CN116044350A - 一种抽油机平衡调节远程终端单元控制方法 - Google Patents

一种抽油机平衡调节远程终端单元控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抽油机平衡调节远程终端单元控制方法，包括以下步骤：S1：传感器数据收集：载荷传感器B1输出4‑20mA信号，导线连接至RTUA15模拟量输入（AI）端子，实现抽油机井悬点载荷数据采集，位移传感器B2输出4‑20mA信号，导线连接至RTUA15模拟量输入（AI）端子，实现抽油机悬点运动位移数据采集，电参传感器A14输出RS485信号，串口线连接至RTUA15的RS485端口，实现进行相关电量数据采集；S2：边缘计算分析；S3：平衡度计算；S4：就地控制方面。本发明所述的一种抽油机平衡调节远程终端单元控制方法，本发明为一种基于示功图、电参数分析抽油机井智能控制RTU设备，缩短抽油机井闭环控制链路，实现就地平衡调节、间开控制及变频调速等智能控制，系统运行稳定性大幅提升。

Description

一种抽油机平衡调节远程终端单元控制方法
技术领域
本发明涉及抽油机井生产控制领域，特别涉及一种抽油机平衡调节远程终端单元控制方法。
背景技术
目前，抽油机井主要采用工频方式运行，同时无法直接调节平衡，存在如下问题：一是24小时工频运行，能耗较大；二是抽油机运行不平衡，易引发电机烧毁，因此，迫切需求一种抽油机井智能控制RTU设备，通过基于抽油机井示功图、电参数的边缘分析计算，智能发送调控指令，以此来确保抽油机运行在最佳状态。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种抽油机平衡调节远程终端单元控制方法，可以有效解决背景技术中的问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种抽油机平衡调节远程终端单元控制方法，包括以下操作步骤：
S1：传感器数据收集：载荷传感器B1输出4-20mA信号，通过导线连接至RTUA15模拟量输入（AI）端子，实现抽油机井悬点载荷数据采集，位移传感器B2输出4-20mA信号，通过导线连接至RTUA15模拟量输入（AI）端子，实现抽油机悬点运动位移数据采集，电参传感器A14输出RS485信号，通过串口线连接至RTUA15的RS485端口，实现抽油机井相关电量数据采集；
S2：边缘计算分析：包括充满度的计算和平衡度计算，其中抽油机井充满度是指抽油机泵筒有效冲程与抽油机井实际冲程之比，有效冲程和充满度的计算的求解方法如以下操作步骤：
a：定地面示功图最大载荷点PU(UU，FU)，最小载荷点PD（UD，FD），地面示功图由200组载荷、位移数据绘制而成，其数据集Ω={（U0，F0），（U1，F1），...，（U199，F199）}，因此，可较容易获得：载荷数据集Ω1=[F0,F1,...,F199]，位移数据集Ω2=[U0,U1,...,U199]，通过应用求解最大函数MAX(Ω1)与求解最小函数MIN（Ω1），可得到最大载荷点PU（UU,FU）与最小载荷点PD（UD,FD）；
b：确定有效冲程长度：以载荷为纵坐标（y轴）、位移为横坐标（x轴），可将地面示功图在二维坐标中绘制出来，取△F=（FU-FD）/5，令y1=FD+△F，y2=FU-△F，分别将y1、y2绘制在示功图坐标系中，可获得与示功图相交的四个交点Pi（Ui,Fi）、Pj（Uj，Fj）、Pm（Um，Fm）、Pn（Un，Fn），取Spt=Un-Um，Sps=Uj-Ui，那么该地面示功图有效冲程SP=min(Spt,Sps)；
c：确定充满度，其中S为抽油机井冲程，S=MAX（Ω2）；
d：冲次调节及智能间开控制方法：包括抽油机冲次调节方法和抽油机间开控制方法，其中抽油机冲次调节方法为：当充满度在【0.5，0.9】范围之内时，采用变频调速调节冲次的方式运行，在实际生产过程中，随着地层供液变化，充满度η也随之变化，一般在0%-100%范围内变化，给定抽油机井变频器输出频率范围[freq_down，freq_up]，freq_down，freq_up可以人为设置，那么输出频率可以按照如下方式计算：freq=（freq_up-freq_down）*η+freq_down，实现变频器输出频率随着充满度变化而线性变化，从而实现泵充满度η较大时快速抽油，输出频率达到最大freq_up；泵充满度η较小时慢速抽油，输出频率达到最小freq_down，其中抽油机间开控制方法为：当充满度小于0.5时，采用智能间开控制方式运行，抽油机井间开一般以24小时为周期，具体生产时间与停井时间如下：生产时间=24小时*η，停井时间=24小时-24小时*η；
S3：平衡度计算：包括以下操作步骤：
A：功率图由200组功率、位移数据绘制而成，其数据集Ω={（U0，P0），（U1，P1），...，（U199，P199）}，因此，可较容易获得：载荷数据集Ω3=[P0,P1,...,P199]，位移数据集Ω4=[U0,U1,...,U199]；
B：一个冲程内上冲程平均功率，为上冲程采集功率点数，一个冲程内下冲程平均功率，为一个冲程周期采集功率点数；
C：单张功率图平衡度计算；
D：抽油机井平衡度计算，为第i张功率图与第i-1张功率图时间间隔，min，平衡调节方法为：当平衡度超出[0.8，1.2]范围，说明抽油机井当前处于不平衡状态，此时井口RTU控制调平衡电机，按照既定调平衡策略，实现抽油机井平衡自动调节，调节完成一段时间后，进一步评价，形成闭环控制；
S4：就地控制方面：井口RTU A15通过数字量输出端子（DO）连接至调平衡接触器A11，实现抽油机井平衡调节功能，井口RTU A15通过数字量输出端子（DO）连接至变频回路接触器A3，通过RS485接口连接至变频器A9，实现抽油机井变频启停控制及调节功能，井口RTU A15通过数字量输出端子（DO）连接至工频回路接触器A4，实现抽油机井工频启停控制功能。
优选的，所述抽油机井相关电量数据包括有功功率P、无功功率Q、功率因数cosψ、各相有功功率Pa、Pb、Pc，各相无功功率Qa、Qb、Qc，总有功功率、总无功功率、总视在功率等。
有益效果
与现有技术相比，本发明提供了一种抽油机平衡调节远程终端单元控制方法，具备以下有益效果：
1、本发明为一种基于示功图、电参数分析抽油机井智能控制RTU设备，缩短抽油机井闭环控制链路，实现就地平衡调节、间开控制及变频调速等智能控制，系统运行稳定性大幅提升。
附图说明
图1是本发明的新型传感器部署图；
图2是本发明的控制柜部署图图；
图3是本发明的数据采集及控制回路示意图；
图4是本发明的充满度计算方法图；
图5是本发明的功率图；
图6是本发明的冲次调节方法图；
图7是本发明的冲次调节方法图。
图中：B0、控制柜；B1、载荷传感器；B2、位移传感器；A1、变频供电断路器；A2、工频供电断路器；A3、变频回路接触器；A4、工频回路接触器；A6、电流互感器；A9、变频器；A11、调平衡接触器；A13、调平衡供电断路器；A14、电参传感器；A15、井口RTU。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
如图1-7所示，本发明涉及一种抽油机平衡调节远程终端单元控制方法，包括以下操作步骤：
S1：传感器数据收集：载荷传感器B1输出4-20mA信号，通过导线连接至RTUA15模拟量输入（AI）端子，实现抽油机井悬点载荷数据采集，位移传感器B2输出4-20mA信号，通过导线连接至RTUA15模拟量输入（AI）端子，实现抽油机悬点运动位移数据采集，电参传感器A14输出RS485信号，通过串口线连接至RTUA15的RS485端口，实现抽油机井相关电量数据采集，抽油机井相关电量数据包括有功功率P、无功功率Q、功率因数cosψ、各相有功功率Pa、Pb、Pc，各相无功功率Qa、Qb、Qc，总有功功率、总无功功率、总视在功率等，传感器安装如图1所示。
S2：边缘计算分析：包括充满度的计算和平衡度计算，其中抽油机井充满度是指抽油机泵筒有效冲程与抽油机井实际冲程之比，有效冲程和充满度的计算的求解方法如以下操作步骤：
a：定地面示功图最大载荷点PU(UU，FU)，最小载荷点PD（UD，FD），地面示功图由200组载荷、位移数据绘制而成，其数据集Ω={（U0，F0），（U1，F1），...，（U199，F199）}，因此，可较容易获得：载荷数据集Ω1=[F0,F1,...,F199]，位移数据集Ω2=[U0,U1,...,U199]，通过应用求解最大函数MAX(Ω1)与求解最小函数MIN（Ω1），可得到最大载荷点PU（UU,FU）与最小载荷点PD（UD,FD）。
b：确定有效冲程长度：以载荷为纵坐标（y轴）、位移为横坐标（x轴），可将地面示功图在二维坐标中绘制出来，如图2所示，取△F=（FU-FD）/5，令y1=FD+△F，y2=FU-△F，分别将y1、y2绘制在示功图坐标系中，可获得与示功图相交的四个交点Pi（Ui,Fi）、Pj（Uj，Fj）、Pm（Um，Fm）、Pn（Un，Fn），取Spt=Un-Um，Sps=Uj-Ui，那么该地面示功图有效冲程SP=min(Spt,Sps)。
c：确定充满度，其中S为抽油机井冲程，S=MAX（Ω2）。
d：冲次调节及智能间开控制方法：包括抽油机冲次调节方法和抽油机间开控制方法，其中抽油机冲次调节方法为：当充满度在【0.5，0.9】范围之内时，采用变频调速调节冲次的方式运行，在实际生产过程中，随着地层供液变化，充满度η也随之变化，一般在0%-100%范围内变化，给定抽油机井变频器输出频率范围[freq_down，freq_up]，freq_down，freq_up可以人为设置，那么输出频率可以按照如下方式计算：freq=（freq_up-freq_down）*η+freq_down，实现变频器输出频率随着充满度变化而线性变化，从而实现泵充满度η较大时快速抽油，输出频率达到最大freq_up。泵充满度η较小时慢速抽油，输出频率达到最小freq_down，其中抽油机间开控制方法为：当充满度小于0.5时，采用智能间开控制方式运行，抽油机井间开一般以24小时为周期，具体生产时间与停井时间如下：生产时间=24小时*η，停井时间=24小时-24小时*η。
S3：平衡度计算：包括以下操作步骤：
A：功率图由200组功率、位移数据绘制而成，其数据集Ω={（U0，P0），（U1，P1），...，（U199，P199）}，因此，可较容易获得：载荷数据集Ω3=[P0,P1,...,P199]，位移数据集Ω4=[U0,U1,...,U199]。
B：一个冲程内上冲程平均功率，为上冲程采集功率点数，一个冲程内下冲程平均功率，为一个冲程周期采集功率点数。
C：单张功率图平衡度计算。
D：抽油机井平衡度计算，为第i张功率图与第i-1张功率图时间间隔，min，平衡调节方法为：当平衡度超出[0.8，1.2]范围，说明抽油机井当前处于不平衡状态，此时井口RTU控制调平衡电机，按照既定调平衡策略，实现抽油机井平衡自动调节，调节完成一段时间后，进一步评价，形成闭环控制。
S4：就地控制方面：井口RTU A15通过数字量输出端子（DO）连接至调平衡接触器A11，实现抽油机井平衡调节功能，井口RTU A15通过数字量输出端子（DO）连接至变频回路接触器A3，通过RS485接口连接至变频器A9，实现抽油机井变频启停控制及调节功能，井口RTU A15通过数字量输出端子（DO）连接至工频回路接触器A4，实现抽油机井工频启停控制功能。
本发明为一种基于示功图、电参数分析抽油机井智能控制RTU设备，缩短抽油机井闭环控制链路，实现就地平衡调节、间开控制及变频调速等智能控制，系统运行稳定性大幅提升。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (2)

1.一种抽油机平衡调节远程终端单元控制方法，其特征在于：包括以下操作步骤：
S1：传感器数据收集：载荷传感器B1输出4-20mA信号，通过导线连接至RTUA15模拟量输入（AI）端子，实现抽油机井悬点载荷数据采集，位移传感器B2输出4-20mA信号，通过导线连接至RTUA15模拟量输入（AI）端子，实现抽油机悬点运动位移数据采集，电参传感器A14输出RS485信号，通过串口线连接至RTUA15的RS485端口，实现抽油机井相关电量数据采集；
S2：边缘计算分析：包括充满度的计算和平衡度计算，其中抽油机井充满度是指抽油机泵筒有效冲程与抽油机井实际冲程之比，有效冲程和充满度的计算的求解方法如以下操作步骤：
a：定地面示功图最大载荷点PU(UU，FU)，最小载荷点PD（UD，FD），地面示功图由200组载荷、位移数据绘制而成，其数据集Ω={（U0，F0），（U1，F1），...，（U199，F199）}，因此，可较容易获得：载荷数据集Ω1=[F0,F1,...,F199]，位移数据集Ω2=[U0,U1,...,U199]，通过应用求解最大函数MAX(Ω1)与求解最小函数MIN（Ω1），可得到最大载荷点PU（UU,FU）与最小载荷点PD（UD,FD）；
b：确定有效冲程长度：以载荷为纵坐标（y轴）、位移为横坐标（x轴），可将地面示功图在二维坐标中绘制出来，取△F=（FU-FD）/5，令y1=FD+△F，y2=FU-△F，分别将y1、y2绘制在示功图坐标系中，可获得与示功图相交的四个交点Pi（Ui,Fi）、Pj（Uj，Fj）、Pm（Um，Fm）、Pn（Un，Fn），取Spt=Un-Um，Sps=Uj-Ui，那么该地面示功图有效冲程SP=min(Spt,Sps)；
c：确定充满度，其中S为抽油机井冲程，S=MAX（Ω2）；
d：冲次调节及智能间开控制方法：包括抽油机冲次调节方法和抽油机间开控制方法，其中抽油机冲次调节方法为：当充满度在【0.5，0.9】范围之内时，采用变频调速调节冲次的方式运行，在实际生产过程中，随着地层供液变化，充满度η也随之变化，一般在0%-100%范围内变化，给定抽油机井变频器输出频率范围[freq_down，freq_up]，freq_down，freq_up可以人为设置，那么输出频率可以按照如下方式计算：freq=（freq_up-freq_down）*η+freq_down，实现变频器输出频率随着充满度变化而线性变化，从而实现泵充满度η较大时快速抽油，输出频率达到最大freq_up；泵充满度η较小时慢速抽油，输出频率达到最小freq_down，其中抽油机间开控制方法为：当充满度小于0.5时，采用智能间开控制方式运行，抽油机井间开一般以24小时为周期，具体生产时间与停井时间如下：生产时间=24小时*η，停井时间=24小时-24小时*η；
S3：平衡度计算：包括以下操作步骤：
A：功率图由200组功率、位移数据绘制而成，其数据集Ω={（U0，P0），（U1，P1），...，（U199，P199）}，因此，可较容易获得：载荷数据集Ω3=[P0,P1,...,P199]，位移数据集Ω4=[U0,U1,...,U199]；
B：一个冲程内上冲程平均功率，为上冲程采集功率点数，一个冲程内下冲程平均功率，为一个冲程周期采集功率点数；
C：单张功率图平衡度计算；
D：抽油机井平衡度计算，为第i张功率图与第i-1张功率图时间间隔，min，平衡调节方法为：当平衡度超出[0.8，1.2]范围，说明抽油机井当前处于不平衡状态，此时井口RTU控制调平衡电机，按照既定调平衡策略，实现抽油机井平衡自动调节，调节完成一段时间后，进一步评价，形成闭环控制；
S4：就地控制方面：井口RTU A15通过数字量输出端子（DO）连接至调平衡接触器A11，实现抽油机井平衡调节功能，井口RTU A15通过数字量输出端子（DO）连接至变频回路接触器A3，通过RS485接口连接至变频器A9，实现抽油机井变频启停控制及调节功能，井口RTU A15通过数字量输出端子（DO）连接至工频回路接触器A4，实现抽油机井工频启停控制功能。
2.根据权利要求1所述的一种抽油机平衡调节远程终端单元控制方法，其特征在于：所述抽油机井相关电量数据包括有功功率P、无功功率Q、功率因数cosψ、各相有功功率Pa、Pb、Pc，各相无功功率Qa、Qb、Qc，总有功功率、总无功功率、总视在功率等。
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