CN103560744A - 一种基于功率预测的变速拖动曲线优化控制方法 - Google Patents

一种基于功率预测的变速拖动曲线优化控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及的是一种基于功率预测的变速拖动曲线优化控制方法，这种基于功率预测的变速拖动曲线优化控制方法将测试的电机输入功率或抽油机***工况参数数据，按傅里叶级数展开法进行优选变速拖动曲线，并进行综合节电率和周期载荷系数参数的计算，在满足约束条件的前提下，以综合节电率最大为目标，优化出电机变速拖动速度曲线，在进行平衡调整后，通过变频控制器将优化的变速拖动曲线应用到机-杆-泵***中，使抽油机***在节能平稳状况下运行。本发明能够达到降载节能的目的，综合节电率达到15%以上，载荷降低率10%以上，同时减弱抽油机载荷波动率，使抽油机运行平稳，减小冲击性载荷，提高整机的寿命。

Description

一种基于功率预测的变速拖动曲线优化控制方法
 
一、     技术领域：
本发明涉及的是石油人工举升技术领域，具体涉及的是一种基于功率预测的变速拖动曲线优化控制方法。
二、背景技术：  
在大庆油田平均每年消耗的电量大约为99亿千瓦，其中有近1/3的电量消耗在机械采油设备井中，但是游梁式抽油机井的平均效率却比较低，只有25%左右，这对整个油田的综合开发利用极其不利。因此有必要提出一种有效的节能措施来提高抽油机井效率。
为降低抽油机井的能耗，各国油田工程师们都进行了大量努力，比如美国专利US4102394和US4490094是将游梁式抽油机提供给光杆的准正弦速度曲线转变为在大部分的上冲程和下冲程过程中的匀速运动来减弱悬点载荷，即其速度曲线近似梯形曲线。专利WO2007/041823是通过采集电机转矩、转速，悬点载荷、位移，泵流率等数据，以产量最大化为目标，进行优化分析，计算出抽油机***运行方式。此方法实施起来相对比较困难，而且没有完全消除惯性扭矩对减速箱的不利影响，由其优化后的测试结果看，减速箱扭矩曲线有时会出现“过平衡”状况，很可能使减速箱处于“超载”状态运行，会导致减速箱齿轮被破坏，这不利于抽油机***的平稳运行和寿命。我国专利ZL0710113421.5是利用曲柄块的惯性势能，在下冲程时关闭电源，让抽油机在惯性力下运行，从而达到节能的目的。但是游梁式抽油机运行负荷具有周期性剧烈交变的特点，且随着抽汲工况参数的增大其波动性会更大。电机，减速箱、四连杆及杆柱都需要承受这种交变载荷的反复冲击，因此有必要采用某种措施让电动机在平稳的运行状态下工作，从而能降低能耗，而且减弱抽油机的周期***变冲击的工况。
三、发明内容：
本发明的一个目的是提供一种基于功率预测的变速拖动曲线优化控制方法，它用于解决电动机在不超载的情况下，解决游梁式抽油机运行平稳、节能降耗的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种基于功率预测的变速拖动曲线优化控制方法将测试的电机输入功率或抽油机***工况参数数据，按傅里叶级数展开法进行优选变速拖动曲线，并进行综合节电率和周期载荷系数参数的计算，在满足约束条件的前提下，以综合节电率最大为目标，优化出电机变速拖动速度曲线，在进行平衡调整后，通过变频控制器将优化的变速拖动曲线应用到机-杆-泵***中，使抽油机***在节能平稳状况下运行，具体如下：
步骤一、建立数据库，该数据库包括抽油机数据库、电动机特性数据库，抽油机数据库包括抽油机结构尺寸参数、运动件转动惯量、传动比、平衡块数目、平衡块重量；电动机特性数据库由室内电机负载特性试验台测试获取，并拟合成相应特性函数；
步骤二、借助试验井模拟试验获取皮带、减速箱及四连杆等处的节点功率与扭矩数据，对该数据处理后获得皮带、减速箱及四连杆的传动效率，并拟合成相应特性函数；
步骤三、向变速拖动优化程序中输入：冲程、冲次、泵挂、动液面、泵径、管径、杆柱组合及直径、含水率、套压、流压、油液密封、粘度；
步骤四、计算变速驱动时，抽油机运动特性与动力特性，包括悬点位移、悬点速度、悬点加速度、悬点载荷、减速箱扭矩、电机扭矩、电机功率、电机转速参数；
步骤五、按电流平衡法进行抽油机平衡调整，电流平衡度取值范围为65%-85%；
步骤六、在约束条件下，按目标函数                                               进行变速优化计算，约束条件为：
Figure 201310565477X100002DEST_PATH_IMAGE004
式中；
Figure 201310565477X100002DEST_PATH_IMAGE006
——计算目标函数的一系列相关参数；
Figure 201310565477X100002DEST_PATH_IMAGE008
——计算目标函数的计算函数；
Figure 201310565477X100002DEST_PATH_IMAGE010
——综合节电率（%）：
Figure 201310565477X100002DEST_PATH_IMAGE012
；
——有功、无功功率（kW、kar）；
Figure 201310565477X100002DEST_PATH_IMAGE016
——无功经济当量，对于抽油机用电动机一般取0.05～0.08；
——电流平衡度（%）：
Figure 201310565477X100002DEST_PATH_IMAGE020
;
Figure 201310565477X100002DEST_PATH_IMAGE022
——周期载荷系数：
Figure 201310565477X100002DEST_PATH_IMAGE024
；
Figure 201310565477X100002DEST_PATH_IMAGE026
——输入电流、上冲程峰值电流、下冲程峰值电流（A）；
Figure 201310565477X100002DEST_PATH_IMAGE028
——杆柱工作最大应力、杆柱许用应力（MPa）；
Figure 201310565477X100002DEST_PATH_IMAGE030
——减速箱输出轴扭矩（N.m）；
Figure 201310565477X100002DEST_PATH_IMAGE032
——产量；
下标：
max——最大值；
i——序号；
c——恒速拖动时的相关参数；
e——相关设备额定值； 
步骤七、对输入功率曲线进行傅里叶系数展开计算，每展开一次都重复进行步骤四~步骤六的计算，一般傅里叶级数展开5～6次即可得到最优的变速拖动曲线；
步骤八、把优化的变速拖动曲线离散后的数值输入到抽油机专用变频控制器，控制电机按最优化变速拖动曲线变速运行。
上述方案步骤一中拟合成相应特性函数，对于三相异步电动机Y225S-8电机工作特性函数表达式：
转差率：
Figure 201310565477X100002DEST_PATH_IMAGE034
；
功率因数：
Figure 201310565477X100002DEST_PATH_IMAGE036
；
输入功率：
Figure 201310565477X100002DEST_PATH_IMAGE038
；
输出电流：
Figure 201310565477X100002DEST_PATH_IMAGE040
；
 电机效率：
Figure 201310565477X100002DEST_PATH_IMAGE042
；
机械特性：
Figure 201310565477X100002DEST_PATH_IMAGE044
；
对于三相异步电动机Y225M-8电机工作特性函数表达式：
转差率：
Figure 201310565477X100002DEST_PATH_IMAGE046
；
功率因数：；
输入功率：
Figure 201310565477X100002DEST_PATH_IMAGE050
；
输出电流：
Figure 201310565477X100002DEST_PATH_IMAGE052
；
电机效率：
Figure 201310565477X100002DEST_PATH_IMAGE054
；
机械特性：
Figure 201310565477X100002DEST_PATH_IMAGE056
；
对于三相异步电动机Y250M-8电机工作特性函数表达式：
转差率：
Figure 201310565477X100002DEST_PATH_IMAGE058
；
功率因数：
Figure 201310565477X100002DEST_PATH_IMAGE060
；
输入功率：
Figure 201310565477X100002DEST_PATH_IMAGE062
；
输出电流：
Figure 201310565477X100002DEST_PATH_IMAGE064
；
电机效率：
Figure 201310565477X100002DEST_PATH_IMAGE066
；
机械特性：
Figure 201310565477X100002DEST_PATH_IMAGE068
。
有益效果：
1、常规游梁式抽油机在用三相异步电动机驱动工作下，应用本发明变速拖动曲线优化控制方法后能够达到降载节能的目的，综合节电率达到15%以上，载荷降低率10%以上，同时减弱抽油机载荷波动率，使抽油机运行平稳，减小冲击性载荷，提高整机的寿命。
2、本发明考虑了抽油机各运动部件的惯性载荷对抽油机平衡的影响，变速优化过程进行平衡再调整，保证变速优化后不出现“过平衡”和“欠平衡”的不良工况。
3、本发明首次应用傅里叶系数展开法进行输入功率的分解对最优驱动速度曲线求解，整个过程只需迭代5-6次即可得到最佳变速驱动曲线模型。
4、本发明表1中的三相异步电动机工作特性函数是在电机特性专用试验台上获取，特性函数精细描述了电机在0~2倍额定功率之间的特性变化规律，为电机输出电参数的计算精度提供保证。
5、本发明表2中的皮带、减速箱、四连杆传动效率模型是在抽油机模拟试验井上测试，并对试验数据拟合得到，计算精度更高，使用也很方便。
四、附图说明：
图1是电流平衡度与周期载荷系数的关系曲线；
图2是电流平衡度与电机节电率曲线。
五、具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
这种基于功率预测的变速拖动曲线优化控制方法，
步骤一、建立数据库，该数据库包括抽油机数据库、电动机特性数据库，抽油机数据库包括抽油机结构尺寸参数、运动件转动惯量、传动比、平衡块数目、平衡块重量；电动机特性数据库由室内电机负载特性试验台测试获取，并拟合成相应特性函数：
表1.  三相异步电动机工作特性函数表达式
项目 函数表达式--Y225S-8电机
转差率
Figure 201310565477X100002DEST_PATH_IMAGE070
功率因数
Figure 201310565477X100002DEST_PATH_IMAGE072
输入功率
Figure DEST_PATH_IMAGE074
输出电流
电机效率
Figure DEST_PATH_IMAGE078
机械特性
项目 函数表达式--Y225M-8电机
转差率
Figure DEST_PATH_IMAGE082
功率因数
Figure DEST_PATH_IMAGE084
输入功率
Figure DEST_PATH_IMAGE086
输出电流
电机效率
机械特性
项目 函数表达式-- Y250M-8电机
转差率
Figure DEST_PATH_IMAGE094
功率因数
Figure DEST_PATH_IMAGE096
输入功率
输出电流
Figure DEST_PATH_IMAGE100
电机效率
Figure DEST_PATH_IMAGE102
机械特性
Figure DEST_PATH_IMAGE104
步骤二、借助试验井模拟试验获取皮带、减速箱及四连杆等处的节点功率与扭矩数据，对该数据处理后获得皮带、减速箱及四连杆的传动效率，并拟合成相应特性函数；
    表2.  游梁式抽油机各部件传动效率
项目 函数表达式
皮带效率
Figure DEST_PATH_IMAGE106
减速箱效率
Figure DEST_PATH_IMAGE108
四连杆效率
Figure DEST_PATH_IMAGE110
步骤三、向变速拖动优化程序中输入：冲程、冲次、泵挂、动液面、泵径、管径、杆柱组合及直径、含水率、套压、流压、油液密封、粘度，
步骤四、计算变速驱动时，抽油机运动特性与动力特性，包括悬点位移、悬点速度、悬点加速度、悬点载荷、减速箱扭矩、电机扭矩、电机功率、电机转速等参数；
a)       电机变速运动时的四杆机构运动学模型，可以使用复变矢量法或其它方法进行求解。
悬点位移：
悬点速度：
Figure DEST_PATH_IMAGE114
悬点加速度：
b)      杆管液三维波动方程，离散成线性代数后用差分迭代进行求解。
c)       变速运行时减速箱与电动机输出扭矩计算公式。
减速箱输出轴净扭矩；
Figure DEST_PATH_IMAGE120
电动机输出轴扭矩；。
步骤五、按电流平衡法进行抽油机平衡调整，电流平衡度取值范围为65%-85%。电流平衡法是指下冲程峰值电流与上冲程峰值电流之比。根据游梁式抽油机平衡原理建立的动力学数学模型，理论计算及现场测试表明，对于常规游梁式抽油机，电流平衡度为65%-85%时，抽油机井处于最节能状态，此时上、下冲程平均功率接近相等。当变速拖动抽油机井时，惯性扭矩发生作用，能够降低峰值载荷，减弱甚至消除负扭矩。因此当载荷降低后，变速拖动前的平衡扭矩就相对较大，会导致整个抽油机处于过平衡的状态，有时反而有“减速箱超载”现象的出现。所以实施变速拖动措施前应该按电流平衡法进行平衡调整。图1和图2表示电流平衡度与周期载荷系数、节电率的关系，抽油机运行最平稳的时候也是最节能的时候，本发明以此为依据进行平衡调整。          
步骤六、在约束条件下，按目标函数
Figure 797314DEST_PATH_IMAGE002
进行变速优化计算，约束条件为：
Figure 589821DEST_PATH_IMAGE004
式中；
Figure 244924DEST_PATH_IMAGE006
——计算目标函数的一系列相关参数；
Figure 640133DEST_PATH_IMAGE008
——计算目标函数的计算函数；
Figure 329872DEST_PATH_IMAGE010
——综合节电率（%）：
Figure DEST_PATH_IMAGE124
；
Figure 27700DEST_PATH_IMAGE014
——有功、无功功率（kW、kar）；
——无功经济当量，对于抽油机用电动机一般取0.05～0.08；
Figure 244366DEST_PATH_IMAGE018
——电流平衡度（%）：;
Figure 781975DEST_PATH_IMAGE022
——周期载荷系数：
Figure 536304DEST_PATH_IMAGE024
。
Figure DEST_PATH_IMAGE126
——输入电流、上冲程峰值电流、下冲程峰值电流（A）；
Figure 24049DEST_PATH_IMAGE028
——杆柱工作最大应力、杆柱许用应力（MPa）；
Figure 547434DEST_PATH_IMAGE030
——减速箱输出轴扭矩（N.m）；
Figure 852644DEST_PATH_IMAGE032
——产量。
下标：
max——最大值；
i——序号；
c——恒速拖动时的相关参数；
e——相关设备额定值； 
步骤七、对输入功率曲线进行傅里叶系数展开计算， 输入功率曲线进行傅里叶系数展开方法如下；
游梁式抽油机在运行的过程中，电动机的工作功率为；
Figure DEST_PATH_IMAGE128
 
式中；
Figure DEST_PATH_IMAGE130
——电动机输入功率，一般为理论计算结果或用电功率测试仪测取的电动机输入功率值，利用测试结果进行的计算更精确，但应用比较麻烦；
Figure DEST_PATH_IMAGE132
——电动机恒定角速度（一般为三相异步电机，其转差率一般在3%以下，可以认为电机恒转速，例如8极为750rpm）；
T m——电机轴瞬态扭矩；
Figure DEST_PATH_IMAGE134
——为电机效率。
转换式电动机的工作功率公式可得；
Figure DEST_PATH_IMAGE136
通过上式即可求出电动机输出轴瞬态扭矩T m。
选择拖动电机在一个抽汲周期内的平均功率为“恒功率”运行目标值。则用
Figure DEST_PATH_IMAGE140
代替，可得理想电机瞬态角速度
Figure DEST_PATH_IMAGE142
函数为；
Figure DEST_PATH_IMAGE144
角速度
Figure 346467DEST_PATH_IMAGE142
函数是以
Figure DEST_PATH_IMAGE146
为自变量，
Figure DEST_PATH_IMAGE148
为周期的连续函数，满足狄里赫利（Dirichlet）条件；1.函数
Figure DEST_PATH_IMAGE150
在
Figure DEST_PATH_IMAGE152
上连续，没有间断点；2.函数在
Figure 766526DEST_PATH_IMAGE152
上极值点是有限的。因此可以将展开成傅立叶级数；
Figure DEST_PATH_IMAGE154
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE156
均为傅立叶系数，计算式如下；
Figure DEST_PATH_IMAGE158
Figure DEST_PATH_IMAGE160
 
Figure DEST_PATH_IMAGE162
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE164
即电机恒转速
Figure DEST_PATH_IMAGE166
。
变速拖动曲线应满足下列约束；
a)       电机扭矩峰值不大于额定扭矩；
Figure DEST_PATH_IMAGE168
b)      电机转速峰值不大于限定值；
式中；
Figure DEST_PATH_IMAGE172
——电机扭矩（N.m）；
Figure DEST_PATH_IMAGE174
——电机额定扭矩（N.m）；
Figure DEST_PATH_IMAGE176
——电机额定转速（rpm）。
对输入功率曲线进行傅里叶系数展开计算，每展开一次都重复进行步骤四~步骤六的计算，一般傅里叶级数展开5～6次即可得到最优的变速拖动曲线；
步骤八、把优化变速拖动曲线离散后的数值输入到抽油机专用变频控制器，控制电机按最优的变速拖动曲线变速运行。将优化的变速拖动曲线离散化为足够多点的数据，一般要求一个运行周期有至少150个数据点。先按电流平衡法计算抽油机的平衡扭矩，把优化变速拖动曲线离散后的一系列数值输入到变频控制器，即将优化的变速拖动曲线及平衡调整方法等作业参数应用到抽油机***中，使“机-杆-泵”以节能平稳的方式运行。变速拖动适合永磁同步电动机和三相异步电动机。对于三相异步电动机，基于其转差率一般小于3%，可以不考虑其转差率对变速优化的影响。考虑到电机成本和效果，高转差率电动机不适合本变速拖动优化方法。

Claims (2)

1.一种基于功率预测的变速拖动曲线优化控制方法，其特征在于：这种基于功率预测的变速拖动曲线优化控制方法将测试的电机输入功率或抽油机***工况参数数据，按傅里叶级数展开法进行优选变速拖动曲线，并进行综合节电率和周期载荷系数的计算，在满足约束条件的前提下，以综合节电率最大为目标，优化出电机变速拖动速度曲线，在进行平衡调整后，通过变频控制器将优化的变速拖动曲线应用到机-杆-泵***中，使抽油机***在节能平稳状况下运行，具体如下：
步骤一、建立数据库，该数据库包括抽油机数据库、电动机特性数据库，抽油机数据库包括抽油机结构尺寸参数、运动件转动惯量、传动比、平衡块数目、平衡块重量；电动机特性数据库由室内电机负载特性试验台测试获取，并拟合成相应特性函数；
步骤二、借助试验井模拟试验获取皮带、减速箱及四连杆处的节点功率与扭矩数据，对该数据处理后获得皮带、减速箱及四连杆的传动效率，并拟合成相应特性函数；
步骤三、向变速拖动优化程序中输入：冲程、冲次、泵挂、动液面、泵径、管径、杆柱组合及直径、含水率、套压、流压、油液密封、粘度；
步骤四、计算变速驱动时，抽油机运动特性与动力特性，包括悬点位移、悬点速度、悬点加速度、悬点载荷、减速箱扭矩、电机扭矩、电机功率、电机转速参数；
步骤五、按电流平衡法进行抽油机平衡调整，电流平衡度取值范围为65%-85%；
步骤六、在约束条件下，按目标函数                                                
Figure 201310565477X100001DEST_PATH_IMAGE001
进行变速优化计算，约束条件为：
Figure 596682DEST_PATH_IMAGE002
式中；
Figure 201310565477X100001DEST_PATH_IMAGE003
——计算目标函数的一系列相关参数；
Figure 426229DEST_PATH_IMAGE004
——计算目标函数的计算函数；
Figure 201310565477X100001DEST_PATH_IMAGE005
——综合节电率（%）：
Figure 799572DEST_PATH_IMAGE006
；
——有功、无功功率（kW、kar）；
Figure 446586DEST_PATH_IMAGE008
——无功经济当量，对于抽油机用电动机一般取0.05～0.08；
——电流平衡度（%）：
Figure 147956DEST_PATH_IMAGE010
;
Figure 201310565477X100001DEST_PATH_IMAGE011
——周期载荷系数：
Figure 905828DEST_PATH_IMAGE012
；
Figure 201310565477X100001DEST_PATH_IMAGE013
——输入电流、上冲程峰值电流、下冲程峰值电流（A）；
Figure 9044DEST_PATH_IMAGE014
——杆柱工作最大应力、杆柱许用应力（MPa）；
Figure 201310565477X100001DEST_PATH_IMAGE015
——减速箱输出轴扭矩（N.m）；
Figure 826959DEST_PATH_IMAGE016
——产量；
下标：
max——最大值；
i——序号；
c——恒速拖动时的相关参数；
e——相关设备额定值； 
步骤七、对输入功率曲线进行傅里叶系数展开计算，每展开一次都重复进行步骤四~步骤六的计算，一般傅里叶级数展开5～6次即可得到最优的变速拖动曲线；
步骤八、把优化的变速拖动曲线离散后的数值输入到抽油机专用变频控制器，控制电机按最优化变速拖动曲线变速运行。
2.根据权利要求1所述的基于功率预测的变速拖动曲线优化控制方法，其特征在于：所述的拟合成相应特性函数，对于三相异步电动机Y225S-8电机工作特性函数表达式：
转差率：
Figure 201310565477X100001DEST_PATH_IMAGE017
；
功率因数：
Figure 140260DEST_PATH_IMAGE018
；
输入功率：
Figure 201310565477X100001DEST_PATH_IMAGE019
；
输出电流：
Figure 436243DEST_PATH_IMAGE020
；
 电机效率：
Figure 201310565477X100001DEST_PATH_IMAGE021
；
机械特性：
Figure 784179DEST_PATH_IMAGE022
；
对于三相异步电动机Y225M-8电机工作特性函数表达式：
转差率：；
功率因数：
Figure 648361DEST_PATH_IMAGE024
；
输入功率：
Figure 201310565477X100001DEST_PATH_IMAGE025
；
输出电流：；
电机效率：
Figure 201310565477X100001DEST_PATH_IMAGE027
；
机械特性：
Figure 548632DEST_PATH_IMAGE028
；
对于三相异步电动机Y250M-8电机工作特性函数表达式：
转差率：
Figure 201310565477X100001DEST_PATH_IMAGE029
；
功率因数：
Figure 485495DEST_PATH_IMAGE030
；
输入功率：
Figure 201310565477X100001DEST_PATH_IMAGE031
；
输出电流：
Figure 520578DEST_PATH_IMAGE032
；
电机效率：
Figure 201310565477X100001DEST_PATH_IMAGE033
；
机械特性：
Figure 808471DEST_PATH_IMAGE034
。
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