CN114776268A - 一种采油系统绿色低碳的智能群控方法及系统 - Google Patents
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Abstract
一种采油系统绿色低碳的智能群控方法及系统，通过对现有油井控制系统的改进，与太阳能系统有效融合，在为共直流母线技术提供缓冲装置同时，将太阳能作为补充能源，有效提高电能的利用率和井场碳的排放指标。基于井场智能控制实现对整个井场智能优化，实现了对能源、生产目标协同优化的目的，为实现原油节能高效生产提供可能，同时结合安防控制系统，有效提高系统安全性，降低井场安全隐患。
Description
技术领域
本发明属于抽油机优化控制技术领域，尤其涉及一种采油系统绿色低碳的智能群控方法及系统。
背景技术
目前，国内各大油田公司采用大量有杆采油系统，有杆采油系统中以游梁式抽油机、立式抽油机占比最高；针对有杆采油系统，由于均采用将旋转运动（电机）转换为直线往复运行方式，因此抽油机悬点负载上下行程差大，且处于频繁加速和减速过程中，平衡调节困难，导致电机负载变化幅度大，甚至出现抽油机发电情况，使得抽油机运行耗电量极高，系统效率低下且倒发电引起电网波动。有杆采油系统属于重载类设备，在启动瞬间，电流峰值会达到额定电流数倍，因此在有杆采油系统设计时，系统容量设计往往会选用较大安全系数，导致系统装机容量大，负载低情况。
采用变频器进行冲次调节，每台抽油机需配备一台变频启动控制柜，由于抽油机每个冲程周期位能或惯性的变化会造成电机出现反发电的现象，目前大量采用制动电阻或者能量回馈技术，制动电阻提高系统功率因素，会导致大量电量消耗，能量回馈技术一方面存在转换效率问题，同时会引起电网电压波动。
现有技术《丛式井抽油机变频节能控制装置及其控制方法》提出一种抽油机进行功率错峰控制方法，克服传统抽油机系统电能浪费、装机容量低和故障率高的不足。但在该方案中仅考虑了油井最大功率错峰控制，用于解决油井倒发电利用问题，未考虑到油井启动过程管理；同时仅以功率峰值来考虑，未考虑到油井自身生产效率；因此节能效率有限。
现有技术《一种抽油机井群智能化应用系统和实现方法》中采用数据采集单元、变频单元、工况单元和服务单元，基于预测结果在未来一定时间内对抽油机进行优化变频，以节能、提高泵效及优化错峰控制策。虽然考虑了油井群体智能优化，但未考虑到井场电网自身局限性。
发明内容
本发明旨在解决上述问题，提供一种油井电能和绿色能源协同利用的采油系统绿色低碳的智能群控方法及系统。
第一方面，本发明提供一种采油系统绿色低碳的智能群控方法，包括以下油井错峰优化的步骤：
1）分析当前油井的平均产液量Q0；
2）采集当前井场设备能耗曲线，获取系统内油井电机负载率Fi，泵效ηi；
3）选取其中泵效ηi>ηmax的油井，分析计算其最大安全频率范围内，以电机高效负载所对应频率Ni进行生产，其中ηmax为设定的最大泵效，ηmin为设定的最小泵效；
4）选取其中泵效ηmin<ηi<ηmax的油井，分析计算其最大安全频率范围，以电机高效负载所对应频率Ni进行生产时间H1，生产过程中瞬时产液量Q1i；同时基于最小安全频率所对应频率Nimin进行生产时长H2，生产过程中瞬时产液量Q2i；其中H1取值范围为30-60分钟；
；
5）选取其中泵效ηi<ηmin的油井，分析计算其最大安全频率范围，以电机高效负载所对应频率Ni进行生产时间H3，生产过程中瞬时产液量Q3i，并进行停机时长H4；其中H3取值为10-30分钟，
。
通过实施油井错峰优化措置，可有效的提高电机负载率，进行高效生产，低负载时实现节能降耗。
第二方面，本发明提供一种采油系统绿色低碳的智能群控方法，包括以下油井错峰运行的步骤：
1）选取功率采集正常的油井数量n；
2）计算n口一个完整周期Ti，对应的最大值T0，设置以T=5T0进行油井数据采集，获取功率曲线Pi和系统效率Xj（j=1,2,...,n）；
3） 等待采集完成，以系统效率值从大到小为顺序，计算油井运行延迟时间；
4）首次以效率值最大油井功率曲线为基准曲线Pi0；令j=2；
5）计算Pi0的首次用电峰值与Pij的首次用电谷值时间差 Tj，为Pi2油井延迟时间；
6）将Pij值按时间向后顺延Tj，形成新的Pij；
7）将Pi0与延迟后的新的Pij叠加，形成新的Pi0；
8）计算新的Pi0的首次用电峰值与新的Pij的首次用电谷值时间差，为新的Pij油井延迟时间Tj，其中j=j+1；判断j<n，若是，则执行步骤7）；若不是，延迟时间计算完成；
依次控制抽油机进行延迟运行时间，完成本次控制。
通过实施例油井错峰运行措施，可有效的降低整个井场负载、实现削峰填谷，降低电网负载，提高负载平稳性。
第三方面，本发明提供一种采油系统绿色低碳的智能群控系统，包括井场智能控制单元、单井智能控制单元和安防控制系统；所述单井智能控制单元包括有若干个；所述安防控制系统与前述井场智能控制单元相电连接；所述单井智能控制单元均与井场智能控制单元相电连接；
所述井场智能控制单元和单井智能控制单元可运行第一方面和或第二方面所述的采油系统绿色低碳的智能群控方法；
所述井场智能控制单元和单井智能控制单元用于控制进行油井错峰启停控制；
油井错峰启动控制包括以下过程：
1）设置于油井的单井智能控制单元发送启动申请信号；
2）井场智能控制单元进行井场设备时间同步；
3）检测安防控制系统的预警信息，在单位时间内，判断井场是否有异常闯入；单位时间为5-15min；
4）若无，查询井场油井启停记录，在单位时间内，判断是否有油井启动；
5）若有，等待单位时间，再次判断；
6）若无，分析当前井场范围内能耗谷值点，选取井场电网功率曲线最最小周期和最小值，计算下一次最小值时间，以预测未来谷值时间；
7）按照设定顺序，给申请启动油井井口智能控制单元发送启动指令和时间，允许启动；同时监测油井启停过程，发现启停异常油井，终止该井动作，启动预警；安排其他油井启动；
油井错峰停机控制包括以下过程：
1）单井智能控制单元发送停机申请；
2）井场智能控制单元检查范围内当前开井数量，开井数应大于该井场总井数的三分之一，且不少于1口；
3）检查安防系统预警指令，单位时间内无异常，允许停机；
4）若当前开井数量小于限制数量，或井场异常，终止命令，单位时间后，井口智能控制单元再次提请停机申请。
通过实施油井错峰启停措施可有效的避免全部停机造成的管线堵塞，避免同时启动造成的电网冲击。
进一步，本发明所述采油系统绿色低碳的智能群控系统，还包括太阳能系统和储能装置；所述太阳能系统设置有光伏控制器；所述储能装置依次经整流单元、逆变单元与油井电机相连接；所述光伏控制器和前述井场智能控制单元用于控制光伏油井供电；
所述光伏油井供电包括以下过程：
1）获取当前井场油井计划生产时间；
2）井场智能控制单元实时从光伏控制器获取光伏功率、并计算油井剩余生产时间；
3）以设置高峰用电时间和低峰用电时间；
4）井场智能控制单元实时获取太阳能系统及储能装置的电量储备情况进行生产油井数量控制。
进一步，本发明所述采油系统绿色低碳的智能群控系统，所述生产油井数量控制包括：
当储能装置储存的电量大于额定储电量的80%时，控制所有油井进行生产；
当储能装置储存的电量小于额定储电量的20%时，优先进行储能装置充电；
当储能装置储存的电量大于额定储电量的20%时，光伏发电功率大于80%时，控制所有油井进行生产；光伏发电功率大于60%时，控制系统内75%油井工作；光伏发电功率大于40%时，控制50%油井工作；光伏发电功率大于20%时，控制30%油井进行工作；光伏发电功率大于10%时，控制20%油井进行工作。
进一步，本发明所述采油系统绿色低碳的智能群控系统，所述井场智能控制单元实时分析所有当天计划生产时间，高峰工作时间等于当天剩余工作时间减去低峰时间；优先启动高峰工作时间最大油井；当油井高峰工作时间等于今日高峰剩余工作时间段时，启动油井进行生产。
进一步，本发明所述采油系统绿色低碳的智能群控系统，所述储能装置通过与太阳能系统、整流单元连接，用于解决整流端电压过高同时，存储太阳能系统所产生的电能，具体包括以下过程：
当智能群控系统母线电压U0低于U3时，电网开始供电，确保系统正常运行；
当智能群控系统母线电压U0高于U2时，抽油机系统处于发电状态，系统开始向储能装置充电；
当智能群控系统母线电压U0小于U3，且大于U1时，使用储能装置进行供电；
其中
；
；
；其中，Ue为电网额定电压。
本发明所述采油系统绿色低碳的智能群控方法及系统，通过对现有油井控制系统的改进，与太阳能系统有效融合，在为共直流母线技术提供缓冲装置同时，将太阳能作为补充能源，有效提高电能的利用率和井场碳的排放指标。基于井场智能控制实现对整个井场智能优化，实现了对能源、生产目标协同优化的目的，为实现原油节能高效生产提供可能，同时结合安防控制系统，有效提高系统安全性，降低井场安全隐患。
附图说明
图1为本发明实施例所述采油系统绿色低碳的智能群控系统结构示意图；
图2为本发明实施例所述油井错峰启停控制流程示意图；
图3为本发明实施例所述油井错峰运行控制流程示意图。
具体实施方式
下面通过附图及实施例对本发明所述采油系统绿色低碳的智能群控方法及系统进行详细说明。
实施例一
本实施例公开一种采油系统绿色低碳的智能群控系统，如图1所示，包括井场智能控制单元、单井智能控制单元和安防控制系统；所述单井智能控制单元包括有多个，设置于每个单独的油井处；所述安防控制系统与前述井场智能控制单元相电连接；所述单井智能控制单元均与井场智能控制单元相电连接；本实施例所述智能群控系统还包括油井共直流母线装置，由整流/回馈单元、公共直流母线和逆变单元组成；整流/回馈单元可分为通过自耦变压器的能量回馈方式，通过自耦变压器的能量回馈可提高回馈支路中的电源电压，目的是在能量回馈过程中不必降低中间回路电压，使得逆变单元能够获得一个较恒稳的直流电源。
本公开实施例所述采油系统绿色低碳的智能群控系统还包括太阳能系统和储能装置；所述太阳能系统设置有光伏控制器；所述储能装置依次经整流单元、逆变单元与油井电机相连接。
单井智能控制单元通过采集仪表数据，仪表包括功图传感器、电参传感器、油压，套压、动液面传感器等数据；单井智能控制单元通过RS485接口，实现与逆变单元通信，改变电机频率，实现对电机变频控制和软启动。
本公开实施例所述井场智能控制单元和单井智能控制单元可用于进行油井错峰启停控制；
如图2所示，油井错峰启动控制包括以下过程：
1）设置于油井的单井智能控制单元发送启动申请信号；
2）井场智能控制单元进行井场设备时间同步；
3）检测安防控制系统的预警信息，在10min内，判断井场是否有异常闯入，若有，等待异常解除；
4）若无，查询井场油井启停记录，在5min内，判断是否有油井启动；
5）若有，等待5min，再次判断；
6）若无，分析当前井场范围内能耗谷值点，选取井场电网功率曲线最最小周期和最小值，计算下一次最小值时间，以预测未来谷值时间；
7）按照设定顺序，给申请启动油井井口智能控制单元发送启动指令和时间，允许启动；同时监测油井启停过程，发现启停异常油井，终止该井动作，启动预警；安排其他油井启动；
油井错峰停机控制包括以下过程：
1）单井智能控制单元发送停机申请；
2）井场智能控制单元检查范围内当前开井数量，开井数应大于该井场总井数的三分之一，且不少于1口；
3）检查安防系统预警指令，单位时间内无异常，允许停机；
4）若当前开井数量小于限制数量，或井场异常，终止命令，10min后，井口智能控制单元再次提请停机申请。
本公开实施例所述采油系统绿色低碳的智能群控系统，所述光伏控制器和前述井场智能控制单元用于控制光伏油井供电；
所述光伏油井供电包括以下过程：
1）获取当前井场油井计划生产时间；
2）井场智能控制单元实时从光伏控制器获取光伏功率、并计算油井剩余生产时间；
3）以设置高峰用电时间和低峰用电时间；在本公开实施例中高峰用电时间为8:00-20:00；低峰用电时间为0:00-8:00和20:00-24:00；
4）井场智能控制单元实时获取太阳能系统及储能装置的电量储备情况进行生产油井数量控制。
进一步，本发明所述采油系统绿色低碳的智能群控系统，所述生产油井数量控制包括：
当储能装置储存的电量大于额定储电量的80%时，控制所有油井进行生产；
当储能装置储存的电量小于额定储电量的20%时，优先进行储能装置充电；
当储能装置储存的电量大于额定储电量的20%时，光伏发电功率大于80%时，控制所有油井进行生产；光伏发电功率大于60%时，控制系统内75%油井工作；光伏发电功率大于40%时，控制50%油井工作；光伏发电功率大于20%时，控制30%油井进行工作；光伏发电功率大于10%时，控制20%油井进行工作。
在本公开实施例中所述井场智能控制单元实时分析所有当天计划生产时间，高峰工作时间等于当天剩余工作时间减去低峰时间；优先启动高峰工作时间最大油井；当油井高峰工作时间等于今日高峰剩余工作时间段时，启动油井进行生产。
在本公开实施例中所述储能装置通过与太阳能系统、整流单元连接，用于解决整流端电压过高同时，存储太阳能系统所产生的电能，具体包括以下过程：
当智能群控系统母线电压U0低于U3时，电网开始供电，确保系统正常运行；
当智能群控系统母线电压U0高于U2时，抽油机系统处于发电状态，系统开始向储能装置充电；
当智能群控系统母线电压U0小于U3，且大于U1时，使用储能装置进行供电；
其中
；
；
；其中，Ue为电网额定电压。
本公开实施例所述采油系统绿色低碳的智能群控系统，通过对现有油井控制系统的改进，与太阳能系统有效融合，在为共直流母线技术提供缓冲装置同时，将太阳能作为补充能源，有效提高电能的利用率和井场碳的排放指标。
实施例二
本公开实施例基于实施例一所述采油系统绿色低碳的智能群控系统，公开一种采油系统绿色低碳的智能群控方法，包括以下油井错峰优化的步骤：
1）分析当前油井的平均产液量Q0；
2）采集当前井场设备能耗曲线，获取系统内油井电机负载率Fi，泵效ηi；
3）选取其中泵效ηi>ηmax的油井，分析计算其最大安全频率范围内，以电机高效负载所对应频率Ni进行生产，其中ηmax为设定的最大泵效，ηmin为设定的最小泵效；
4）选取其中泵效ηmin<ηi<ηmax的油井，分析计算其最大安全频率范围，以电机高效负载所对应频率Ni进行生产时间H1，生产过程中瞬时产液量Q1i；同时基于最小安全频率所对应频率Nimin进行生产时长H2，生产过程中瞬时产液量Q2i；其中H1取值范围为30-60分钟；
；
5）选取其中泵效ηi<ηmin的油井，分析计算其最大安全频率范围，以电机高效负载所对应频率Ni进行生产时间H3，生产过程中瞬时产液量Q3i，并进行停机时长H4；其中H3取值为10-30分钟，
。
实施例三
本公开实施例基于实施例一所述采油系统绿色低碳的智能群控系统，公开一种采油系统绿色低碳的智能群控方法，如图3所示，包括以下油井错峰运行的步骤：
1）选取功率采集正常的油井数量n；
2）计算n口一个完整周期Ti，对应的最大值T0，设置以T=5T0进行油井数据采集，获取功率曲线Pi和系统效率Xj（j=1,2,...,n）；
3） 等待采集完成，以系统效率值从大到小为顺序，计算油井运行延迟时间；
4）首次以效率值最大油井功率曲线为基准曲线Pi0；令j=2；
5）计算Pi0的首次用电峰值与Pij的首次用电谷值时间差 Tj，为Pi2油井延迟时间；
6）将Pij值按时间向后顺延Tj，形成新的Pij；
7）将Pi0与延迟后的新的Pij叠加，形成新的Pi0；
8）计算新的Pi0的首次用电峰值与新的Pij的首次用电谷值时间差，为新的Pij油井延迟时间Tj，其中j=j+1；判断j<n，若是，则执行步骤7）；若不是，延迟时间计算完成；
依次控制抽油机进行延迟运行时间，完成本次控制。
Claims (7)
1.一种采油系统绿色低碳的智能群控方法，其特征在于：
包括以下油井错峰优化的步骤：
1）分析当前油井的平均产液量Q0；
2）采集当前井场设备能耗曲线，获取系统内油井电机负载率Fi，泵效ηi；
3）选取其中泵效ηi>ηmax的油井，分析计算其最大安全频率范围内，以电机高效负载所对应频率Ni进行生产，其中ηmax为设定的最大泵效，ηmin为设定的最小泵效；
4）选取其中泵效ηmin<ηi<ηmax的油井，分析计算其最大安全频率范围，以电机高效负载所对应频率Ni进行生产时间H1，生产过程中瞬时产液量Q1i；同时基于最小安全频率所对应频率Nimin进行生产时长H2，生产过程中瞬时产液量Q2i；其中H1取值范围为30-60分钟；
；
5）选取其中泵效ηi<ηmin的油井，分析计算其最大安全频率范围，以电机高效负载所对应频率Ni进行生产时间H3，生产过程中瞬时产液量Q3i，并进行停机时长H4；其中H3取值为10-30分钟，
。
2.一种采油系统绿色低碳的智能群控方法，其特征在于：
包括以下油井错峰运行的步骤：
1）选取功率采集正常的油井数量n；
2）计算n口一个完整周期Ti，对应的最大值T0，设置以T=5T0进行油井数据采集，获取功率曲线Pi和系统效率Xj（j=1,2,...,n）；
3） 等待采集完成，以系统效率值从大到小为顺序，计算油井运行延迟时间；
4）首次以效率值最大油井功率曲线为基准曲线Pi0；令j=2；
5）计算Pi0的首次用电峰值与Pij的首次用电谷值时间差 Tj，为Pi2油井延迟时间；
6）将Pij值按时间向后顺延Tj，形成新的Pij；
7）将Pi0与延迟后的新的Pij叠加，形成新的Pi0；
8）计算新的Pi0的首次用电峰值与新的Pij的首次用电谷值时间差，为新的Pij油井延迟时间Tj，其中j=j+1；判断j<n，若是，则执行步骤7）；若不是，延迟时间计算完成；
依次控制抽油机进行延迟运行时间，完成本次控制。
3.一种采油系统绿色低碳的智能群控系统，其特征在于：包括井场智能控制单元、单井智能控制单元和安防控制系统；所述单井智能控制单元包括有若干个；所述安防控制系统与前述井场智能控制单元相电连接；所述单井智能控制单元均与井场智能控制单元相电连接；
所述井场智能控制单元和单井智能控制单元可运行权利要求1和或权利要求2所述的采油系统绿色低碳的智能群控方法；
所述井场智能控制单元和单井智能控制单元用于控制进行油井错峰启停控制；
油井错峰启动控制包括以下过程：
1）设置于油井的单井智能控制单元发送启动申请信号；
2）井场智能控制单元进行井场设备时间同步；
3）检测安防控制系统的预警信息，在单位时间内，判断井场是否有异常闯入，单位时间为5-15min；
4）若无，查询井场油井启停记录，在单位时间内，判断是否有油井启动；
5）若有，等待单位时间，再次判断；
6）若无，分析当前井场范围内能耗谷值点，选取井场电网功率曲线最最小周期和最小值，计算下一次最小值时间；
7）按照设定顺序，给申请启动油井井口智能控制单元发送启动指令和时间，允许启动；同时监测油井启停过程，发现启停异常油井，终止该井动作，启动预警；安排其他油井启动；
油井错峰停机控制包括以下过程：
1）单井智能控制单元发送停机申请；
2）井场智能控制单元检查范围内当前开井数量，开井数应大于该井场总井数的三分之一，且不少于1口；
3）检查安防系统预警指令，单位时间内无异常，允许停机；
4）若当前开井数量小于限制数量，或井场异常，终止命令，单位时间后，井口智能控制单元再次提请停机申请。
4.根据权利要求3所述采油系统绿色低碳的智能群控系统，其特征在于：还包括太阳能系统和储能装置；所述太阳能系统设置有光伏控制器；所述储能装置依次经整流单元、逆变单元与油井电机相连接；所述光伏控制器和前述井场智能控制单元用于控制光伏油井供电；
所述光伏油井供电包括以下过程：
1）获取当前井场油井计划生产时间；
2）井场智能控制单元实时从光伏控制器获取光伏功率、并计算油井剩余生产时间；
3）以设置高峰用电时间和低峰用电时间；
4）井场智能控制单元实时获取太阳能系统及储能装置的电量储备情况进行生产油井数量控制。
5.根据权利要求4所述采油系统绿色低碳的智能群控系统，其特征在于：所述生产油井数量控制包括：
当储能装置储存的电量大于额定储电量的80%时，控制所有油井进行生产；
当储能装置储存的电量小于额定储电量的20%时，优先进行储能装置充电；
当储能装置储存的电量大于额定储电量的20%时，光伏发电功率大于80%时，控制所有油井进行生产；光伏发电功率大于60%时，控制系统内75%油井工作；光伏发电功率大于40%时，控制50%油井工作；光伏发电功率大于20%时，控制30%油井进行工作；光伏发电功率大于10%时，控制20%油井进行工作。
6.根据权利要求5所述采油系统绿色低碳的智能群控系统，其特征在于：所述井场智能控制单元实时分析所有当天计划生产时间，高峰工作时间等于当天剩余工作时间减去低峰时间；优先启动高峰工作时间最大油井；当油井高峰工作时间等于今日高峰剩余工作时间段时，启动油井进行生产。
7.根据权利要求4或6所述采油系统绿色低碳的智能群控系统，其特征在于：所述储能装置通过与太阳能系统、整流单元连接，用于解决整流端电压过高同时，存储太阳能系统所产生的电能，具体包括以下过程：
当智能群控系统母线电压U0低于U3时，电网开始供电，确保系统正常运行；
当智能群控系统母线电压U0高于U2时，抽油机系统处于发电状态，系统开始向储能装置充电；
当智能群控系统母线电压U0小于U3，且大于U1时，使用储能装置进行供电；
其中
；
；
；其中，Ue为电网额定电压。
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