CN115012911A - 准确定位游梁式抽油机上、下死点电机参数的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及抽油机装置领域，尤其涉及准确定位游梁式抽油机上、下死点电机参数的装置和方法。包括采集抽油机的电机输入功率的三相电参量采集模块，用于采集抽油机的电机实时转速的转速监测装置，以及用于采集驴头悬点的曲柄固定点触发器和计算模块：所述转速监测装置和曲柄固定点触发器均与三相电参量采集模块电连接，三相电参量采集模块与计算模块电连接；通过三相电参量采集模块、转速监测装置和曲柄固定点触发器获得电参数，电参数据相对稳定且不易出错；利用上下死点搜索算法，自动寻找上死点和下死点的准确位置，解决了曲柄固定点触发器安装难的问题。

Description

准确定位游梁式抽油机上、下死点电机参数的装置和方法

技术领域

本发明涉及抽油机装置领域，尤其涉及准确定位游梁式抽油机上、下死点电机参数的装置和方法。

背景技术

示功图是抽油机井生产过程中至关重要的第一手资料，是一个冲程周期内以悬点位移为横坐标，悬点载荷为纵坐标而组成的封闭曲线，包含油井大量的有用信息。通过示功图可以判断油井工况，如卡泵、供液不足、抽油杆断脱、凡尔漏失、气体影响、脱筒、结蜡等几十种工况，还可以分析冲程损失、抽油机载荷利用率、油井产液量、含水率、动液面等参数。

获取抽油机示功图的方式可分为两大类：一类为直接的方式，其典型方式为用位移或角度传感器获取光杆的位移，用载荷传感器获取悬绳器上的载荷，并将位移和载荷一一对应；另一种为间接的方式，即通过电机的电参量，如功率、转速、扭矩等参数，并结合抽油机物理模型，来计算出抽油机光杆的位移和载荷。

与直接方式对比，间接方式具有安装简便、成本低廉、维护方便等优点，但同时其计算难度也有所增加。难点之一在于，由于示功图反应的是光杆从下死点到上死点再到下死点这一周期的变化，因而需要将电参量按抽油机冲次分割为周期序列，并能给出上下死点在周期中的准确位置。目前普遍的做法是将曲柄固定点触发器安装于下死点位置处，一般是通过工人目测下死点位置后安装曲柄固定点触发器等方式，这样的方式会导致下死点位置不准确。另外，在实际作业时，将曲柄固定点触发器安装在上死点对应的曲柄位置更具有可操作性。因此，需要一种方法来简化曲柄固定点触发器的安装，使得曲柄固定点触发器安装在任意位置都可以准确定位上下死点对应的电参量参数。

发明内容

本发明的目的是提供准确定位游梁式抽油机上、下死点电机参数的装置和方法。

本发明的技术方案如下：

一种准确确定游梁式抽油机上、下死点电机参数的装置，包括用于采集抽油机的电机参数的三相电参量采集模块，用于采集抽油机的电机实时转速的转速监测装置，以及用于采集驴头悬点的曲柄固定点触发器和计算模块：所述转速监测装置和曲柄固定点触发器均与三相电参量采集模块电连接，三相电参量采集模块与计算模块电连接。

所述转速监测装置为转速传感器或转速估计器。

所述计算模块为通过网关设备与油井数据库建立连接的边缘计算模块。

所述边缘计算模块还通过网关设备与上位机连接。

所述三相电参量采集模块安装于抽油机的电机输入端。

所述曲柄固定点触发器包括磁钢、接近开关和传输模块，磁钢吸附于抽油机的曲柄轴上。其旋转轨迹能途经接近开关的感应面，接近开关采集下死点位置信号并通过传输模块发送至边缘计算模块。

一种准确定位游梁式抽油机上、下死点电机参数的方法，包括以下步骤：步骤1：电机转速传感器采集抽油机的电机实时转速；步骤2：曲柄固定点触发器采集抽油机一个冲程中的固定点位置；步骤3：电机转速传感器发送电机实时转速、曲柄固定点触发器发送固定点位置至三相电参量采集模块；步骤4：三相电参量采集模块在每个采样时间间隔内采集抽油机电机输入端的电参量数据，每条电参量数据均包括A相电流I_A，B相电流I_B，C相电流I_C，A相电压U_A，B相电压U_B，C相电压U_C，电机有功功率P，电机转速N；三相电参量采集模块发送电机输入端的电参量数据至边缘计算模块；步骤5：人工输入抽油机数据资料，或从数据库中获取抽油机数据资料；步骤6：根据步骤4获取的电机有功功率和电机转速计算电机的扭矩；步骤7：根据计算上、下死点电机参数的物理模型，通过多次电机的扭矩和固定点位置计算下死点和上死点的电机参数。

所述计算上、下死点电机参数的物理模型，包括以下步骤：步骤a由于除了位于上、下死点之外的其他时刻的电机扭矩与悬点载荷有关联；由于悬点载荷在每个周期都会有变化，因此可以通过分析时序上电机扭矩的变化，变化最小时既为上死点或下死点的位置；将每个采样时间间隔内的A相电流I_A，B相电流I_B，C相电流I_C，A相电压U_A，B相电压U_B，C相电压U_C，电机有功功率P，电机转速N，根据扭矩公式M_m＝9550P/N，可通过电机有功功率、转速与电机效率计算出电机扭矩M_m，将其按曲柄固定点触发器的触发点分割，设其中分割好的电机扭矩数据为：

…

其中，M_m表示电机扭矩，q表示一个周期的采样点数，p表示参与训练的样本数；现估计下死点在一个周期序列(1至q)中的位置内，设下死点的采样位置在{id^b∈Z|s≤id^b≤t}的范围内；其中，Z表示整数域，在曲柄匀速运动的假设下，上死点的位置为下死点位置往后偏移，计算上死点的公式1：Δu＝q·(θ^t-θ^b)/(2π)。其中，θ^t表示抽油机驴头到达上死点时，对应的曲柄角度；θ^b表示抽油机驴头到达下死点时，对应的曲柄角度；

步骤b：由于上下死点电机扭矩的变化最小，因此可知，上下死点处电机扭矩的方差最小；利用方差公式：

其中

可列出公式2：

s.t. s≤j≤t，j∈Z

求解公式2，即可求得下死点序号为id^b；得到每个周期内下死点对应的电机扭矩，同时可以得到每个周期内下死点对应的A相电流I_A，B相电流I_B，C相电流I_C，A相电压U_A，B相电压U_B，C相电压U_C。

步骤c：从而根据步骤b求得的下死点序号将电机扭矩数据重新分割，使得起始值为下死点时电机的扭矩；重新分割后，将新周期序列中下死点对应的电机扭矩序号为1；上死点对应的扭矩序号为1+Δu。

本发明的有益效果是：本发明是通过电参采集模块、转速传感器、曲柄固定点触发器和边缘计算模块来获得电参数，电参数据相对稳定且不易出错；利用上下死点搜索算法，自动寻找上死点和下死点的位置，解决了曲柄固定点触发器安装难的问题。

附图说明

通过下面结合附图的详细描述，本发明前述的和其他的目的、特征和优点将变得显而易见。

其中：图1为本发明抽油机模型示意图；

图2为本发明结构原理示意图；

图3为本发明流程示意图；

1为三相电参量采集模块，2为上位机，3为边缘计算模块，4为转速监测装置，5为曲柄固定点触发器。

具体实施方式

参见图1所示，一种准确确定游梁式抽油机上、下死点电机参数的装置，包括用于采集抽油机的电机参数的三相电参量采集模块1，用于采集抽油机的电机实时转速的转速监测装置4，以及用于采集驴头悬点的曲柄固定点触发器5和计算模块：所述转速监测装置和曲柄固定点触发器均与三相电参量采集模块电连接，三相电参量采集模块与计算模块电连接。

所述转速监测装置为电机转速传感器或转速估计器。转速传感器安装在电机的转轴附近，目的是采集电机的转速信息。典型地，为霍尔接近开关转速传感器，其由磁钢和接近开关两部分组成。磁钢吸附于电机转轴上，接近开关处于一固定位置，当磁钢随着转轴旋转一圈，会触发接近开关一次。接近开关两次触发之间的时间差，即为电机旋转的周期。接近开关与计算模块电连接，将触发信号传递给计算模块进行处理。转速估计器为一软件模块，一般内置在变频器中。

所述计算模块为通过网关设备与油井数据库建立连接的边缘计算模块3。

所述边缘计算模块还通过网关设备与上位机2连接。

所述三相电参量采集模块安装于抽油机的电机输入端。

所述曲柄固定点触发器包括磁钢、接近开关和传输模块，磁钢吸附于抽油机的曲柄轴上。其旋转轨迹能途经接近开关的感应面，接近开关采集下死点位置信号并通过传输模块发送至边缘计算模块。

一种准确定位游梁式抽油机上、下死点电机参数的方法，包括以下步骤：步骤1：电机转速传感器采集抽油机的电机实时转速；步骤2：曲柄固定点触发器采集抽油机一个冲程中的固定点位置；步骤3：电机转速传感器发送电机实时转速、曲柄固定点触发器发送固定点位置至三相电参量采集模块；步骤4：三相电参量采集模块在每个采样时间间隔内采集抽油机电机输入端的电参量数据，每条电参量数据均包括A相电流I_A，B相电流I_B，C相电流I_C，A相电压U_A，B相电压U_B，C相电压U_C，电机有功功率P，电机转速N；三相电参量采集模块发送电机输入端的电参量数据至边缘计算模块；步骤5：人工输入抽油机数据资料，或从数据库中获取抽油机数据资料；步骤6：根据步骤4获取的电机有功功率和电机转速计算电机的扭矩；步骤7：根据计算上、下死点电机参数的物理模型，通过多次电机的扭矩和固定点位置计算下死点和上死点的电机参数。

根据曲柄轴扭矩公式1：

其中M是曲柄轴扭矩、W是光杆载荷、B是抽油机本身不平衡值、c是游梁平衡重到游梁支撑中心距离、a是游梁前臂长度、W_b是游梁尾部平衡块重力、

是扭矩因数、M_cmax是曲柄最大平衡扭矩、τ是曲柄平衡相位角；

由于

是θ的函数，其定义为公式2：

其中Δθ是曲柄角度的变化、ΔS是悬点位置的变化，v_r是悬点线速度，ω_c是曲柄角速度；由于在上死点或下死点位置时，悬点线速度为0，因此上下死点处对应的扭矩因子等于零，即得到公式3：

其中，θ^t表示驴头在上死点时曲柄的角度，此值对于固定的游梁式抽油机装置，为固定值；θ^b表示驴头在下死点曲柄的角度，此值对于固定的游梁式抽油机装置，为固定值。

将公式2代入公式1中得到位于下死点时的公式4：

M^t+M_cmaxsin(θ^t+τ)＝0，

以及位于上死点时公式5：M^b+M_cmaxsin(θ^b+τ)＝0

曲柄轴扭矩是电机扭矩经过传动机构而获得的，即公式6：

M＝η_m·r·(M_m-M_m0)，其中η_m为电机效率，可以直接从电机厂商处获取、r为传动比、M_m为电机扭矩、M_m0为电机空转扭矩；

将公式6代入公式4得到公式7：

将公式6代入公式5得到公式8：

由于其中的的η_m、τ、M_m0、M_cmax都是定值，因此在上、下死点处

固定不变，而电机扭矩M_m除了位于上、下死点之外的其他时刻的M_m与悬点载荷W有关联；由于悬点载荷在每个周期都会有变化，因此可以通过分析时序上M_m的变化，变化最小时既为上死点或下死点的位置；将每个采样时间间隔内的电机扭矩按曲柄固定点触发器的触发点分割，设其中分割好的电机扭矩数据为：

…

其中，M_m表示电机扭矩，q表示一个周期的采样点数，p表示一共采样了p个周期；每个序列表示从接近开关触发时刻开始，到下一次接近开关触发之前，采样的电机扭矩值。电机扭矩值的计算公式为M_m＝9550P/N，其中P为三相电参量采集模块采集到的电机有功功率，N为三相电参量采集模块采集到的电机转速；曲柄固定点触发器两次触发之间对应了曲柄旋转一周。通过现场安装的曲柄固定点触发器与下死点之间的位置关系，估计下死点的采样位置在{id^b∈Z|s≤id^b≤t}的范围内；其中，Z表示整数域，在曲柄匀速运动的假设下，上死点的位置为下死点位置往后偏移，计算上死点的公式9：Δu＝q·(θ^t-θ^b)/(2π)

由于上下死点电机扭矩的变化最小，因此可知，上下死点处电机扭矩的方差最小。因此根据公式8以及结合计算机编程中常用的方差公式如：

其中

可列出公式2：

s.t. s≤j≤t，j∈Z

由于j的取值为有限的整数，因此，利用穷举法即可求出下死点序号id^b；得到每个周期内下死点对应的电机扭矩，同时可以得到每个周期内下死点对应的A相电流I_A，B相电流I_B，C相电流I_C，A相电压U_A，B相电压U_B，C相电压U_C。从而可根据步骤b求得的下死点序号将电机扭矩数据重新分割，使得起始值为下死点时电机的扭矩。重新分割后，下死点对应电机的扭矩序号为1；上死点对应的扭矩序号为1+Δu。

公式9的θ^b的求解公式：

θ^t的求解公式：

其中R为曲柄半径，P为连杆长度，A为游梁前臂长度，C为游梁后臂长度，I为游梁支撑中心与曲柄旋转中心之间的水平距离，h为游梁支撑中心与曲柄旋转中心之间的垂直距离，K为游梁支撑中心与曲柄旋转中心之间的距离，S为游梁支撑中心与连杆轴之间的距离。

实施例1：根据抽油机的冲次N_s(单位为“每分钟冲次”，其数值与曲柄的转速N_c，单位为“每分钟圈数”相同)，设置采样间隔为：

单位为秒。如此，即为每个冲程采样250个点。从曲柄固定点触发器触发开始采样，一共采样40个周期，则一共采样了10000个点。此时，q＝250，p＝40则：

…

设曲柄经过曲柄固定点触发器后，再旋转大约10°到达下死点。由于一个采样点对应360/250≈1.44°，则10°约为7个点位(10/1.44≈6.94)可取{id^b∈Z|4≤id^b≤10}，则可取{4，5，6，7，8，9，10}。令损失函数为f(j)为：

分别计算f(4)、f(5)、f(6)、f(7)、f(8)、f(9)、f(10)的值。取到最小值时对应的j，即为每个周期内下死点对应的序号为：id^b。每个周期内上死点的对应的序号，即为id^b+Δu；根据求得的上、下死点对应的序号，可以得到每个周期内下死点序号所对应的电机扭矩

同时还可以得到每个周期内下死点对应的A相电流

B相电流

C相电流

A相电压

B相电压

C相电压

从而通过定位上下死点的位置，将电机参数重新划分周期。

以上所述，仅是本发明的实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质上对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种准确确定游梁式抽油机上、下死点电机参数的装置，包括用于采集抽油机的电机参数的三相电参量采集模块，用于采集抽油机的电机实时转速的转速监测装置，以及用于采集驴头悬点的曲柄固定点触发器和计算模块：所述转速监测装置和曲柄固定点触发器均与三相电参量采集模块电连接，三相电参量采集模块与计算模块电连接。

2.根据权利要求1所述的一种准确确定游梁式抽油机上、下死点电机参数的装置，其特征在于，所述转速监测装置为转速传感器或转速估计器。

3.根据权利要求1所述的一种准确确定游梁式抽油机上、下死点电机参数的装置，其特征在于，所述计算模块为通过网关设备与油井数据库建立连接的边缘计算模块。

4.根据权利要求3所述的一种准确确定游梁式抽油机上、下死点电机参数的装置，其特征在于，所述边缘计算模块还通过网关设备与上位机连接。

5.根据权利要求1所述的一种准确确定游梁式抽油机上、下死点电机参数的装置，其特征在于，所述三相电参量采集模块安装于抽油机的电机输入端。

6.根据权利要求1所述的一种准确确定游梁式抽油机上、下死点电机参数的装置，其特征在于，所述曲柄固定点触发器包括磁钢、接近开关和传输模块，磁钢吸附于抽油机的曲柄轴上，其旋转轨迹能途经接近开关的感应面，接近开关采集下死点位置信号并通过传输模块发送至边缘计算模块。

7.一种准确定位游梁式抽油机上、下死点电机参数的方法，包括以下步骤：步骤1：电机转速传感器采集抽油机的电机实时转速；步骤2：曲柄固定点触发器采集抽油机一个冲程中的固定点位置；步骤3：电机转速传感器发送电机实时转速、曲柄固定点触发器发送固定点位置至三相电参量采集模块；步骤4：三相电参量采集模块在每个采样时间间隔内采集抽油机电机输入端的电参量数据，每条电参量数据均包括A相电流，B相电流，C相电流，A相电压，B相电压，C相电压，电机有功功率，电机转速；三相电参量采集模块发送电机输入端的电参量数据至边缘计算模块；步骤5：人工输入抽油机数据资料，或从数据库中获取抽油机数据资料；步骤6：根据步骤4获取的电机有功功率和电机转速计算电机的扭矩；步骤7：根据计算上、下死点电机参数的物理模型，通过多次电机的扭矩和固定点位置计算下死点和上死点的电机参数。

8.根据权利要求7所述的一种准确定位游梁式抽油机上、下死点电机参数的方法，其特征在于，所述计算上、下死点电机参数的物理模型，包括以下步骤：

步骤a：将每个采样时间间隔内的A相电流，B相电流，C相电流，A相电压，B相电压，C相电压和电机扭矩按周期分割，设其中分割好的电机扭矩数据为：

…

其中，M_m表示电机扭矩，q表示一个周期的采样点数，p表示参与训练的样本数；现估计下死点在一个周期序列(1至q)中的位置内，设下死点的采样位置在{id^b∈Z|s≤id^b≤t}的范围内；其中，Z表示整数域，在曲柄匀速运动的假设下，上死点的位置为下死点位置往后偏移，计算上死点的公式1：Δu＝q·(θ^t-θ^b)/(2π)；其中，θ^t表示抽油机驴头到达上死点时，对应的曲柄角度；θ^b表示抽油机驴头到达下死点时，对应的曲柄角度；

步骤b：由于上下死点电机扭矩的变化最小，因此可知，上下死点处电机扭矩的方差最小；利用方差公式：

其中

可列出公式2：

s.t.s≤j≤t

求解公式2，即可求得下死点序号为id^b；得到每个周期内下死点对应的电机扭矩，同时可以得到每个周期内下死点对应的A相电流，B相电流，C相电流，A相电压，B相电压，C相电压。

步骤c：根据步骤b求得的下死点序号将电机扭矩数据重新分割；重新分割后，将新周期序列中下死点对应的电机扭矩序号为1；上死点对应的扭矩序号为1+Δu。

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