP系统模块通过标准SPI总线与所述单片机系统模块电连接，同时通过通用并行输入输出口与所述CPLD逻辑与组合系统模块电连接，所述单片机系统模块通过通用并行输入输出口和所述CPLD逻辑与组合系统模块电连接，所述串行通信模块通过第一个磁耦合器模块隔离后与所述单片机系统模块内嵌的UART串行口电连接，所述键盘模块的输出端经第三个磁耦合器模块隔离后与所述CPLD逻辑与组合系统模块的输入端电连接，所述CPLD逻辑与组合系统模块的显示输出端经第二个磁耦合器模块隔离后与所述液晶显示模块的输入端电连接；

所述控制输出模块通过所述光电耦合器隔离后与所述抽油机驱动电机电参量处理单元内所述CPLD逻辑与组合系统模块的输出端电连接。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明所述方法及装置通过实时监测抽油机游梁倾角、驱动电机电参量实现抽油机示功图的测量，是一种典型的“以软代硬”软测量方法，不受抽油杆交变载荷拉伸影响，稳定性好、寿命长；

2、不受曲柄转角安装位置影响，维护方便，工程实用性强。

附图说明

图1为本发明所述的抽油机的四连杆结构图；

其基本参数及意义表示如下：

H——抽油机游梁支承中心点到底座最下方的高度(m)；

I——游梁支承中心到减速器输出轴中心的水平距离(m)；

A——抽油机游梁前臂的长度(m)；

C——抽油机游梁后臂的长度(m)；

R——曲柄半径(m)；

K——极距，减速器输出轴中心到游梁支承中心的距离(m)；

P——连杆长度，横梁轴承中心到曲柄销轴承中心的距离(m)；

X——水平线(实际不存在)；

ψ——抽油机游梁后臂与极距之间的夹角(°)。

β——抽油机游梁后臂与连杆的夹角(°)；

Ω——游梁倾角，当游梁前臂在水平线以上时为正值，而当游梁前臂在水平线以下时为负值(°)；

图2为本发明所述的抽油机示功图软测量装置的硬件原理图。

具体实施方式

下面以采用曲柄平衡的游梁式抽油机为例，结合附图对本发明做进一步详细描述。

本发明所述抽油机示功图软测量方法的基本内容是通过抽油机示功图软测量装置的三相电压检测模块1和三相电流检测模块2分别采集抽油机系统中驱动电机的三相瞬时输入电压u_ai(t)、u_bi(t)、u_ci(t)和瞬时输入电流值i_ai(t)、i_bi(t)、i_ci(t)，经模拟信号调理电路模块5放大、限幅、滤波、I/V变换后，根据瞬时功率定义公式由抽油机示功图软测量装置的DSP系统模块计算获得驱动电机输入的瞬时合相有功功率值p_i(t)，再由平均有功功率定义计算获得驱动电机输入平均有功电功率值P_i，通过游梁倾角测量模块3测量游梁前臂与水平线X夹角Ω_i(即游梁倾角)对应的电流值I_si(t)，经模拟信号调理电路模块5放大、限幅、滤波、I/V变换后，由抽油机示功图软测量装置的DSP系统模块计算获得游梁倾角Ω_i；

由DSP系统模块计算获得游梁倾角的变化周期识别抽油机冲程周期T，由抽油机示功图软测量装置的单片机系统模块8根据前述发明内容实施步骤中的公式(1)计算悬点位移S_i，各参量及其定义见附图1；

由抽油机示功图软测量装置的单片机系统模块8根据公式(2)计算出扭矩因数

其中各未知参量可通过公式(3)、(4)计算，相关参量及其定义参考附图1；

由抽油机示功图软测量装置的单片机系统模块8根据公式(6)，计算得到悬点载荷W_i，其中各未知参量可通过公式(4)、(5)计算；

由抽油机示功图软测量装置的CPLD逻辑与组合系统模块9利用一个冲程周期T内的S_i、W_i在液晶显示模块14上绘制示功图。

本发明所述抽油机示功图软测量装置的一种实施例结构如附图2所示，它由抽油机驱动电机电参量采集单元、抽油机驱动电机电参量处理单元、输出执行单元三大工作单元组成，抽油机驱动电机电参量采集单元、输出执行单元分别通过相应接口与抽油机驱动电机电参量处理单元电连接。

抽油机驱动电机电参量采集单元由三相电压检测模块1、三相电流检测模块2、游梁倾角测量模块3和遥信检测与闭锁模块4组成，三相电压检测模块1、三相电流检测模块2、游梁倾角测量模块3的输出端接入驱动电机电参量处理单元内模拟信号调理电路模块5的输入端，遥信检测与闭锁模块4的输出端接入驱动电机电参量处理单元内数字信号调理电路模块6的输入端。

工作时，抽油机配电箱馈电线路中(即抽油机驱动电机电能输入回路)的三线电压通过直采方式送入三相电压检测模块1，三线电流通过既有的电流互感器变换后送入三相电流检测模块2，分别经抽油机驱动电机电参量处理单元内模拟信号调理电路模块5处理后得到抽油机驱动电机电能输入回路的瞬时电压值u_ai(t)、u_bi(t)、u_ci(t)和瞬时电流值i_ai(t)、i_bi(t)、i_ci(t)，抽油机游梁倾角对应的电流值通过直采方式送入游梁倾角测量模块3，经抽油机驱动电机电参量处理单元内模拟信号调理电路模块5处理后得到抽油机的游梁倾角对应的电流值I_si(t)。

具体实例的结构设计上，三相电压检测模块1采用三只并列的电压互感器(如HPT304A、HRPT-1)，三相电流检测模块2采用三只并列的电流互感器(如HCT255A、HRCT-1)，游梁倾角测量模块3采用常见的倾斜传感器，遥信检测与闭锁模块4直接取自配电箱中空气开关的辅助触点信号。

所述抽油机驱动电机电参量处理单元由单片机系统模块8、DSP系统模块7、CPLD逻辑与组合系统模块9、模拟信号调理电路模块5、数字信号调理电路模块6、串行通信模块13、液晶显示模块14和键盘模块15组成，模拟信号调理电路模块5的输出端接至DSP系统模块7的输入端，数字信号调理电路模块6的输出端接至CPLD逻辑与组合系统模块9，DSP系统模块7通过标准SPI总线与单片机系统模块8电连接，同时通过通用并行输入输出口与CPLD逻辑与组合系统模块9电连接，单片机系统模块8通过通用并行输入输出口和CPLD逻辑与组合系统模块9电连接，串行通信模块13通过第一个磁耦合器模块10隔离后与单片机系统模块8内嵌的UART串行口相连，键盘模块15的输出端经第三个磁耦合器模块12隔离后与CPLD逻辑与组合系统模块9的输入端电连接，CPLD逻辑与组合系统模块9的显示输出端经第二个磁耦合器模块11隔离后与液晶显示模块14的输入端电连接。

具体实例结构设计上，单片机系统模块8可采用内置多路A/D的数字信号处理器(如DSPIC30F6014A)，DSP系统模块7可采用TSM320系列器件(如TSM320F2812)，CPLD逻辑与组合系统模块9可采用MAX7000系列器件(如EPM7128)，模拟信号调理电路模块5由I/V转换及放大电路(如RVC420、LM324及外围辅助元件)、钳位二极管(如IN4148)、限幅稳压管、通用阻容器件组成的滤波器实现，数字信号调理电路模块6采用由钳位二极管(如IN4001)、限幅稳压管、通用阻容器件构成的典型限幅、防抖电路实现，三只磁耦合器10、11、12需选用高速磁隔离器件(如ADUM1200)。

所述输出执行单元由光电耦合器模块16和控制输出模块17组成，控制输出模块17通过光电耦合器模块16隔离后与驱动电机电参量处理单元内CPLD逻辑与组合系统模块9的输出端电连接。

具体实施结构上，控制输出模块17可采用通用控制继电器(如JQX-14)或固态继电器SSR(如S310ZK)，光电耦合器模块16则需选用输出驱动能力较大的光耦器件(如TLP127)。

实际工作中，该抽油机示功图软测量装置通过三相电压检测模块1、三相电流检测模块2对抽油机驱动电机电能输入回路的电参数进行采样，经模拟信号调理电路模块5放大、限幅、滤波、I/V变换后，送入含有内置A/D转换器的DSP系统模块7分析处理和记录，得到瞬时输入电压值u_ai(t)、u_bi(t)、u_ci(t)和瞬时电流值i_ai(t)、i_bi(t)、i_ci(t)，再根据瞬时无功理论公式或瞬时功率定义公式由DSP系统模块7计算获得抽油机驱动电机输入的瞬时合相有功功率值p_i(t)，再由平均有功功率定义计算获得驱动电机输入平均有功电功率值P_i送入单片机系统模块8。通过游梁倾角测量模块3对抽油机游梁倾角对应的电流值I_si(t)进行采样，经模拟信号调理电路模块5放大、限幅、滤波、I/V变换后，送入含有内置A/D转换器的DSP系统模块7分析处理和记录，得到游梁倾角Ω_i送入单片机系统模块8。单片机系统模块8根据传来的各项参数，依据前述发明实施步骤计算得到悬点位移、载荷，CPLD逻辑与组合系统模块9最终绘制出抽油机示功图，至此我们通过实时监测抽油机游梁倾角、驱动电机电参量实现了对抽油机示功图的软测量。

抽油机驱动电机电参量处理单元中的键盘模块15为用户提供参数设置以及功能选择接口，与液晶显示模块14共同完成人机交互功能；抽油机驱动电机电参量处理单元中CPLD逻辑与组合系统模块9接受经第一磁耦合器模块12隔离后的键盘模块15产生的按键信息，进行逻辑运算与处理形成控制指令或控制参数后直接送至抽油机驱动电机电参量处理单元中的单片机系统模块8，以对抽油机示功图软测量系统进行运行参数设定。

抽油机配电箱中空气开关的辅助触点直接接入遥信检测与闭锁模块4，以便工作人员远程监控此开关的工作状态。

本发明装置进行软测量抽油机示功图的过程如下：

一、系统上电、自检、初始化；

二、检查本发明装置自身系统是否有故障，有故障时转入相应处理程序，给出故障诊断提示信息，无故障时向下步执行；

三、不断采集抽油机驱动电机输入端三相电流、三相电压瞬时值，采集抽油机游梁倾角对应的电流值；

四、计算游梁倾角Ω_i，计算瞬时合相有功功率值，从而得到驱动电机输入平均有功电功率测量值P_i；

五、识别冲程周期T，计算悬点位移S_i；

六、计算扭矩因数

计算瞬时悬点载荷W_i；

七、在冲程周期T内重复步骤二；

八、绘制抽油机示功图；

九、重复步骤二。

通过以上说明和实施例描述了本发明的基本原理、主要特征和优点，特别是显示了本发明的精髓所在——通过实时采集、处理、计算抽油机游梁倾角、驱动电机输入电参数，得到抽油机悬点位移、扭矩因数，进一步得到悬点载荷，根据一个冲程周期内的悬点位移、载荷与抽油机示功图之间的关联关系，实现对抽油机示功图的软测量。

本发明的实际应用方式并不受上述实施例的限制，在不脱离本发明主旨范围的前提下，本发明还会有各种相应变化和改进(如基于此种方法改进的游梁平衡、复合平衡游梁式抽油机示功图的软测量方法)，这些变化和改进都应落入本发明要求保护的范围内，而保护范围可由本发明申请文本所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.一种游梁式抽油机示功图的软测量装置，其特征是包括：抽油机驱动电机电参量采集单元、抽油机驱动电机电参量处理单元和输出执行单元；其中：所述抽油机驱动电机电参量采集单元由三相电压检测模块、三相电流检测模块、游梁倾角测量模块和遥信检测与闭锁模块组成；

所述抽油机驱动电机电参量处理单元由单片机系统模块、DSP系统模块、CPLD逻辑与组合系统模块、模拟信号调理电路模块、数字信号调理电路模块、串行通信模块、液晶显示模块和键盘模块组成；

所述输出执行单元由光电耦合器和控制输出模块组成；

所述三相电压检测模块、三相电流检测模块、游梁倾角测量模块的输出端分别接入所述抽油机驱动电机电参量处理单元内的所述模拟信号调理电路模块的输入端，所述遥信检测与闭锁模块的输出端接入所述抽油机驱动电机电参量处理单元内所述数字信号调理电路模块的输入端；

所述模拟信号调理电路模块的输出端接至所述DSP系统模块的输入端，所述数字信号调理电路模块的输出端接至所述CPLD逻辑与组合系统模块，所述DSP系统模块通过标准SPI总线与所述单片机系统模块电连接，同时通过通用并行输入输出口与所述CPLD逻辑与组合系统模块电连接，所述单片机系统模块通过通用并行输入输出口和所述CPLD逻辑与组合系统模块电连接，所述串行通信模块通过第一个磁耦合器模块隔离后与所述单片机系统模块内嵌的UART串行口电连接，所述键盘模块的输出端经第三个磁耦合器模块隔离后与所述CPLD逻辑与组合系统模块的输入端电连接，所述CPLD逻辑与组合系统模块的显示输出端经第二个磁耦合器模块隔离后与所述液晶显示模块的输入端电连接；

所述控制输出模块通过所述光电耦合器隔离后与所述抽油机驱动电机电参量处理单元内所述CPLD逻辑与组合系统模块的输出端电连接。

2.权利1一种游梁式抽油机示功图软测量装置的测量方法，其特征是，包括以下实施步骤：

步骤一、通过三相电压检测模块和三相电流检测模块采集抽油机驱动电机的瞬时电压值u_ai(t)、u_bi(t)、u_ci(t)和瞬时电流值i_ai(t)、i_bi(t)、i_ci(t)，由安装于抽油机游梁处的游梁倾角测量模块测量游梁前臂与水平线X的游梁夹角Ω_i，即游梁倾角对应的电流值I_si(t)，由DSP系统模块计算获得驱动电机输入的瞬时合相有功功率值p_i(t)、游梁倾角Ω_i，再由平均有功功率定义计算获得驱动电机输入平均有功电功率值P_i，其中下标a、b、c分别表示三相交流电制中的a相、b相、c相电，下标i表示一个冲程周期内第i个采样点，i＝1，2，3…；

步骤二、由DSP系统模块计算获得游梁倾角Ω_i变化周期T，即抽油机冲程周期T，由单片机系统模块根据公式(1)计算悬点位移S_i，

在公式(1)中，S_i表示某个冲程周期悬点位移的第i个采样点，i＝1，2，3…，A为游梁前臂长度；C为游梁后臂长度；R为曲柄长度；K为基杆长度：也称极距，减速器输出轴中心到曲柄销轴承中心的距离；P为连杆长度：横梁轴承中心到曲柄销轴承中心的距离；H为游梁支承中心到减速器输出轴中心的垂直距离；I为游梁支承中心到减速器输出轴中心的水平距离，单位均为米(m)；Ω_i为游梁倾角：游梁前臂与水平线X的夹角，由装设在游梁O₁处的倾角传感器在线测量，单位为度(°)；

步骤三、由单片机系统模块根据公式(2)计算扭矩因数

其中，

在公式(2)、(3)、(4)、(5)中，β₁为K₄与K₂的夹角、β₂为R与K₄的夹角、单位均为度(°)，K₁、K₂、K₃、K₄为各虚线的长度，单位均为米(m)；

步骤四、由单片机系统模块根据公式(6)计算抽油机悬点载荷W_i，

公式(6)中，W_i表示某个冲程周期悬点载荷的第i个采样点，i＝1，2，3…，η为驱动电机效率、η_E是驱动电机到曲柄轴的传动效率、n为驱动电机轴转速、B为结构不平衡重，当驱动电机型号、减速器输出轴转速和抽油机型号确定时，这些参数就是确定和已知的，Q_e是曲柄平衡块重力与曲柄自重的等效载荷，随着平衡块调整时测量一次即可已知；

步骤五、由CPLD逻辑与组合系统模块根据一个冲程周期T内的悬点位移S_i、载荷W_i在液晶屏上绘制出示功图。

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