基于電參數(shù)間接測(cè)量示功圖的建模與仿真

基于電參數(shù)間接測(cè)量示功圖的建模與仿真

0間接測(cè)量鉆井示功圖的方法原油生產(chǎn)清單是原油工作狀態(tài)的重要象征，可以充分反映挖掘機(jī)的運(yùn)行狀況和原油的開(kāi)采情況。在考察油井單位時(shí)間的產(chǎn)量、跟蹤地下油藏區(qū)塊的動(dòng)態(tài)情況、評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)油井區(qū)塊的開(kāi)發(fā)潛力、總體分析和把握油田的全局產(chǎn)能情況等方面,油井示功圖是一個(gè)不可缺少的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。常用的實(shí)測(cè)示功圖方法通過(guò)安裝載荷和位移傳感器直接測(cè)量,該方法受到傳感器價(jià)格昂貴、受沖擊后易損壞、使用壽命短及人為破壞嚴(yán)重的限制,并且安裝傳感器要求抽油機(jī)停機(jī),這將會(huì)影響抽油機(jī)的采油工作。因此間接測(cè)量油井示功圖的方法逐漸引起人們的重視。針對(duì)目前油井示功圖測(cè)量方法所存在的問(wèn)題,文獻(xiàn)提出了通過(guò)測(cè)取油管受力圖來(lái)獲取示功圖,但油管上反映的液柱載荷很難正確反映懸點(diǎn)載荷的變化。文獻(xiàn)提出了根據(jù)電機(jī)實(shí)測(cè)輸入功率曲線預(yù)測(cè)抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷來(lái)繪制示功圖的方法,但該方法需要人工判斷下死點(diǎn)位置,影響計(jì)算的準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)采用在抽油機(jī)游梁和支架鏈接處附近安裝兩個(gè)微動(dòng)開(kāi)關(guān)來(lái)檢測(cè)光桿的死點(diǎn)位置,進(jìn)而獲取電機(jī)功率與光桿位移的對(duì)應(yīng)關(guān)系,但由于微動(dòng)開(kāi)關(guān)和游梁之間存在機(jī)械摩擦,使用壽命有限,并且在間接測(cè)量前需要一組已知示功圖作為修正曲線。文獻(xiàn)提出了通過(guò)轉(zhuǎn)速法與抽油機(jī)的機(jī)械特性曲線相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)示功圖間接測(cè)量,但其計(jì)算電磁扭矩時(shí)使用修正的工程公式,影響計(jì)算準(zhǔn)確性,且需要先安裝載荷傳感器來(lái)計(jì)算抽油機(jī)的機(jī)械特性曲線。通過(guò)對(duì)游梁式抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行分析可知,抽油機(jī)工作時(shí),由懸點(diǎn)載荷及平衡重在曲柄軸上造成的扭矩與電動(dòng)機(jī)輸給曲柄的扭矩相平衡。因此,可以通過(guò)曲柄軸扭矩及平衡來(lái)計(jì)算懸點(diǎn)載荷。由此,本文提出了通過(guò)測(cè)量電機(jī)的線電壓和線電流參數(shù),由電機(jī)的數(shù)學(xué)模型入手在二相直角坐標(biāo)系下辨識(shí)電動(dòng)機(jī)軸轉(zhuǎn)矩,然后計(jì)算曲柄軸扭矩和懸點(diǎn)載荷,并同時(shí)采集曲柄旋轉(zhuǎn)角信號(hào)來(lái)得到懸點(diǎn)載荷與懸點(diǎn)位移的關(guān)系,從而實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)示功圖間接測(cè)量的方法,并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出油井示功圖遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。1交流電機(jī)算子磁鏈測(cè)量的方法原理及應(yīng)用游梁式抽油機(jī)主要由游梁-連桿-曲柄機(jī)構(gòu)、減速箱、動(dòng)力設(shè)備和輔助裝置等四部分組成。抽油機(jī)多以電動(dòng)機(jī)為原動(dòng)力,通過(guò)皮帶和減速箱帶動(dòng)曲柄作低速旋轉(zhuǎn)。曲柄通過(guò)連桿經(jīng)橫梁帶動(dòng)游梁作上下擺動(dòng),掛在驢頭上的懸繩器帶動(dòng)抽油桿柱作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。(1)抽油機(jī)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)分析。游梁式抽油機(jī)是一種特殊的交變載荷,因此電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩呈正負(fù)波動(dòng)變化。在抽油機(jī)的一個(gè)沖程周期中,上沖程時(shí),平衡塊下落釋放能量,抽油桿提升吸收能量。抽油機(jī)所需功率為:當(dāng)P懸上>P曲放時(shí),P上為正值,電機(jī)從電網(wǎng)吸收能量,運(yùn)行在電動(dòng)狀態(tài);當(dāng)P懸上<P曲放時(shí),P上為負(fù)值,電機(jī)加速進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)。下沖程時(shí),平衡塊上舉吸收能量,抽油桿下落釋放能量。抽油機(jī)所需功率為:當(dāng)P曲儲(chǔ)>P懸下時(shí),P下為正值,電機(jī)從電網(wǎng)吸收能量,運(yùn)行在電動(dòng)狀態(tài);當(dāng)P曲儲(chǔ)<P懸下時(shí),P下為負(fù)值,電機(jī)加速進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)。在抽油機(jī)正常的運(yùn)行過(guò)程中,70%以上的抽油機(jī)井均不同程度地存在有發(fā)電現(xiàn)象,其發(fā)出的電能除反輸?shù)诫娋W(wǎng)的一小部分外,大部分在反復(fù)傳輸過(guò)程中被供配電設(shè)備所消耗。(2)電機(jī)軸轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速估算原理。大港油田使用了三相異步籠型電動(dòng)機(jī)和稀土永磁同步電動(dòng)機(jī),因此應(yīng)分別計(jì)算其扭矩。交流電動(dòng)機(jī)的空間矢量方程為:式中:us、ur——分別為定、轉(zhuǎn)子電壓空間矢量;is、ir——分別為定、轉(zhuǎn)子電流空間矢量;Ls、Lr、Lm——分別為定、轉(zhuǎn)子自感和互感;p——微分算子。取二相靜止坐標(biāo)系下(α-β坐標(biāo)系)的α軸與三相靜止坐標(biāo)系(ABC坐標(biāo)系)的A軸重合,β軸滯后α軸90°,將電壓矢量坐標(biāo)分解可得:由式(4)可知,定子磁鏈與定子電壓存在如下積分關(guān)系:α-β坐標(biāo)系下電磁轉(zhuǎn)矩、同步角速度和電磁轉(zhuǎn)矩為:式中:pn——電機(jī)極對(duì)數(shù);ws、Ωs——同步電角速度和機(jī)械角速度;Te——電磁轉(zhuǎn)矩;Pe——電磁功率。上述推導(dǎo)均在α-β坐標(biāo)系下進(jìn)行,各個(gè)分量無(wú)法直接測(cè)得。在實(shí)際工作中交流電機(jī)三個(gè)定子線電壓、線電流能夠直接測(cè)量得到,因此根據(jù)式(9)、(10)將ABC坐標(biāo)系的定子線電壓、線電流的瞬時(shí)值分別進(jìn)行靜止坐標(biāo)變換得到α-β坐標(biāo)系的線電壓、線電流分量:在空間矢量方程中都是針對(duì)相矢量討論的。因此,測(cè)量得到的線矢量分量還必須通過(guò)變換得到相矢量分量。電機(jī)繞組星形聯(lián)接時(shí),相電流矢量等于線電流矢量,相電壓矢量滯后線電壓矢量30°,幅值為其則:電機(jī)繞組三角形連接時(shí),相電壓矢量等于線電壓矢量,相電流矢量滯后線電流矢量30°,幅值為其則:由以上討論可知,對(duì)電機(jī)定子磁鏈的精確估算是提高電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速兩個(gè)估算量精度的最重要因素。由于非調(diào)速電動(dòng)機(jī)的工作電壓角頻率比較高,所以采用可編程低通濾波器代替理想積分器,實(shí)現(xiàn)對(duì)定子磁鏈精確估算,從而保證了電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速估算的精度。針對(duì)異步電動(dòng)機(jī):式中:wf——轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差電角速度;Ω——轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度;Pm,Tm——分別為輸出功率、輸出轉(zhuǎn)矩;p0——轉(zhuǎn)子機(jī)械和雜散損耗。式中:pFe——定子鐵耗。當(dāng)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí),由于扭矩方向改變,Tm、Pm、Pe為負(fù)值。由上述分析可見(jiàn),通過(guò)檢測(cè)交流電機(jī)三相定子電壓、電流,即可實(shí)時(shí)辨識(shí)出交流電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)間接檢測(cè)輸出轉(zhuǎn)矩,而無(wú)需增加機(jī)械檢測(cè)裝置。(3)抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。游梁式抽油機(jī)是以游梁支點(diǎn)和曲柄軸中心的連線做固定桿,以曲柄、連桿和游梁后臂為三個(gè)活動(dòng)桿所構(gòu)成的四連桿機(jī)構(gòu),如圖1所示。對(duì)b、J及連桿L和J、k及曲柄半徑r構(gòu)成的兩個(gè)三角形分別應(yīng)用余弦定理可得:由上述兩個(gè)三角形的角度關(guān)系可得:驢頭在下死點(diǎn)和上死點(diǎn)位置時(shí)對(duì)應(yīng)的ψ角分別為:從下死點(diǎn)算起,以沖程的百分?jǐn)?shù)表示位移,則:式中:a,b——分別為游梁前、后臂長(zhǎng)度;β——游梁后臂與連桿之夾角;α——連桿L和曲柄r之夾角,按順時(shí)針?lè)较蛩闫?從r到L;φ——觀察時(shí)井口在左側(cè),從12點(diǎn)鐘位置算起,曲柄按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的轉(zhuǎn)角;φ0——K和12點(diǎn)鐘位置的夾角;r——曲柄平衡半徑;S——懸點(diǎn)位移。系統(tǒng)中以12點(diǎn)鐘位置為時(shí)間的計(jì)算起點(diǎn),每隔60ms采集一次數(shù)據(jù),結(jié)合電機(jī)的當(dāng)前速度可以計(jì)算曲柄轉(zhuǎn)角ue788,再由式(24)計(jì)算懸點(diǎn)位移。(4)扭矩-載荷推算原理。抽油機(jī)工作時(shí),由懸點(diǎn)載荷及平衡重在曲柄軸上合成的扭矩與電動(dòng)機(jī)輸給曲柄的扭矩相平衡。式中:Tn、Tr——分別為曲柄軸凈扭矩和平衡扭矩;Twn——油井負(fù)荷扭矩;i皮帶,η皮帶——分別為皮帶的傳動(dòng)比,傳動(dòng)效率;i減速箱,η減速箱——分別為減速箱的傳動(dòng)比,傳動(dòng)效率;Wcb,Wc——分別為曲柄平衡塊總重,曲柄重;rc——曲柄重心半徑;P,——分別為懸點(diǎn)載荷,扭矩因數(shù)。(5)示功圖間接測(cè)量原理。為了得到懸點(diǎn)載荷與懸點(diǎn)位移的關(guān)系,采用在曲柄的12點(diǎn)鐘和6點(diǎn)鐘位置處分別安裝接近開(kāi)關(guān),當(dāng)曲柄旋轉(zhuǎn)時(shí)觸發(fā)相應(yīng)的接近開(kāi)關(guān)動(dòng)作。如上文所述,系統(tǒng)等時(shí)間間隔采集數(shù)據(jù),通過(guò)測(cè)得的電機(jī)速度計(jì)算出懸點(diǎn)位移與曲柄旋轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線S(ue788),通過(guò)測(cè)得的電機(jī)軸扭矩曲線計(jì)算懸點(diǎn)載荷與曲柄旋轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線P(ue788),進(jìn)而得到抽油機(jī)的示功圖曲線P(S)。圖2中曲線(1)為懸點(diǎn)位移曲線,曲線(2)為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的懸點(diǎn)載荷與曲柄轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線,通過(guò)變量代換就可得到懸點(diǎn)載荷與懸點(diǎn)位移的關(guān)系曲線,如圖2中的曲線(3)。2硬件和軟件設(shè)計(jì)2.1穩(wěn)定性電路設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以LPC2378為核心構(gòu)成最小系統(tǒng)單元,包括ARM處理器、晶振電路、看門狗復(fù)位電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、JTAG調(diào)試接口電路等,如圖3所示。晶振芯片采用12MHz/3.3V規(guī)格,經(jīng)CPU內(nèi)部4倍頻獲得48MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率?？撮T狗復(fù)位電路保證系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作,提高系統(tǒng)可靠性。利用ARM處理器的內(nèi)部SRAM或外擴(kuò)SRAM可以大量保存臨時(shí)采樣數(shù)據(jù)、通信數(shù)據(jù)、中間計(jì)算結(jié)果等;采用非易失性存儲(chǔ)器(EEPROM)可以實(shí)現(xiàn)掉電情況下系統(tǒng)參數(shù)(如電機(jī)參數(shù)、A/D調(diào)零系數(shù))的保存,保證系統(tǒng)參數(shù)的準(zhǔn)確性。系統(tǒng)電源由220V變壓、整流后經(jīng)三端穩(wěn)壓器提供穩(wěn)定的3.3V、5V和±15V工作電源。設(shè)計(jì)RS-232通信電路,用于系統(tǒng)調(diào)試和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。2.2政策控制設(shè)置見(jiàn)圖4,定子2路線電壓和2路線電流分別經(jīng)電壓傳感器、電流傳感器和相應(yīng)的調(diào)理電路后進(jìn)入LPC2378的ADC接口,ARM處理器系統(tǒng)在每個(gè)檢測(cè)周期實(shí)時(shí)檢測(cè)定子線電壓和線電流。對(duì)于實(shí)際系統(tǒng),電機(jī)采用變頻器控制,因此需要獲取加在電機(jī)端的電壓頻率。系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了一個(gè)16倍頻鎖相環(huán)(PLL)電路,將1路電壓信號(hào)經(jīng)鎖相環(huán)電路提取定子電角頻率信號(hào),使用PLL電路的優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)可以嚴(yán)格地跟蹤電壓頻率的變化,使得計(jì)算更加精確。通過(guò)安裝四個(gè)接近開(kāi)關(guān)分別檢測(cè)電動(dòng)機(jī)軸轉(zhuǎn)速、曲柄軸轉(zhuǎn)速、曲柄12點(diǎn)鐘和6點(diǎn)鐘位置,并根據(jù)傳動(dòng)比判斷皮帶是否打滑。2.3gprs通信系統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)外通信方式采用基于GSM技術(shù)的短消息通信方式,選用SIM300CGSM/GPRS模塊,其通信原理框圖如圖5所示。鑒于油井的離散分布式特點(diǎn),系統(tǒng)通信采用網(wǎng)絡(luò)式結(jié)構(gòu)。整個(gè)系統(tǒng)由油井監(jiān)測(cè)設(shè)備,監(jiān)控中心和通信網(wǎng)絡(luò)三部分組成。利用該通信方式可實(shí)現(xiàn)油井監(jiān)測(cè)設(shè)備上傳檢測(cè)數(shù)據(jù),監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)下達(dá)隨機(jī)讀指令,設(shè)置和修改油井監(jiān)測(cè)設(shè)備的參數(shù)。2.4功圖分析與軟件抽油機(jī)載荷、示功圖及工況分析軟件是根據(jù)油井監(jiān)測(cè)設(shè)備的測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)抽油機(jī)的載荷、示功圖和工況進(jìn)行分析的軟件,其主要功能見(jiàn)圖6。油井監(jiān)測(cè)設(shè)備軟件實(shí)現(xiàn)電機(jī)電壓、電流的實(shí)時(shí)檢測(cè),各電參數(shù)的實(shí)時(shí)計(jì)算,上位機(jī)命令的接收及數(shù)據(jù)的打包上傳。抽油機(jī)載荷、示功圖及工況分析軟件選擇需要監(jiān)測(cè)的油井,通過(guò)上傳的測(cè)量數(shù)據(jù)繪制示功圖和進(jìn)行工況分析。3間接測(cè)量結(jié)果分析本文試驗(yàn)選取了中國(guó)石油大港油田第二采油廠采油四隊(duì)的歧125K井,抽油機(jī)技術(shù)參數(shù)和異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)分別如表1、2所示。圖7是電機(jī)實(shí)測(cè)扭矩曲線,在抽油機(jī)的一個(gè)沖程內(nèi),異步電動(dòng)機(jī)存在電動(dòng)和發(fā)電兩種狀態(tài)。各個(gè)沖程間扭矩形狀非常一致,表明抽油機(jī)工作狀態(tài)比較穩(wěn)定。由前面的分析可得到扭矩因數(shù)、扭矩曲線,見(jiàn)圖8、9。圖10是一個(gè)曲柄旋轉(zhuǎn)周期的懸點(diǎn)位移曲線,當(dāng)曲柄旋轉(zhuǎn)到12點(diǎn)鐘位置時(shí),觸發(fā)接近開(kāi)關(guān)動(dòng)作,單片機(jī)開(kāi)始計(jì)算位移,直到曲柄再次旋轉(zhuǎn)到12點(diǎn)鐘位置就可以得到一個(gè)周期的位移曲線。圖11是間接測(cè)量的示功圖,圖12是通過(guò)載荷和位移傳感器直接測(cè)量的示功圖。對(duì)比圖11和12可知,間接測(cè)量示功圖的最大載荷為55.95kN,最小載荷為39.13kN;直接測(cè)量示功圖的最大載荷為54.28kN,最小載荷為37.78kN。最大載荷誤差為3.08%,最小載荷誤差為3.57%。結(jié)合示功圖的基本形狀,間接測(cè)量示功圖與直接測(cè)量示功圖是吻合的。從電機(jī)實(shí)測(cè)扭矩曲線可看出,抽油機(jī)一個(gè)沖程中,電機(jī)做功時(shí)間為8.05s,發(fā)電時(shí)間為9.09s,最大發(fā)電功率達(dá)到16kW,造成了電能的浪費(fèi)。它表明該井平衡差,油井工作人員需要調(diào)整抽油機(jī)的平衡。鑒于該井是一口老井,現(xiàn)在已采用注水采油,供液不穩(wěn)定也可能使油井發(fā)電時(shí)間多,油井工作人員也要保證供液能力與抽油泵抽汲能力的匹配。4抽油機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用通過(guò)實(shí)際應(yīng)用證明本文提出的油井電機(jī)扭矩監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用于抽油機(jī)示功圖間接測(cè)量方案是可行的,并得到以下結(jié)論。(1)基于電參數(shù)間接測(cè)量示功圖的方法簡(jiǎn)單方便,與載荷傳感器直接測(cè)量的示功圖相一致,同時(shí)還可以監(jiān)測(cè)皮帶輪是否打滑,為抽油機(jī)狀態(tài)診斷提供數(shù)據(jù)支持。(2)采用GSM無(wú)線傳輸,實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)油井的動(dòng)態(tài)分析,有利于準(zhǔn)確掌握