CN111884557B - 一种基于电机功率转矩的抽油机控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电机功率转矩的抽油机控制方法，包括以下步骤第一步，自学***均满抽电机功率转矩、平均空抽电机功率转矩和理论间抽间隔时间，第二步，抽油机智能控制器给电机一个输出频率，输出频率经过调制产生SVPWM，SVPWM通过逆变输出后拖动电机运作；第三步，输入电参测量模块对逆变输出进行输出电流采样，从而得到输出电流变化信号，由输出电流变化信号计算电机功率转矩，抽油机智能控制器调整输出频率，从而对电机运行频率进行调整，改变抽汲速度。通过电机的电流/转矩实时变化情况，得到实时需要的输出转速，以实现更好的节能效果，达到供采平衡，提高机采效率，降低石油开采过程中抽油机的能耗。
Description
技术领域
本发明属于采油控制技术领域，具体涉及一种基于电机功率转矩的抽油机控制方法。
背景技术
抽油机是油田开采过程中最主要的耗电设备，现在使用中的普遍是游梁式抽油机。抽油机启动时电流较大，为了可靠的启动，抽油机所配置的电机一般都是选型放大，这样就会导致电机正常运行时经常存在大马拉小车情况，运行效率低下。同时油田往往有好多是已经运行了多年的老油井，油井的产油量不是很固定。使得柱塞泵经常工作在空抽或者抽油量不足情况，这样就导致了游梁式抽油机机械设备的无效磨损，增加了设备的运行维护成本。同时还造成了电能的白白浪费。
目前油田通常采用的方法为：调整机械冲程，改变传动比调整抽油速度，或者将工频连续抽油方式改为时间继电器控制的定时间开抽油方式，还有采用变频器+PLC以多段速度运行及功图动液面的检测调整冲次。
这几种方式存在以下方面问题，调整抽油机机械冲程，容易使抽油机平衡发生较大变化，经常需要调平衡作业，造成劳动强度及成本增加。改变传动比调整抽油速度只是粗略的进行调整冲次，增加大批库存备件，间接增加采油成本。间抽采油方式在冬季时容易出现油管冻死，长时间不出油的情况。变频器+PLC以多段速度运行模式可以适当提高效率，但是多段速度频率/时间很难找准，想进一步提升抽油机运行效率很难。功图动液面的检测受传感器成本，质量稳定性和不同油井的参数变化的影响很大，调试麻烦，对专业要求很高，一直未能大面积的成功推广和应用。
对于不平衡的抽油机，整个冲程周期的不同阶段存在电机超速运转现象，引起电机倒发电使电机驱动器过电压失速情况，就会引起变频器主回路直流过电压报警。
现有通用控制方法有：
加装制动电阻，对抽油机下行过程中的过电压进行能耗释放，又称电阻能耗制动，这种方法简单，加装成本低，但严重浪费电能。
多台机组共直流母线并联控制，将下行过程中的能量传递给其它上行过程中的变频器，这种方法对于丛式井组，施工简单，节能效果好，但是对于单台抽油机就不行。
加装能量回馈单元或使用四象限专用变频器，将下行过程中的能量回馈到电网，这种方法成本较高，部分回馈单元回馈电网的波形质量很差，对电网影响很大，不适合大面积推广应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于电机功率转矩的抽油机控制方法，已根据实时输出功率及转矩，得到最佳的抽油速度。
本发明的目的是通过以下技术手段实现的，一种基于电机功率转矩的抽油机控制方法，包括以下步骤：
第一步，建立液面动态模拟模型。
第二步，抽油机智能控制器控制电机运作；
第三步，抽油机抽汲速度改变，获取电机的电机功率转矩，抽油机智能控制器根据液面动态模拟模型的相关参数与电机功率转矩对比，调整电机运行频率，从而改变抽汲机的抽汲速度；
第四步，间抽模式停工，
当电机功率转矩符合液面动态模拟模型中空抽状态时，抽油机智能控制器控制电机停止工作；
第五步，间抽模式重启，在一段时间后，再次开始抽油，重复第二步至第四步；
建立液面动态模拟模型的方法为，抽油机智能控制器自学***均空抽电机功率转矩和理论间抽间隔时间，并根据自学***均空抽电机功率转矩建立液面动态模拟模型。
抽油机智能控制器自学***均满抽电机功率转矩；
2)、空抽转矩自学***均空抽电机功率转矩；
3)、理论间抽间隔时间自学***均功率转矩，并与平均满抽电机功率转矩对比，对初始间抽间隔时间进行修正，并重复间抽工作，直至得到的平均功率转矩与平均满抽电机功率转矩相同，则此时的间抽间隔时间即为理论间抽间隔时间。
对初始间抽间隔时间进行修正的方法为，若本次间抽过程中的平均功率转矩大于平均满抽电机功率转矩，则对下次间抽间隔时间进行减小；若本次间抽过程中的平均功率转矩小于平均满抽电机功率转矩，则对下次间抽间隔时间进行增大。
所述第二步中，抽油机智能控制器控制电机运作的方法为，抽油机智能控制器给电机一个初始输出频率的电流，电流输送给电机后拖动电机运作。
所述第三步中，电机的电机功率转矩获取方法为，输入电参测量模块对逆变输出后的电流进行输出电流采样，从而得到输出电流变化信号，由输出电流变化信号计算电机功率转矩。
由输出电流变化信号计算电机功率转矩的具体方法为，根据输出电流采样获得转矩电流Iq与励磁电流Id，通过矢量控制的Iq*Id得出电机功率转矩。
所述第三步中，对电机进行调整的方法为，抽油机智能控制器通过抑制过压失速单元输出信号并叠加至输出频率，改变输出频率，从而对电机进行调整，以改变控制抽油机的抽汲速度。所述第三步中抽油机智能控制器根据自学***均满抽电机功率转矩的比值，两者比值为力矩系数，当力矩系数处在小于等于1且大于0.75时，电机运行频率为55-40hz，当力矩系数处在小于等于0.75且大于0.5时，电机运行频率为39-30hz，当力矩系数处在小于等于0.5且大于0.3时，电机运行频率为25-20hz；当力矩系数处在小于等于0.3且大于0时，电机运行频率为0hz。
还使用输入电参测量模块采集当前电机实时电压、电流、电网频率、功率因数、有功功率、无功功率和累积有功总电能参数；抽油机智能控制器获取运行频率、给定频率、直流电压、输出电压、输出电流、电机运行转速、瞬时功率、平均转矩、输出平均功率、给定冲次、运行冲次、电机功率因数、运行时间值、运行状态信息；数据采集控制单元将输入电参测量模块和抽油机智能控制器获取的数据传输给有线/无线数据传输单元模块及触摸显示监控单元。
本发明的有益效果在于：1、通过输出电流以及电机功率转矩的变化，得到液面的动态模拟数据，从而得到实时需要的输出转速，避免了油井低液位时电机空抽等情况，从而降低电机能耗。
2、降低了抽油机的空抽及充供液不足所至的无效设备磨损，以及有效的消除了启停时对抽油机的冲击，降低了人工更换传动机构调冲的额外劳动强度及备品备件。
附图说明
图1为基于电机功率转矩的抽油机控制方法流程示意图；
图2为液位与抽油机运行频率关系示意图；
图中 1、输入电参测量模块；2、抽油机智能控制器；3、抑制过压失速单元；10、电机；11、数据采集控制单元；12、有线/无线数据传输单元模块；13、触摸显示监控单元。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
具体实施方式
【实施例1】
如图1所示，一种基于电机功率转矩的抽油机控制方法，包括以下步骤：
第一步，建立液面动态模拟模型。
第二步，抽油机智能控制器控制电机运作；
第三步，抽油机抽汲速度改变，获取电机10的电机功率转矩，抽油机智能控制器2根据液面动态模拟模型的相关参数与电机功率转矩对比，调整电机10运行频率，从而改变抽汲机的抽汲速度；
第四步，间抽模式停工，
当电机功率转矩符合液面动态模拟模型中空抽状态时，抽油机智能控制器2控制电机10停止工作；
第五步，间抽模式重启，在一段时间后，再次开始抽油，重复第二步至第四步。
在抽油机电机实际工作过程中，当液面很低发生空抽时，油泵上行开始时游动阀并没有打开，抽油机载荷为杆柱重量及游动阀上部液柱的重量之和，可平衡掉大部分配重的重量，电动机只需用很小的能量就可将油杆柱送入井底，此时电机力矩较小；当油井中液面较高时泵的充满度较高时，下行开始不久，游动阀即打开，泵筒中液面托住了游动阀上部的液柱重量，并且使抽油杆柱也浸没在液体中，因而悬点载荷只是杆柱在液体中的浮重，这也意味着电机将用较大的能量来举起曲柄或游梁尾部平衡块的重量才能将杆柱送入井底，因而力矩，即电机功率转矩就较大。
因此，可以看出液面的高低对油泵的高效运行的至关重要，而液面的高低又与抽油速度和时间关系很大。
在实际工作中，第一步先让抽油机智能控制器2进行自学习，建立液面动态模拟模型，为之后的步骤进行准备。
第二步，抽油机智能控制器2控制电机10工作，具体流程为抽油机智能控制器2给出一个电流，电流拖动电机10运作。根据电流的输出频率不同，电机10的运作频率也不相同。
第三步，抽油机抽汲速度改变，随着抽油的进行，液面高度下降，因此电机10的运行频率需要改变，输入电参测量模块1对逆变输出的电流进行输出电流采样，从而得到输出电流变化信号,并将信号输送至抽油机智能控制器2，抽油机智能控制器2再由输出电流变化信号计算出电机功率转矩，抽油机智能控制器2根据自学习后产生的液面动态模拟模型的相关参数与电机功率转矩对比，调整输出频率，从而改变电机10的运行速度，改变抽汲速度。
第四步，当由输出电流变化信号计算出电机功率转矩8等于平均空抽电机功率转矩，则意味着此时液面已经很低，抽油机处于空抽状态，因此停止电机10工作，停止抽油。
第五步，停工理论间抽间隔时间后，油井液面上升，由空抽液面升到满抽液面，则可以再次启动电机10抽油。然后抽油至空抽状态，重复第二步至第五步，不停进行间抽循环。
【实施例2】
在实施例1的基础上，如图1所示，建立液面动态模拟模型的方法为，抽油机智能控制器2自学***均空抽电机功率转矩和理论间抽间隔时间，并根据自学***均空抽电机功率转矩建立液面动态模拟模型。
先让抽油机智能控制器2进行自学***均满抽电机功率转矩、平均满抽电机功率转矩和理论间抽间隔时间，并建立液面动态模拟模型，为之后的对比进行准备。
抽油机智能控制器2自学***均满抽电机功率转矩；
2)、空抽转矩自学***均空抽电机功率转矩；
3)、理论间抽间隔时间自学***均功率转矩，并与平均满抽电机功率转矩对比，对初始间抽间隔时间进行修正，并重复间抽工作，直至得到的平均功率转矩与平均满抽电机功率转矩相同，则此时的间抽间隔时间即为理论间抽间隔时间。
自学***均值，即得到了平均满抽电机功率转矩。
然后自学***均得到平均空抽电机功率转矩。
对初始间抽间隔时间进行修正的方法为，若本次间抽过程中的平均功率转矩大于平均满抽电机功率转矩，则对下次间抽间隔时间进行减小；若本次间抽过程中的平均功率转矩小于平均满抽电机功率转矩，则对下次间抽间隔时间进行增大。
最后自学***均满抽电机功率转矩对比。如果电机功率转矩比平均满抽电机功率转矩高，则说明液面超过满抽液面，抽至空抽后对下次间抽间隔时间进行减小，如1小时30分后开井；如果电机功率转矩比比平均满抽电机功率转矩低，说明液位没有恢复到满抽液面，那么抽至空抽后对下次间隔时间进行增大，比如2小时30分钟后再开井。如此不断循环，并且减小修正的数值，如从每次增减30分钟，不断减小到每次增减15分钟甚至更少时间，直到测出的电机功率转矩等于平均满抽电机功率转矩，说明液位恢复到了满抽液位。那么就把这个间抽间隔时间认定为理论间抽间隔时间。
在实际实用中，可以先高速，即满抽150分钟，再低速，即空抽60分钟，再低速抽150分钟、高速抽150分钟，每5分钟记录一次功率，拟合油井压力变化模拟数据曲线，通过多次自学习循环得到更准确的值。
【实施例3】
在实施例2的基础上，如图1所示，所述第二步中，抽油机智能控制器2控制电机10运作的方法为，抽油机智能控制器2给电机10一个初始输出频率的电流，电流输送给电机10后拖动电机10运作。抽油机只能控制器2给电机10一个电流，根据电流的输出频率不同，电机10的工作频率也不相同。
具体的初始输出频率的电流，经过调制产生SVPWM，SVPWM又经逆变输出后输送给电机10，以驱动电机10工作。
抽油机智能控制器2的输出电流的输出频率，每隔5分钟调整一次。每5分钟，对输出电流进行一次采样，并将结果反馈给抽油机智能控制器2，改变电流的输出频率。
所述第三步中，电机10的电机功率转矩获取方法为，输入电参测量模块1对逆变输出后的电流进行输出电流采样，从而得到输出电流变化信号，由输出电流变化信号计算电机功率转矩。
输入电参测量模块1通过对逆变输出后的电流进行采样，得到了输出电流变化信号，并将这一信号传输给抽油机智能控制器2，由抽油机智能控制器2得出计算电机功率转矩。
由输出电流变化信号计算电机功率转矩8的具体方法为，根据输出电流采样9获得转矩电流Iq与励磁电流Id，通过矢量控制的Iq*Id得出电机功率转矩8。
具体的，根据电机10的固有电气特性，抽油机智能控制器2采用矢量控制算法，估算定子电阻、电感、互感、漏感、铁损。根据矢量控制的转矩电流Iq与励磁电流Id得出电机功率转矩8Tq。Tq＝Iq*Id。
所述第三步中，对电机10进行调整的方法为，抽油机智能控制器2通过抑制过压失速单元3输出信号并叠加至输出频率4，改变输出频率4，从而对电机10进行调整，以改变控制抽油机的抽汲速度。
对输出频率4进行更改的方法为，抽油机智能控制器2通过抑制过压失速单元3输出信号并叠加至输出频率4上，从而改变输出频率4的值，最终达到调整电机10的目的。
【实施例4】
在实施例3的基础上，如图2所示，所述第三步中抽油机智能控制器2根据自学***均满抽电机功率转矩的比值，两者比值为力矩系数，当力矩系数处在小于等于1且大于0.75时，电机10运行频率为55-40hz，当力矩系数处在小于等于0.75且大于0.5时，电机10运行频率为39-30hz，当力矩系数处在小于等于0.5且大于0.3时，电机10运行频率为25-20hz；当力矩系数处在小于等于0.3且大于0时，电机10运行频率为0hz。
面动态模拟模型7与电机功率转矩8对比的具体方法为，首先计算电机功率转矩8与平均满抽电机功率转矩的比值，即力矩系数。具体如下表，
当力矩系数落在小于等于1且大于0.75时，电机10的运行频率调整在55-40hz之间；这个区间内，力矩系数和运行频率呈线性关系
当力矩系数落在小于等于0.75且大于0.5时，电机10的运行频率调整在40-30hz之间；这个区间内，力矩系数和运行频率呈线性关系。
当力矩系数落在小于等于0.5且大于0.3时，电机10的运行频率调整在25-20hz之间；这个区间内，力矩系数和运行频率呈线性关系。
当力矩系数落在小于等于0.3且大于0时，认为此时液位低，处于空抽状态电机10的运行频率调整为0hz，停止工作，即第四步。
【实施例5】
在实施例4的基础上，如图1所示，还使用输入电参测量模块1采集当前电机10实时电压、电流、电网频率、功率因数、有功功率、无功功率和累积有功总电能参数；抽油机智能控制器2获取运行频率、给定频率、直流电压、输出电压、输出电流、电机运行转速、瞬时功率、平均转矩、输出平均功率、给定冲次、运行冲次、电机功率因数、运行时间值、运行状态信息；数据采集控制单元11将输入电参测量模块1和抽油机智能控制器2获取的数据传输给有线/无线数据传输单元模块12及触摸显示监控单元13。
通过输入电参测量模块1和抽油机智能控制器2采集数据，将采集得到的数据通过有线/无线数据传输单元模块12传输给上位机，并接受上位机的命令。以及显示在触摸显示监控单元13上，实时显示运行参数，方便现场操作人员操作。
综上所述，根据输出电流得到实时的电机功率转矩8变化情况，从而得到实时所需要的输出转速，从而避免空抽等现象，实现更好的节能效果，达到供采平衡，提高机采效率，降低石油开采过程中抽油机的能耗。
本实施例没有详细叙述的部件和结构及工艺属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。
Claims (8)
1.一种基于电机功率转矩的抽油机控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，建立液面动态模拟模型；
第二步，抽油机智能控制器控制电机运作；
第三步，抽油机抽汲速度改变，获取电机(10)的电机功率转矩，抽油机智能控制器(2)根据液面动态模拟模型的相关参数与电机功率转矩对比，调整电机(10)运行频率，从而改变抽汲机的抽汲速度；
第四步，间抽模式停工，
当电机功率转矩符合液面动态模拟模型中空抽状态时，抽油机智能控制器(2)控制电机(10)停止工作；
第五步，间抽模式重启，在一段时间后，再次开始抽油，重复第二步至第四步；
所述建立液面动态模拟模型的方法为，抽油机智能控制器(2)自学***均空抽电机功率转矩和理论间抽间隔时间，并根据自学***均空抽电机功率转矩建立液面动态模拟模型；
所述抽油机智能控制器(2)自学***均满抽电机功率转矩；
2)、空抽转矩自学***均空抽电机功率转矩；
3)、理论间抽间隔时间自学***均功率转矩，并与平均满抽电机功率转矩对比，对初始间抽间隔时间进行修正，并重复间抽工作，直至得到的平均功率转矩与平均满抽电机功率转矩相同，则此时的间抽间隔时间即为理论间抽间隔时间。
2.根据权利要求1所述的一种基于电机功率转矩的抽油机控制方法，其特征在于：所述对初始间抽间隔时间进行修正的方法为，若本次间抽过程中的平均功率转矩大于平均满抽电机功率转矩，则对下次间抽间隔时间进行减小；若本次间抽过程中的平均功率转矩小于平均满抽电机功率转矩，则对下次间抽间隔时间进行增大。
3.根据权利要求1所述的一种基于电机功率转矩的抽油机控制方法，其特征在于：所述第二步中，抽油机智能控制器(2)控制电机(10)运作的方法为，抽油机智能控制器(2)给电机(10)一个初始输出频率的电流，电流输送给电机(10)后拖动电机(10)运作。
4.根据权利要求1所述的一种基于电机功率转矩的抽油机控制方法，其特征在于：所述第三步中，电机(10)的电机功率转矩获取方法为，输入电参测量模块(1)对逆变输出后的电流进行输出电流采样，从而得到输出电流变化信号，由输出电流变化信号计算电机功率转矩。
5.根据权利要求4所述的一种基于电机功率转矩的抽油机控制方法，其特征在于：由输出电流变化信号计算电机功率转矩的具体方法为，根据输出电流采样获得转矩电流Iq与励磁电流Id，通过矢量控制的Iq*Id得出电机功率转矩。
6.根据权利要求1所述的一种基于电机功率转矩的抽油机控制方法，其特征在于：所述第三步中，对电机(10)进行调整的方法为，抽油机智能控制器(2)通过抑制过压失速单元(3)输出信号并叠加至输出频率，改变输出频率，从而对电机(10)进行调整，以改变控制抽油机的抽汲速度。
7.根据权利要求1所述的一种基于电机功率转矩的抽油机控制方法，其特征在于：所述第三步中抽油机智能控制器(2)根据自学***均满抽电机功率转矩的比值，两者比值为力矩系数，当力矩系数处在小于等于1且大于0.75时，电机(10)运行频率为55-40hz，当力矩系数处在小于等于0.75且大于0.5时，电机(10)运行频率为39-30hz，当力矩系数处在小于等于0.5且大于0.3时，电机(10)运行频率为25-20hz；当力矩系数处在小于等于0.3且大于0时，电机(10)运行频率为0hz。
8.根据权利要求1所述的一种基于电机功率转矩的抽油机控制方法，其特征在于：还使用输入电参测量模块(1)采集当前电机(10)实时电压、电流、电网频率、功率因数、有功功率、无功功率和累积有功总电能参数；抽油机智能控制器(2)获取运行频率、给定频率、直流电压、输出电压、输出电流、电机运行转速、瞬时功率、平均转矩、输出平均功率、给定冲次、运行冲次、电机功率因数、运行时间值、运行状态信息；数据采集控制单元(11)将输入电参测量模块(1)和抽油机智能控制器(2)获取的数据传输给有线/无线数据传输单元模块(12)及触摸显示监控单元(13)。
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