CN113982538B - 一种游梁式抽油机柔性变频调压闭环节能控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种游梁式抽油机柔性变频调压闭环节能控制系统及方法。本发明系统，包括游梁式抽油机，电动机，扭矩传感器，转速传感器，变频控制柜；电动机驱动游梁式抽油机运行；扭矩传感器和转速传感器用于实时检测电动机的扭矩和转速；变频控制柜连接扭矩传感器和转速传感器，用于分析负载特性，实时输出最优柔性频率与最优柔性电压。本发明方法，包括通过检测游梁式抽油机周期内双向交变波动负载，实时柔性调节电动机驱动频率与驱动电压，实现“高负载低频高压，低负载高频低压”；采用柔性变频调速重新分配系统惯性载荷，对负载扭矩“削峰填谷”，降低负载波动并消除“倒发电”；采用柔性调压实时提供负载所需磁通，实现节能降耗。

Description

一种游梁式抽油机柔性变频调压闭环节能控制系统及方法

技术领域

本发明涉及油气开采技术领域，具体而言，尤其涉及一种游梁式抽油机柔性变频调压闭环节能控制系统及方法。

背景技术

随着油气开采深入及原油产出，地层供给能力不足以支持油井自喷，为提高石油开采效率，人工举升设备已得到越来越广泛的应用。目前人工举升设备主要包括：抽油机、电潜泵、螺杆泵、高压气举等举升工艺，游梁式抽油机因结构简单、性能可靠且价格低廉，占据着主要的市场份额。游梁式抽油机主要由抽油泵、抽油杆、光杆、四杆机构、减速箱、皮带和电动机组成。电动机通过皮带和减速箱的减速增扭作用，驱动曲柄做旋转运动，四杆机构将旋转运动转化为杆柱的直线运动。根据杆柱运动方向，抽油机运行过程被分为上冲程和下冲程。在上冲程，位于油管内及游动阀上端的液体被举升，且当固定阀打开后，套管内液体会被吸入泵筒内；在下冲程，当游动阀打开后，泵筒内流体被排出，且位于游动阀上端的液体载荷转移并作用到固定阀，抽油杆柱卸载。这种“上吸下排”的抽油方式结合曲柄摇杆机构的运动特性及平衡重的综合作用，导致了游梁式抽油系统地面负载呈“双驼峰”式双向波动。周期性波动负载不仅影响机械系统平衡度及可靠性，且为满足波峰扭矩需求，增大了所需电动机额定功率，导致电动机大部分时间在低负载区运行，电动机功率利用率低，能耗浪费严重，尤其是局部时间段产生的负扭矩，拖动电动机倒发电，降低了能量传动效率且污染电网，造成电网供电不稳和能耗浪费。故有必要针对能够降低游梁式系统负载波动的节能降耗技术展开研究。

近年来，随着变频控制技术的成熟及制造成本的降低，其在油田得到了广泛应用，尤其是柔性变频控制技术可在保证抽油设备冲次恒定的同时，根据周期内系统负载波动实时变频调速，利用惯性载荷的重新分配降低系统负载波动，消除倒发电，实现节能降耗。然而，目前柔性变频控制技术存在以下两点不足：

1.采用开环优化确定最佳驱动频率，严重依赖系统动态仿真模型，耗时长，且难以根据油井工况变化实现闭环动态调整；

2.调节频率时采用恒压频比控制准则，始终保持磁通不变，能耗浪费严重。

发明内容

根据上述提出目前柔性变频控制技术存在的问题，本发明提出了一种柔性变频调压闭环节能控制方案，克服了现有开环频率优化技术的不足，在保证实时闭环控制的同时，提高了节能效果。

本发明采用的技术手段如下：

一种游梁式抽油机柔性变频调压闭环节能控制系统，包括：游梁式抽油机，电动机，扭矩传感器，转速传感器，变频控制柜；其中：

电动机连接游梁式抽油机，驱动游梁式抽油机运行；

扭矩传感器和转速传感器分别设置在电动机上，用于实时检测电动机的扭矩和转速；

变频控制柜连接扭矩传感器和转速传感器，用于分析负载特性，实时输出最优柔性频率与最优柔性电压。

进一步地，所述变频控制柜包括PLC控制柜、变频器和多功能电量表；其中：

PLC控制柜连接变频器，PLC控制柜通过分析扭矩传感器和转速传感器实时检测的扭矩和转速的特性，控制变频器实时输出最优柔性频率与最优柔性电压。

进一步地，所述PLC控制柜包括电性连接的功率计算单元、最优柔性频率控制单元、最优柔性电压控制单元以及周期检测单元。

进一步地，所述功率计算单元用于计算瞬时电功率以及周期内平均电功率；具体的：

计算瞬时电功率：所述功率计算单元接收扭矩传感器和转速传感器实时检测的扭矩和转速信号，并计算瞬时电功率；

计算周期内平均电功率：所述功率计算单元连接周期检测单元，当游梁式抽油机每运行一个完整周期，周期检测单元将检测到的脉冲信号传递到功率计算单元，功率计算单元计算周期内平均电功率。

进一步地，所述最优柔性频率控制单元用于控制游梁式抽油机实时以最优变速运行；具体的：

所述最优柔性频率控制单元连接所述功率计算单元，所述最优柔性频率控制单元接收所述功率计算单元计算的瞬时电功率以及周期内平均电功率，并将其分别作为反馈信号和参考信号，采用PID控制器，输出最优柔性频率控制信号，进而控制变频器实时输出最优柔性频率，从而驱动电动机，控制游梁式抽油机实时以最优变速运行。

进一步地，所述最优柔性电压控制单元用于控制游梁式抽油机实时以最优磁通运行；具体的：

所述最优柔性电压控制单元连接最优柔性频率控制单元，所述最优柔性电压控制单元实时接收最优柔性频率控制单元输出的最优柔性频率控制信号，并根据扭矩传感器和转速传感器实时检测的电动机的扭矩和转速，计算最优柔性电压控制信号，进而控制变频器实时输出最优柔性电压，从而驱动电动机，控制游梁式抽油机实时以最优磁通运行。

进一步地，所述最优柔性电压控制单元(11)采用如下公式计算最优柔性电压控制信号：

上式中，f表示最优柔性频率；k_n表示定子绕组系数；M表示电动机扭矩；ω表示电动机转速；a、b、c分别表示电动机电磁参数；其中，

R_s、R_r、R_Fe分别表示定子电阻、转子电阻、定子铁耗；L_m表示互感；n_p表示电动机极对数。

本发明还提供了一种基于上述游梁式抽油机柔性变频调压闭环节能控制系统的控制方法，包括如下步骤：

S1、通过检测游梁式抽油机周期内双向交变波动负载，实时柔性调节电动机驱动频率与驱动电压，实现“高负载低频高压，低负载高频低压”；

S2、采用柔性变频调速重新分配系统惯性载荷，对负载扭矩“削峰填谷”，降低负载波动并消除“倒发电”；

S3、采用柔性调压实时提供负载所需磁通，实现节能降耗。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提出了一种全新的变频控制方案，即柔性变频调节电动机转速的同时，实时柔性调压改变电动机磁通。其显著优势是能够在根据游梁式抽油系统负载变化实时调节转速，利用惯性载荷重新分配降低负载波动的同时，实时根据负载需求调整电源电压，实现节能降耗。

2、本发明提供的游梁式抽油机柔性变频调压闭环节能控制系统，其最优柔性频率控制单元采用闭环控制实现变频调速，不仅可根据现场工况及时调整变频驱动，同时不像传统柔性变频控制依赖系统动力学模型，闭环控制具有很强的鲁棒性。

3、本发明提供的游梁式抽油机柔性变频调压闭环节能控制系统，采用闭环优化确定最佳驱动频率，耗时短，且容易实现根据油井工况变化实现闭环动态调整。

基于上述理由本发明可在油气开采等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明系统结构示意图。

图2为本发明实施例提供的频率与电压闭环协调自适应控制框图。

图3为本发明实施例提供的传感器位置示意图。

图中：1、游梁式抽油机；2、电动机；3、扭矩传感器；4、转速传感器；5、变频控制柜；6、PLC控制柜；7、变频器；8、多功能电量表；9、功率计算单元；10、最优柔性频率控制单元；11、最优柔性电压控制单元；12、周期检测单元。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

为了避免原有柔性变频控制只能采用恒压频比准则变频调速导致电动机功率利用率低，能耗浪费严重的问题。如图1所示，本发明提供了一种游梁式抽油机柔性变频调压闭环节能控制系统，包括：游梁式抽油机1，电动机2，扭矩传感器3，转速传感器4，变频控制柜5；其中：

电动机2连接游梁式抽油机1，驱动游梁式抽油机1运行；

扭矩传感器3和转速传感器4分别设置在电动机2上，用于实时检测电动机2的扭矩和转速；传感器的设置位置如图3所示。

变频控制柜5连接扭矩传感器3和转速传感器4，用于分析负载特性，实时输出最优柔性频率与最优柔性电压。

本发明系统避免了原有系统只能根据给定负载，变频优化调控周期内电动机转速，而无法实时闭环动态调整的不足。其显著优势是能够在根据游梁式抽油系统负载变化实时闭环调节转速，利用惯性载荷重新分配降低负载波动的同时，实时根据负载需求调整电压，实现节能降耗。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述变频控制柜5包括PLC控制柜6、变频器7和多功能电量表8；其中：

PLC控制柜6连接变频器7，PLC控制柜6通过分析扭矩传感器3和转速传感器4实时检测的扭矩和转速的特性，控制变频器7实时输出最优柔性频率与最优柔性电压。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，如图2所示，所述PLC控制柜6包括电性连接的功率计算单元9、最优柔性频率控制单元10、最优柔性电压控制单元11以及周期检测单元12。其中：

所述功率计算单元9用于计算瞬时电功率以及周期内平均电功率；具体的：

计算瞬时电功率：所述功率计算单元9接收扭矩传感器3和转速传感器4实时检测的扭矩和转速信号，并计算瞬时电功率；

计算周期内平均电功率：所述功率计算单元9连接周期检测单元12，当游梁式抽油机1每运行一个完整周期，周期检测单元12将检测到的脉冲信号传递到功率计算单元9，功率计算单元9计算周期内平均电功率。

所述最优柔性频率控制单元10用于控制游梁式抽油机1实时以最优变速运行；具体的：

所述最优柔性频率控制单元10连接所述功率计算单元9，所述最优柔性频率控制单元10接收所述功率计算单元9计算的瞬时电功率以及周期内平均电功率，并将其分别作为反馈信号和参考信号，采用PID控制器，输出最优柔性频率控制信号，进而控制变频器7实时输出最优柔性频率，从而驱动电动机2，控制游梁式抽油机1实时以最优变速运行。

所述最优柔性电压控制单元11用于控制游梁式抽油机1实时以最优磁通运行；具体的：

所述最优柔性电压控制单元11连接最优柔性频率控制单元10，所述最优柔性电压控制单元11实时接收最优柔性频率控制单元10输出的最优柔性频率控制信号，并根据扭矩传感器3和转速传感器4实时检测的电动机2的扭矩和转速，计算最优柔性电压控制信号，进而控制变频器7实时输出最优柔性电压，从而驱动电动机2，控制游梁式抽油机1实时以最优磁通运行。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述最优柔性电压控制单元11采用如下公式计算最优柔性电压控制信号：

上式中，f表示最优柔性频率；k_n表示定子绕组系数；M表示电动机扭矩；ω表示电动机转速；a、b、c分别表示电动机电磁参数；其中，

R_s、R_r、R_Fe分别表示定子电阻、转子电阻、定子铁耗；L_m表示互感；n_p表示电动机极对数。

本发明还提供了一种基于上述游梁式抽油机柔性变频调压闭环节能控制系统的控制方法，包括如下步骤：

S1、通过检测游梁式抽油机周期内双向交变波动负载，实时柔性调节电动机驱动频率与驱动电压，实现“高负载低频高压，低负载高频低压”；

S2、采用柔性变频调速重新分配系统惯性载荷，对负载扭矩“削峰填谷”，降低负载波动并消除“倒发电”；

S3、采用柔性调压实时提供负载所需磁通，实现节能降耗。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种游梁式抽油机柔性变频调压闭环节能控制系统，其特征在于，包括：游梁式抽油机(1)，电动机(2)，扭矩传感器(3)，转速传感器(4)，变频控制柜(5)；其中：

电动机(2)连接游梁式抽油机(1)，驱动游梁式抽油机(1)运行；

扭矩传感器(3)和转速传感器(4)分别设置在电动机(2)上，用于实时检测电动机(2)的扭矩和转速；

变频控制柜(5)连接扭矩传感器(3)和转速传感器(4)，用于分析负载特性，实时输出最优柔性频率与最优柔性电压；

变频控制柜(5)包括PLC控制柜(6)、变频器(7)和多功能电量表(8)；其中：

PLC控制柜(6)连接变频器(7)，PLC控制柜(6)通过分析扭矩传感器(3)和转速传感器(4)实时检测的扭矩和转速的特性，控制变频器(7)实时输出最优柔性频率与最优柔性电压；

PLC控制柜(6)包括电性连接的功率计算单元(9)、最优柔性频率控制单元(10)、最优柔性电压控制单元(11)以及周期检测单元(12)；

最优柔性电压控制单元(11)采用如下公式计算最优柔性电压控制信号：

上式中，f表示最优柔性频率；k_n表示定子绕组系数；M表示电动机扭矩；ω表示电动机转速；a、b、c分别表示电动机电磁参数；其中，

R_s、R_r、R_Fe分别表示定子电阻、转子电阻、定子铁耗；L_m表示互感；n_p表示电动机极对数。

2.根据权利要求1所述的游梁式抽油机柔性变频调压闭环节能控制系统，其特征在于，所述功率计算单元(9)用于计算瞬时电功率以及周期内平均电功率；具体的：

计算瞬时电功率：所述功率计算单元(9)接收扭矩传感器(3)和转速传感器(4)实时检测的扭矩和转速信号，并计算瞬时电功率；

计算周期内平均电功率：所述功率计算单元(9)连接周期检测单元(12)，当游梁式抽油机(1)每运行一个完整周期，周期检测单元(12)将检测到的脉冲信号传递到功率计算单元(9)，功率计算单元(9)计算周期内平均电功率。

3.根据权利要求1所述的游梁式抽油机柔性变频调压闭环节能控制系统，其特征在于，所述最优柔性频率控制单元(10)用于控制游梁式抽油机(1)实时以最优速度运行；具体的：

所述最优柔性频率控制单元(10)连接所述功率计算单元(9)，所述最优柔性频率控制单元(10)接收所述功率计算单元(9)计算的瞬时电功率以及周期内平均电功率，并将其分别作为反馈信号和参考信号，采用PID控制器，输出最优柔性频率控制信号，进而控制变频器(7)实时输出最优柔性频率，从而驱动电动机(2)，控制游梁式抽油机(1)实时以最优速度运行。

4.根据权利要求1所述的游梁式抽油机柔性变频调压闭环节能控制系统，其特征在于，所述最优柔性电压控制单元(11)用于控制游梁式抽油机(1)实时以最优磁通运行；具体的：

所述最优柔性电压控制单元(11)连接最优柔性频率控制单元(10)，所述最优柔性电压控制单元(11)实时接收最优柔性频率控制单元(10)输出的最优柔性频率控制信号，并根据扭矩传感器(3)和转速传感器(4)实时检测的电动机(2)的扭矩和转速，计算最优柔性电压控制信号，进而控制变频器(7)实时输出最优柔性电压，从而驱动电动机(2)，控制游梁式抽油机(1)实时以最优磁通运行。

5.一种基于上述权利要求1-4中任意一项权利要求所述游梁式抽油机柔性变频调压闭环节能控制系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、通过检测游梁式抽油机周期内双向交变波动负载，实时柔性调节电动机驱动频率与驱动电压，实现“高负载低频高压，低负载高频低压”；

S2、采用柔性变频调速重新分配系统惯性载荷，对负载扭矩“削峰填谷”，降低负载波动并消除“倒发电”；

S3、采用柔性调压实时提供负载所需磁通，实现节能降耗。

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