游梁式油田抽油机的节能控制方法技术

本发明专利技术涉及一种游梁式油田抽油机的控制方法，根据所述游梁式油田抽油机的几何参数以及油田油层的压力找出电动机的耗能函数，在每日采油量确定的前提下，找出所述耗能函数达到耗能最少时，在所述游梁式油田抽油机的抽油杆的一个运动周期内所述电动机的瞬时转速与曲柄转角之间的函数关系；在游梁式抽油机的曲柄上安装一个定位传感器，以此位置为起点，将系统能量函数的一个周期分成若干等分，根据电动机的瞬时转速与位置之间的函数，算出在每一等分点时的电动机理论瞬时转速；通过变频器为游梁式抽油机的电动机供电，根据计算出的电动机理论瞬时转速，控制变频器的实时输出频率。该方法可以有效降低游梁式抽油机抽油时的能耗。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种游梁式油田抽油机的节能控制方法，属于油田采油机

技术介绍
目前，油田所使用的抽油机绝大多数是游梁式抽油机，游梁式抽油机--有杆抽油油泵，全系统的总效率在国内一般地区平均只有12%~23%，先进地区至今也不到30%。美国的常规型抽油机系统效率较高，但也仅有46%。系统效率低下，能耗大，耗电就多，因此，节能成为有杆抽油系统的一个急需解决的问题。此外，随着老油田油井的注水开发，油田已经开始进入高含水采油期。不断提高产液量，以液保油，这是注水开采油田保证原油稳产的必要趋势。这种开采特点要求抽油机的冲程越长越好，而在役的常规型游梁式抽油机机型偏小，在一定程度上已经不能满足长冲程、低冲次生产的要求。另外，游梁式抽油机是由电动机、地面传动设备及井下抽油设备组成，工作时，电动机的传动经变速箱、曲柄连杆机构变成驴头的上下运动，驴头经光杆、抽油杆带动井下抽油泵的柱塞作上下运动，从而不断地把井中的原油抽出井筒。游梁式抽油机的系统效率是各部分效率的连乘积，任何一环的效率变低，都会使总效率变低，因此要提高抽油系统的总效率实现节能是一个复杂的系统工程问题。游梁式抽油机是油田的耗电大户，其用电量约占油田总用电量的40%，油田抽油机高耗能的主要原因有以下几个：1）游梁式抽油机的悬点载荷为周期性变载荷，悬点载荷在减速器曲柄轴上的扭矩曲线与曲柄平衡的正弦曲线差别很大，使曲柄上的净扭矩曲线波动很大，甚至出现负值。而普通的三相异步电动机输出的转速和扭矩基本上恒定不变，为满足峰值扭矩的要求，抽油机不得不配用较大功率的电动机，这就造成了运行过程中大多数情况下电动机处于轻载状态，运行效率和功率因素都很低。因此，游梁式抽油机工作效率不高的主要原因是其载荷特性与所用的普通三相异步电动机的工作特性不匹配。2）游梁式抽油机在运行过程中，曲柄的角度是时刻变化的，不同的角度平衡效果是不同的。当相位角大于90度的情况下，有功电流为负，这就是发电状态，平衡效果越差，发电越多。但是从电动机原理上看，在电动和发电的转换过程中电动机正好处在效率最低段，整个过程中能量转换效率特别低。3）游梁式抽油机在换向过程中，悬点加速度比较大。在整个机、杆、泵系统中，通常抽油杆达到1000m以上，这样长的抽油杆在运行过程中弹性形变已经很明显，在换向加速度大时抽油杆变形更大。这种变形使光杆与泵中活塞的运动规律产生了很大的差异。在大多数情况下，抽油杆的弹性变形减少了活塞的实际行程，即降低了抽油泵的充满系数。游梁式抽油机主要通过调节曲柄来使抽油机的储能利用率提高，但未能改变其载荷周期性变化的特点，上下死点的加速度比较大，另外游梁式抽油机所需的启动力矩比较大，实现长冲程较为困难，冲次也不能过低，增大机型会造成抽油机体积和重量过大。以上这些原因造成抽油机能耗过大，油井开采的电费消耗居高不下。因此，对现今使用的常规游梁式抽油机进行技术改造并降低抽油机的能耗已成为非常迫切的任务。
技术实现思路
本专利技术要解决技术问题是：克服上述技术的缺点，提供一种可降低游梁式油田抽油机抽油时能耗的节能控制方法。为了解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案是：一种游梁式抽油机的节能控制方法，首先根据所述游梁式油田抽油机的几何参数以及油田油层的压力找出电动机的耗能函数；在每日采油量确定的前提下，找出所述耗能函数处于最小值时在所述游梁式油田抽油机的抽油杆的一个运动周期内所述电动机的瞬时转速与曲柄转角之间的函数关系；然后在游梁式油田抽油机的曲柄上设置一个起点，将所述抽油杆的一个运动周期内的曲柄转角分成若干等分，根据电动机的瞬时转速与所述曲柄转角之间的函数关系，计算出在每一曲柄转角等分点处所述电动机的理论瞬时转速；最后通过变频器为游梁式油田抽油机的电动机供电，根据计算出的电动机理论瞬时转速，控制变频器的实时输出频率。优选的，在游梁式油田抽油机的曲柄上设置定位传感器来确定起点位置。本专利技术的原理和有益效果如下：对于一个确定的游梁式油田抽油机来说，它的几何参数是确定的，将油层的压力以及电动机的转速当作参数，这样就可以得到电动机的耗能函数，在保证每日采油量达到一定的前提下，得出最少耗能时电动机的瞬时转速与曲柄转角之间的关系（现有技术）。但这个曲柄的转角是周期性变化的，且是确定的，所以可调的只有电动机的转速，从而问题就转化成在保证采油量达到一定值时，怎样控制电动机的转速，使电动机的耗能最少。由于系统的周期性变化的特点，所以只要考虑在一个周期内，怎样控制电动机的转速，使电动机的耗能最少就可以了。从数学的角度讲，就是将电动机的输出功率在一个周期内进行积分，然后将此积分对包含在该积分里面的参数求极小值，就给出了电动机的瞬时转速和游梁式油田抽油机里各部件位置之间的关系方程，从而就可以这些位置为参数算出电动机的瞬时转速。在物理上，就可控制电动机的输入电压和输入电压的频率来使电动机达到该瞬时转速，从而实现最大化节能。因为变频器的频率变化时，变频器的反应速度较慢，频率之间的变化需要一定的时间，再加上系统惯性，电动机的实际瞬时转速和理论瞬时转速往往不一致，需要进行修正，以达到最大化的节能目的,因此上述技术方案的进一步改进是：测量所述抽油杆的一个运动周期内每个曲柄转角等分点处的所述电动机的实际瞬时转速，根据电动机的实际瞬时转速和理论瞬时转速的差值来修正变频器的实时输出频率，使电动机的实际瞬时转速和理论瞬时转速相吻合。优选的，通过转速传感器测量所述抽油杆的一个运动周期内每个曲柄转角等分点处所述电动机的实际瞬时转速。上述技术方案的进一步改进是：通过能量回收装置回收所述电动机处于发电状态时发出的电量，所述能量回收装置联合变频器为电动机供电。这是因为通常抽油杆达到1000m以上，这样长的抽油杆在运行过程中会出现电动机的瞬时转速超过变频器输出电压的旋转电磁场的转速的状态，即电动机处于发电状态，为了不使这部分能量浪费掉，增加一个能量回收装置，从而进一步提高节电率。具体实施方式实施例本实施例的游梁式油田抽油机的节能控制方法，首先根据所述游梁式油田抽油机的几何参数以及油田油层的压力找出电动机的耗能函数，在每日采油量确定的前提下，找出所述耗能函数处于最小值（即耗能最少）时，在所述游梁式油田抽油机的抽油杆的一个运动周期内所述电动机的瞬时转速与曲柄转角之间的函数关系。本实施例中根据所述游梁式油田抽油机的几何参数、油田油层的压力找出电动机的耗能函数，以及耗能最少时确定所述电动机的瞬时转速与曲柄转角之间的函数关系均为现有技术，可参考游梁式油田抽油机的运动参数的数值分析类相关技术资料，不再赘述。然后在游梁式油田抽油机的曲柄上安装一个定位传感器，以此位置为起点，将所述抽油杆的一个运动周期内的曲柄转角分成若干等分，根据电动机的瞬时转速与所述曲柄转角之间的函数关系，计算出在每一曲柄转角等分点处所述电动机的理论瞬时转速。最后通过变频器为游梁式油田抽油机的电动机供电，根据计算出的电动机理论瞬时转速，将相关参数输入到PLC控制器中，通过PLC控制器来控制变频器的实时输出频率，从而达到节能的目的。本实施例还可以作以下改进：1）通过转速传感器测量所述抽油杆的一个运动周期内每个曲柄转角等分点处的所述电动机的实际瞬时转速，根据电动机的实际瞬时转速和理论瞬时转速的差值本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种游梁式油田抽油机的节能控制方法，其特征在于：首先根据所述游梁式油田抽油机的几何参数以及油田油层的压力找出电动机的耗能函数；在每日采油量确定的前提下，找出所述耗能函数处于最小值时，在所述游梁式油田抽油机的抽油杆的一个运动周期内所述电动机的瞬时转速与曲柄转角之间的函数关系；然后在游梁式油田抽油机的曲柄上设置一个起点，将所述抽油杆的一个运动周期内的曲柄转角分成若干等分，根据电动机的瞬时转速与所述曲柄转角之间的函数关系，计算出在每一曲柄转角等分点处所述电动机的理论瞬时转速；最后通过变频器为游梁式油田抽油机的电动机供电，根据计算出的电动机理论瞬时转速，控制变频器的实时输出频率。

【技术特征摘要】
1.一种游梁式油田抽油机的节能控制方法，其特征在于：首先根据所述游梁式油田抽油机的几何参数以及油田油层的压力找出电动机的耗能函数；在每日采油量确定的前提下，找出所述耗能函数处于最小值时，在所述游梁式油田抽油机的抽油杆的一个运动周期内所述电动机的瞬时转速与曲柄转角之间的函数关系；然后在游梁式油田抽油机的曲柄上设置一个起点，将所述抽油杆的一个运动周期内的曲柄转角分成若干等分，根据电动机的瞬时转速与所述曲柄转角之间的函数关系，计算出在每一曲柄转角等分点处所述电动机的理论瞬时转速；最后通过变频器为游梁式油田抽油机的电动机供电，根据计算出的电动机理论瞬时转速，控制变频器的实时输出频率。2.根据权利要求1所述的游梁式油田抽油机的节能控制方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：章香传，
申请(专利权)人：江苏金昶坤能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32