一种游梁式抽油机实时动态平衡调节方法技术

本发明专利技术涉及一种一种游梁式抽油机实时动态平衡调节方法，其特征在于，包括如下步骤：1，在游梁顶端或尾部安装动态平衡调节装置；2，采集抽油机一个周期的电气量，计算出负载转矩；3，根据得到的负载转矩，计算出最大负载力矩；4，计算动态平衡调节装置的平衡力矩；当动态平衡调节装置离游梁支点最远时，计算出最大平衡力矩；5，根据最大负载转矩及最大平衡力矩计算平衡峰值降幅比；6，计算出一个周期不同时刻动态平衡调节装置相对于游梁支点的位移；7，计算出控制直流电机的控制电压，通过控制电源电压来改变电机的转速。改善抽油机运行工况，有效降低运行过程中动力电机的峰值功率，降低机械冲击，提高系统实用寿命，并达到节能目的。

【技术实现步骤摘要】
一种游梁式抽油机实时动态平衡调节方法
本专利技术属于油田游梁式抽油机及节能控制领域，特别是涉及一种用于游梁式抽油机实时动态平衡调节的控制方法。
技术介绍
游梁式抽油机是油田机采系统应用最广泛的设备之一，此类设备是典型的势能负荷系统，当电动机驱动此类装置时，电机在抽油机上冲程过程中通常处于重载，输出较大功率，而在下冲程过程中，抽油杆及液柱本身的重力通常可带动运转，电机输出功率较小。针对这种势能负载工况，相关研究领域提出并研究多种针对抽油机电机系统的节能技术。由于运行工况的特点，使得电机运行效率及相应节能技术受到很大限制，尤其是抽油机系统的运行过程中的峰值功率的限制。以油田应用最为广泛的调压节能为例，调压节能的基本原理是通过降低电机的输入电压，使得电机铁耗以及铜耗降低来实现节能。油田中常见的固定调压方法包括：变压器分接头调压、自耦变压器调压。上述调压技术实现简单，不会产生电源污染，但其调节范围受峰值功率限制，节能效果无法达到预期目的。例如一台37kW抽油机电机，其平均功率通常为8kW左右，但其峰值功率可到30kW以上，此时电压调整参数要满足最大运行功率，因此限制了节能效果，无法最大程度提高系统效率。为了改善上述条件，通过平衡调节是最为有效的方法之一。平衡调节是通过平衡装置改善抽油机运行过程的平衡度，平衡度提高可有效改善势能系统运行过程中的机械冲击，同时降低电机峰值功率，进而可降低电机的装机容量，提高运行效率。虽然游梁式抽油机均装有固定平衡装置，但此种平衡需要采用人工方式进行调节，其调节难度及工作量较大，因此在抽油机平衡状态改变后，通常不能通过固定平衡实现平衡度的及时调整。针对上述问题，本专利技术结合大量现场实测曲线，在系统分析抽油机平衡力矩、负荷变化特点，以及相应节能方法限制因素的基础上，提出了平衡实时动态调节控制方法及装置。此装置的基本工作原理是，在衡梁上增加新平衡装置，此装置能够在游梁上左右移动。通过新平衡块的不同位置实现改变作用到曲柄轴上的等效力矩，完成平衡度的动态调节。
技术实现思路
本专利技术提出了一种用于游梁式抽油机采油系统机械及节能控制领域的实时动态平衡调节方法及装置。实现在改善抽油机机械冲击以及保证系统安全可靠性的同时，提高系统运行效率，达到节能目的。此方法及装置是采用在抽油机游梁顶端或尾端安装可动态调节的平衡装置，在一个运行周期内根据运行工况数据，实时调整平衡装置对系统的平衡力矩，有效平衡驴头负载力矩尤其是峰值力矩，进而降低抽油机电机及供电线路峰值功率，在实现降低抽油机机械冲击的同时提高系统效率。为达到以上目的，本专利技术采取的技术方案是：一种游梁式抽油机实时动态平衡调节方法，包括以下步骤：步骤1，在游梁顶端或尾部安装动态平衡调节装置，使动态平衡调节装置处于初始位置，并以抽油机驴头下死点作为周期起始时刻；步骤2，采集抽油机一个周期的电气量，计算出负载转矩TL(k)，并记录保存；步骤3，根据得到的负载转矩TL(k)，计算出最大负载力矩TLZ；步骤4，计算动态平衡调节装置的平衡力矩TD；当动态平衡调节装置离游梁支点最远时，计算出最大平衡力矩TDmax；步骤5，根据最大负载转矩TLZ及最大平衡力矩TDmax计算平衡峰值降幅比J0；步骤6，根据TL(k)及J0计算出一个周期不同时刻动态平衡调节装置相对于游梁支点的位移AX(k)；步骤7，由计算得到的AX(k)计算出控制直流电机的控制电压u(k)，通过控制电源电压u(k)来改变电机的转速。步骤2中，所述负载转矩TL(k)的计算公式如下：其中，E为感应电势，m为电机相数，ω1为同步角速度，R1为定子电阻，Rm为励磁电阻，Xm为励磁电抗，P1为有功功率，I1为相电流，Tm为机械损耗转矩，Ta为附加损耗转矩。感应电势E的计算公式如下：其中，X1为定子电抗，Q1为无功功率，U为相电压。最大负载转矩TLZ的计算公式如下：TLZ＝max{TL(k)}(3)其中，TL(k)为TL的离散表述形式，计算时相应的P1、Q1、I1、U均采用离散形式P1(k)、Q1(k)、I1(k)、U(k)。所述平衡力矩TD的计算公式如下：TD＝kDTuMDAxηcos(βb)(4)其中，kD为力矩方向系数，本专利技术中kD为1，MD为动态平衡调节装置的最大等效力矩，Tu为变扭矩因数，η为传动效率，Ax为动平衡重物相对于游梁支点的位移，βb为游梁相对于水平位置的角度。当动态平衡调节装置离游梁支点最远时，AX取值最大，最大值记为Axmax，同时cos(βb)等于1时，平衡力矩为最大值，记为TDmax：TDmax＝kDTuMDAxmaxη(5)。平衡峰值降幅比J0的计算公式如下：AX(k)的计算公式如下：其中，HDQ为控制直流电机与曲柄轴间的传输效率。控制直流电机的控制电源电压u(k)的计算公式如下：uX(k)＝[AX(k+1)-AX(k)]△t0S0(8)其中，△t0为离散点时间间隔，S0为转速变比系数，AX[k]为k*△t0时刻位置的离散数据，其中k＝1，2，3……。本专利技术的有益效果：本专利技术所提出的游梁式抽油机实时动态平衡调节方法及装置，能够很好地适应不同工况的抽油机电动机负荷，改善抽油机运行工况，尤其是可有效降低运行过程中动力电机的峰值功率，降低机械冲击，提高系统实用寿命，并达到节能目的。本专利技术能够改善机械性能、降低能耗、降低工作量，保证了抽油机系统的正常稳定运行。另外，本专利技术不仅适用于油田抽油机，还可以适用于其它周期性势能负载。附图说明本专利技术有如下附图：图1为本专利技术实时动态平衡调节过程中数据采集及控制过程流程图；图2为实时动态平衡调节装置中平衡重物在游梁顶端的安装方式示意图；图3为实时动态平衡调节装置中平衡重物游梁尾端的安装方式示意图；图4为图3的局部放大图；图5为本专利技术实时动态平衡调节过程中，新增动平衡力矩对抽油机系统等效作用示意图；图6为本专利技术实时动态平衡调节过程中，通过电气量计算得到的负载力矩曲线图；图7为井下动液面800米时，采用本专利技术的实时动态平衡调节与初始平衡、采用常规平衡调节方式电机功率曲线对比图；图8为井下动液面500米时，采用本专利技术的实时动态平衡调节与初始平衡、采用常规平衡调节方式电机功率曲线对比图。其中，1、动平衡重物，2、驱动螺杆，3、控制直流电机，4、驱动齿轮，5、游梁支点，6、游梁。具体实施方式以下结合附图对本专利技术作进一步详细说明。如图1所示，本专利技术所述的，一种游梁式抽油机实时动态平衡调节方法，包括以下步骤：首先在游梁顶端或尾部安装动态平衡调节装置(如附图2、3)，动态平衡调节装置安装完成后其重力不变，通过控制直流电机3实时调节动平衡重物所处的位置或角度来改变力臂的大小，实现针对不同时刻本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种游梁式抽油机实时动态平衡调节方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤1，在游梁顶端或尾部安装动态平衡调节装置，使动态平衡调节装置处于初始位置，并以抽油机驴头下死点作为周期起始时刻；/n步骤2，采集抽油机一个周期的电气量，计算出负载转矩T

【技术特征摘要】
1.一种游梁式抽油机实时动态平衡调节方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，在游梁顶端或尾部安装动态平衡调节装置，使动态平衡调节装置处于初始位置，并以抽油机驴头下死点作为周期起始时刻；
步骤2，采集抽油机一个周期的电气量，计算出负载转矩TL(k)，并记录保存；
步骤3，根据得到的负载转矩TL(k)，计算出最大负载力矩TLZ；
步骤4，计算动态平衡调节装置的平衡力矩TD；当动态平衡调节装置离游梁支点最远时，计算出最大平衡力矩TDmax；
步骤5，根据最大负载转矩TLZ及最大平衡力矩TDmax计算平衡峰值降幅比J0；
步骤6，根据TL(k)及J0计算出一个周期不同时刻动态平衡调节装置相对于游梁支点的位移AX(k)；
步骤7，由计算得到的AX(k)计算出控制直流电机的控制电压u(k)，通过控制电源电压u(k)来改变电机的转速。


2.如权利要求1所述的游梁式抽油机实时动态平衡调节方法，其特征在于，步骤2中，所述负载转矩TL(k)的计算公式如下：



其中，E为感应电势，m为电机相数，ω1为同步角速度，R1为定子电阻，Rm为励磁电阻，Xm为励磁电抗，P1为有功功率，I1为相电流，Tm为机械损耗转矩，Ta为附加损耗转矩。


3.如权利要求2所述的游梁式抽油机实时动态平衡调节方法，其特征在于，感应电势E的计算公式如下：



其中，X1为定子电抗，Q1为无功功率，U为相电压。


4.如权利要求3所述的游梁式抽油机实时动态平衡调节方法，其特征在于，最大负载转矩TLZ的计算公式如下：
TLZ＝max{TL...

【专利技术属性】
技术研发人员：王义龙，赵海森，
申请(专利权)人：北京信息科技大学，华北电力大学，
类型：发明
国别省市：北京;11