一种基于变速驱动的电机转速曲线优化方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术实施例提供了一种基于变速驱动的电机转速曲线优化方法及装置。方法包括：将电机转速曲线进行傅立叶级数的展开；计算在电机变速驱动下的抽油机悬点运动规律、电机扭矩、杆柱应力和井下泵功图；根据悬点运动规律和井下泵功图，计算电机变速驱动下的产液量；设计变量，将产液量、电机扭矩和杆柱应力作为变量的函数，并建立产液量、电机扭矩、杆柱应力和电机转速的约束条件，将电机能耗作为目标函数，设定收敛条件，生成优化后的电机转速曲线。本发明专利技术通过建立柔性控制策略，实现一个冲程周期的实时变速，能够克服抽油机四杆机构本身固有的缺陷来达到提高系统整体综合性能，能够在保证抽油机井产量的同时，减小电机能耗，改善杆柱受力环境。

Optimization method and device of motor speed curve based on variable speed drive

The embodiment of the invention provides a motor speed curve optimization method and device based on variable speed drive. Methods include: Fourier series expansion of motor speed curve; calculation of motor torque, rod stress and downhole pump power diagram under variable speed drive of motor; calculation of fluid production under variable speed drive of motor; design variables, fluid production, and pump power diagram. Torque and rod stress of motor are taken as functions of variables, and constraints of liquid yield, motor torque, rod stress and motor speed are established. Energy consumption of motor is taken as objective function, convergence conditions are set, and the optimized motor speed curve is generated. The invention can overcome the inherent defects of the four-bar mechanism of a pumping unit to improve the overall performance of the system, reduce the energy consumption of the motor and improve the stress environment of the rod string while guaranteeing the output of the pumping unit well.

【技术实现步骤摘要】
一种基于变速驱动的电机转速曲线优化方法及装置
本专利技术涉及机械采油节能
，具体涉及通过一种基于变速驱动的电机转速曲线优化方法及装置。
技术介绍
在抽油机常规状态下曲柄匀速转动，悬点速度轨迹呈准正弦运动规律，使电机和减速箱运行过程中所承受的是一种周期性交变负载，电机和减速箱的扭矩峰值及交变幅度大，杆柱承受不均衡的振动载荷和惯性载荷，对抽油杆柱造成严重的冲击；泵柱塞运行速度分布不均匀，存在较大速度峰值，导致产液量和泵效低等问题。抽油机井变速驱动正是为了解决这一问题。但是，传统的变速驱动只是简单的变频调冲次，不能从根本改变抽油机固有的运动方式。目前关于变速控制抽油机技术的成果更多偏重于工程应用效果和硬件实现的介绍，没有具体变速运行的优化策略，也没有明确的数学模型。有些变速优化策略目标简单，只能简单实现抽油机平稳运行，并不能保证油井产液量这一重要因素，也不能使抽油机井能耗最低。应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本专利技术的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本专利技术的
技术介绍
部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。
技术实现思路
为了解决现有的变速优化策略目标简单，只能简单实现抽油机平稳运行，并不能保证油井产液量这一重要因素这一问题，本专利技术实施例提供了一种基于变速驱动的电机转速曲线优化方法及装置。为了达到上述目的，本专利技术实施例提供了一种基于变速驱动的电机转速曲线优化方法，包括：将电机转速曲线进行傅立叶级数的展开；计算在电机变速驱动下的抽油机悬点运动规律、电机扭矩、杆柱应力和井下泵功图；根据所述悬点运动规律和井下泵功图，计算电机变速驱动下的产液量；设计变量，将所述产液量、电机扭矩和杆柱应力作为所述变量的函数，并建立所述产液量、电机扭矩、杆柱应力和电机转速的约束条件，将电机能耗作为目标函数，设定收敛条件，生成优化后的电机转速曲线。为了达到上述目的，本专利技术实施例还提供了一种基于变速驱动的电机转速曲线优化装置，包括：傅立叶展开模块，用于将电机转速曲线进行傅立叶级数的展开；参数计算模块，用于计算在电机变速驱动下的抽油机悬点运动规律、电机扭矩、杆柱应力和井下泵功图；产液量计算模块，用于根据所述悬点运动规律和井下泵功图，计算电机变速驱动下的产液量；优化模块，用于设计变量，将所述产液量、电机扭矩和杆柱应力作为所述变量的函数，并建立所述产液量、电机扭矩、杆柱应力和电机转速的约束条件，将电机能耗作为目标函数，设定收敛条件，生成优化后的电机转速曲线。本专利技术实施例提出的基于变速驱动的电机转速曲线优化方法及装置，建立了一种降低抽油机井能耗的技术解决方案，通过求解变速下抽油机悬点运动规律、电机扭矩、杆主应力、泵功图、产液量、等参数，建立柔性控制策略，实现一个冲程周期的实时变速，能够克服抽油机四杆机构本身固有的缺陷来达到提高系统整体综合性能，能够在保证抽油机井产量的同时，减小电机能耗，改善杆柱受力环境。参照后文的说明和附图，详细公开了本专利技术的特定实施方式，指明了本专利技术的原理可以被采用的方式。应该理解，本专利技术的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本专利技术的实施方式包括许多改变、修改和等同。针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例的基于变速驱动的电机转速曲线优化方法的处理流程图；图2为抽油机四连杆机构示意图；图3为本专利技术实施例的基于变速驱动的电机转速曲线优化装置的结构示意图；图4为图3所示实施例中的参数计算模块102的结构示意图；图5为图3所示实施例中的优化模块104的结构示意图；图6为本专利技术实施例的柔性优化运行控制系统的结构示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。本领域技术技术人员知道，本专利技术的实施方式可以实现为一种系统、装置、设备、方法或计算机程序产品。因此，本公开可以具体实现为以下形式，即：完全的硬件、完全的软件(包括固件、驻留软件、微代码等)，或者硬件和软件结合的形式。下面参考本专利技术的若干代表性实施方式，详细阐释本专利技术的原理和精神。本专利技术的主要思想是通过建立变速驱动优化运行控制策略，优化出电机最优的转速曲线，该曲线能够在保证产液量一定的情况下，使电机能耗最低，将电机转速曲线转化成频率曲线输入到柔性优化运行控制系统中。并且，本专利技术通过远程中央监控室能够实现油井自动监测、分析、优化、控制等功能。本专利技术公开了一种基于变速驱动的抽油机井稳产降耗的优化方法及装置，该方法步骤包括：将电机转速进行傅里叶级数展开，计算此电机转速下的抽油机悬点运动规律，电机转速下的电机扭矩，电机转速下的杆柱应力和井下泵功图，电机转速下产液量结合以上所求参数，建立柔性控制策略，通过优化算法，寻找一个冲程周期内电机最优变速曲线，在满足约束条件的情况下，使产液量最大。本专利技术弥补了目前没有具体变速运行的优化策略，也没有明确的数学模型，有些变速优化策略目标简单的问题。图1为本专利技术实施例的基于变速驱动的电机转速曲线优化方法的处理流程图。如图1所示，包括：步骤S101，将电机转速曲线进行傅立叶级数的展开；步骤S102，计算在电机变速驱动下的抽油机悬点运动规律、电机扭矩、杆柱应力和井下泵功图；步骤S103，根据所述悬点运动规律和井下泵功图，计算电机变速驱动下的产液量；步骤S104，设计变量，将所述产液量、电机扭矩和杆柱应力作为所述变量的函数，并建立所述产液量、电机扭矩、杆柱应力和电机转速的约束条件，将电机能耗作为目标函数，设定收敛条件，生成优化后的电机转速曲线。具体实施时，在步骤S101中，电机转速曲线是以抽油机冲程周期为周期的连续函数曲线，它可以展开成收敛的三角级数--傅立叶级数。本专利技术实施例中，将电机运行转速ψ(s)展开成傅立叶级数形式为：其中：ψ表示电机转速，单位为r/min；表示抽油机匀速运行时电机转速，单位为r/min；s表示抽油机每个冲程内的悬点位移，单位为m；s0表示抽油机冲程长度，单位为m；N表示傅立叶展开的级数，一般不超过4级；ai、bi表示傅立叶展开系数。将电机转速ψ转化成关于悬点位移s的函数，主要是方便求出电机最优转速曲线，但并不意味着在系统具体实施过程中一定要依据悬点位移大小控制电机转速，因为ψ(s)可以转化成ψ(t)或者ψ(θ)，即转化成关于时间或者曲柄转角的函数，它们之间是可以相互转换的。具本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于变速驱动的电机转速曲线优化方法，其特征在于，包括：将电机转速曲线进行傅立叶级数的展开；计算在电机变速驱动下的抽油机悬点运动规律、电机扭矩、杆柱应力和井下泵功图；根据所述悬点运动规律和井下泵功图，计算电机变速驱动下的产液量；设计变量，将所述产液量、电机扭矩和杆柱应力作为所述变量的函数，并建立所述产液量、电机扭矩、杆柱应力和电机转速的约束条件，将电机能耗作为目标函数，设定收敛条件，生成优化后的电机转速曲线。

【技术特征摘要】
1.一种基于变速驱动的电机转速曲线优化方法，其特征在于，包括：将电机转速曲线进行傅立叶级数的展开；计算在电机变速驱动下的抽油机悬点运动规律、电机扭矩、杆柱应力和井下泵功图；根据所述悬点运动规律和井下泵功图，计算电机变速驱动下的产液量；设计变量，将所述产液量、电机扭矩和杆柱应力作为所述变量的函数，并建立所述产液量、电机扭矩、杆柱应力和电机转速的约束条件，将电机能耗作为目标函数，设定收敛条件，生成优化后的电机转速曲线。2.根据权利要求1所述的基于变速驱动的电机转速曲线优化方法，其特征在于，所述计算电机变速驱动下的抽油机悬点运动规律，具体包括：采用复变矢量法计算电机变速驱动下的抽油机悬点运动规律，包括计算悬点位移、悬点速度以及悬点加速度。3.根据权利要求1所述的基于变速驱动的电机转速曲线优化方法，其特征在于，所述计算电机变速驱动下的电机扭矩，具体包括：其中，Td为所述电机变速驱动下的电机扭矩，单位为kN·m；Tnh为减速箱输出轴扭矩，单位为kN·m；Jp为等效转动惯量，单位为kg·m2；Jp3为曲柄轴等效转动惯量，单位为kg·m2；ε为曲柄转动的角加速度，单位为1/s2；ηm为由电机轴到曲柄轴的传动效率；m为指数，Td＞0时，m＝1；Td＜0时，m＝-1。4.根据权利要求1所述的基于变速驱动的电机转速曲线优化方法，其特征在于，所述计算在电机变速驱动下的杆柱应力和井下泵功图，具体包括：根据变速驱动下振动载荷和惯性载荷的影响，采用三维杆管液波动方程和混合差分法计算所述杆柱应力和井下泵功图。5.根据权利要求1所述的基于变速驱动的电机转速曲线优化方法，其特征在于，所述设计变量，将所述产液量、电机扭矩和杆柱应力作为所述变量的函数，并建立所述产液量、电机扭矩、杆柱应力和电机转速的约束条件，将电机能耗作为目标函数，设定收敛条件，生成优化后的电机转速曲线，具体包括：1、设计变量将电机实际运行转速ψ(s)展开成傅立叶级数形式为：其中，i＝1,2,...,N；令：p＝[p1,p2,...,p2N]＝[a1...aN,b1...bN]；通过不同的a1～aN、b1～bN的组合，以得到不同的电机转速随悬点位移的变化曲线，因此将p＝[p1,p2,...,p2N]作为优化的设计变量，且ψ(s)为ψ[p](s)；2、建立目标函数电机能耗计算公式为：电机能耗是电机做功W(ψ)和冲程周期T(ψ)的函数，而W(ψ)和T(ψ)又是电机转速ψ的函数，所以将整个目标函数设定为：E＝min{E(ψ)}；考虑到设计变量p＝[p1,p2,...,p2N]＝[a1...aN,b1...bN]，故此时目标函数表示为：E＝min{E(p1,p2...p2N-1,p2N)}；3、建立约束条件1)建立油井产液量Q(ψ)约束条件为了满足油井产液量一定，需设定：Q(ψ)≥Q0；Q0为设定的初始产液量，油井产液量不小于该初始产液量；2)建立抽油杆柱应力σ(ψ,x)约束条件由三维杆管液波动方程求解得出任意点任意时刻抽油杆柱应力大小分布，在冲程周期T内整个抽油杆柱任意点的最大和最小应力不超过修正Goodman图规定的应力范围：Goodman图规定的最小应力为：Goodman图规定的最大应力：其中，SF为安全系数，ψ为电机转速曲线，x为位移，t为时间；3)建立电机扭矩Td(ψ,t)约束条件Td(ψ,t)≥Tdmin；Td(ψ,t)≤Tdmax(ψ(t))；其中：Tdmin是最小的准许扭矩，Tdmax是电动机在转速ψ(t)下可提供的最大扭矩；4)建立电机转速ψ约束条件由于抽油机是周期性运动，电机转速必须满足在一个冲程的起始点和结束点相等，且转速峰值不大于限定值：ψ(0)＝ψ(s0)；ψ(s)≤ψmax；其中，s∈(0,s0)，s为位移，s0为冲程；4、建立优化算法将整个最优化问题写成标准形式：minE＝min{E(p1,p2...p2N-1,p2N)}s.t.其中，电机能耗E(ψ[p])、油井产液量Q(ψ[p])、电机扭矩Td(ψ[p],s)和抽油杆应力σ(ψ[p],x,t)都受电机转速ψ[p](s)的影响，因此可以将产液量、电机扭矩和抽油杆应力看成是参数向量p的函数：E[p]＝E(ψ[p])；Q[p]＝Q(ψ[p])；Td[p](s)＝Td(ψ[p],s)，s∈(0,s0)；σ[p](x,t)＝σ(ψ[p],x,t)，x∈(0,L)，t∈(0,T)；即优化算法为：给定一组初始值p＝p0，寻找一组δp＝[δp1,δp2,...,δp2N]，使得油井产液量Q[p0+δp]、杆柱应力σ[p0+δp]和电机扭矩Td[p0+δp]满足约束条件，同时使电机能耗E[p0+δp]达到最小；由于产液量Q、电机扭矩T、抽油杆应力σ和电机能耗E关于参数向量p的函数是高度非线性的，需要将非线性优化问题转为线性的，为此，应用泰勒级数近似法，将产液量Q(ψ[p])、电机扭矩Td(ψ[p],s)、抽油杆应力σ(ψ[p],x,t)和电机能耗E(ψ[p])函数在点p0处进行一阶泰勒展开，展开式如下：其中偏导数采用差分形式计算：式中：Δpi＝[0,...,Δpi,...,0]；T[p]＝T(ψ[p])；在计算偏导数时Δpi必须要确保非线性问题快速收敛，由于将非线性问题近似线性问题来解决，为了控制来自近似化处理所带来的误差，需要设置附加的约束条件：|δpi|＜μΔpi，i＝1,2,...,2N；其中μ初始值设为1，如果收敛遇到问题，则减小μ值；将高度的非线性问题转化成简单的线性优化问题，即寻找参数向量δp，使得E[p0+δp]取得最小；设置整个优化的收敛条件为：其中ε为收敛点的阈值。6.一种基于变速驱动的电机转速曲线优化装置，其特征在于，包括：傅立叶展开模块，用于将电机转速曲线进行傅立叶级数的展开；参数计算模块，用于计算在电机变速驱动下的抽油机悬点运动规律、电机扭矩、杆柱应力和井下泵功...

【专利技术属性】
技术研发人员：檀朝东，陈见成，杨若谷，宋健，
申请(专利权)人：中国石油大学北京，北京雅丹石油技术开发有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11