基于電參數(shù)間接測量示功圖的建模與仿真

基于電參數(shù)間接測量示功圖的建模與仿真

0間接測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)的運行狀況和原油的開采情況。在考察油井單位時間的產(chǎn)量、跟蹤地下油藏區(qū)塊的動態(tài)情況、評價和預(yù)測油井區(qū)塊的開發(fā)潛力、總體分析和把握油田的全局產(chǎn)能情況等方面,油井示功圖是一個不可缺少的現(xiàn)場數(shù)據(jù)。常用的實測示功圖方法通過安裝載荷和位移傳感器直接測量,該方法受到傳感器價格昂貴、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),這將會影響抽油機(jī)的采油工作。因此間接測量油井示功圖的方法逐漸引起人們的重視。針對目前油井示功圖測量方法所存在的問題,文獻(xiàn)提出了通過測取油管受力圖來獲取示功圖,但油管上反映的液柱載荷很難正確反映懸點載荷的變化。文獻(xiàn)提出了根據(jù)電機(jī)實測輸入功率曲線預(yù)測抽油機(jī)懸點載荷來繪制示功圖的方法,但該方法需要人工判斷下死點位置,影響計算的準(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微動開關(guān)來檢測光桿的死點位置,進(jìn)而獲取電機(jī)功率與光桿位移的對應(yīng)關(guān)系,但由于微動開關(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)提出了通過轉(zhuǎn)速法與抽油機(jī)的機(jī)械特性曲線相結(jié)合來實現(xiàn)抽油機(jī)示功圖間接測量,但其計算電磁扭矩時使用修正的工程公式,影響計算準(zhǔn)確性,且需要先安裝載荷傳感器來計算抽油機(jī)的機(jī)械特性曲線。通過對游梁式抽油機(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,由懸點載荷及平衡重在曲柄軸上造成的扭矩與電動機(jī)輸給曲柄的扭矩相平衡。因此,可以通過曲柄軸扭矩及平衡來計算懸點載荷。由此,本文提出了通過測量電機(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)系下辨識電動機(jī)軸轉(zhuǎn)矩,然后計算曲柄軸扭矩和懸點載荷,并同時采集曲柄旋轉(zhuǎn)角信號來得到懸點載荷與懸點位移的關(guān)系,從而實現(xiàn)抽油機(jī)示功圖間接測量的方法,并在此基礎(chǔ)上設(shè)計出油井示功圖遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)。1交流電機(jī)算子磁鏈測量的方法原理及應(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、動力設(shè)備和輔助裝置等四部分組成。抽油機(jī)多以電動機(jī)為原動力,通過皮帶和減速箱帶動曲柄作低速旋轉(zhuǎn)。曲柄通過連桿經(jīng)橫梁帶動游梁作上下擺動,掛在驢頭上的懸繩器帶動抽油桿柱作上下往復(fù)運動。(1)抽油機(jī)電機(jī)運行狀態(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)波動變化。在抽油機(jī)的一個沖程周期中,上沖程時,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,P上為正值,電機(jī)從電網(wǎng)吸收能量,運行在電動狀態(tài);當(dāng)P懸上<P曲放時,P上為負(fù)值,電機(jī)加速進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)。下沖程時,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>P懸下時,P下為正值,電機(jī)從電網(wǎng)吸收能量,運行在電動狀態(tài);當(dāng)P曲儲<P懸下時,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)正常的運行過程中,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機(jī)和稀土永磁同步電動機(jī),因此應(yīng)分別計算其扭矩。交流電動機(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,各個分量無法直接測得。在實際工作中交流電機(jī)三個定子線電壓、線電流能夠直接測量得到,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相矢量討論的。因此,測量得到的線矢量分量還必須通過變換得到相矢量分量。電機(jī)繞組星形聯(lián)接時,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,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)速兩個估算量精度的最重要因素。由于非調(diào)速電動機(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,實現(xiàn)對定子磁鏈精確估算,從而保證了電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速估算的精度。針對異步電動機(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,由于扭矩方向改變,Tm、Pm、Pe為負(fù)值。由上述分析可見,通過檢測交流電機(jī)三相定子電壓、電流,即可實時辨識出交流電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速,進(jìn)而實現(xiàn)間接檢測輸出轉(zhuǎn)矩,而無需增加機(jī)械檢測裝置。(3)抽油機(jī)懸點運動規(guī)律。游梁式抽油機(jī)是以游梁支點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活動桿所構(gòu)成的四連桿機(jī)構(gòu),如圖1所示。對b、J及連桿L和J、k及曲柄半徑r構(gòu)成的兩個三角形分別應(yīng)用余弦定理可得:由上述兩個三角形的角度關(guān)系可得:驢頭在下死點和上死點位置時對應(yīng)的ψ角分別為:從下死點算起,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,按順時針方向算起,從r到L;φ——觀察時井口在左側(cè),從12點鐘位置算起,曲柄按順時針方向旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)角;φ0——K和12點鐘位置的夾角;r——曲柄平衡半徑;S——懸點位移。系統(tǒng)中以12點鐘位置為時間的計算起點,每隔60ms采集一次數(shù)據(jù),結(jié)合電機(jī)的當(dāng)前速度可以計算曲柄轉(zhuǎn)角ue788,再由式(24)計算懸點位移。(4)扭矩-載荷推算原理。抽油機(jī)工作時,由懸點載荷及平衡重在曲柄軸上合成的扭矩與電動機(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——分別為皮帶的傳動比,傳動效率;i減速箱,η減速箱——分別為減速箱的傳動比,傳動效率;Wcb,Wc——分別為曲柄平衡塊總重,曲柄重;rc——曲柄重心半徑;P,——分別為懸點載荷,扭矩因數(shù)。(5)示功圖間接測量原理。為了得到懸點載荷與懸點位移的關(guān)系,采用在曲柄的12點鐘和6點鐘位置處分別安裝接近開關(guān),當(dāng)曲柄旋轉(zhuǎn)時觸發(fā)相應(yīng)的接近開關(guān)動作。如上文所述,系統(tǒng)等時間間隔采集數(shù)據(jù),通過測得的電機(jī)速度計算出懸點位移與曲柄旋轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線S(ue788),通過測得的電機(jī)軸扭矩曲線計算懸點載荷與曲柄旋轉(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)為懸點位移曲線,曲線(2)為監(jiān)測系統(tǒng)采集的懸點載荷與曲柄轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線,通過變量代換就可得到懸點載荷與懸點位移的關(guān)系曲線,如圖2中的曲線(3)。2硬件和軟件設(shè)計2.1穩(wěn)定性電路設(shè)計監(jiān)測系統(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)時鐘頻率?？撮T狗復(fù)位電路保證系統(tǒng)長時間穩(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可以大量保存臨時采樣數(shù)據(jù)、通信數(shù)據(jù)、中間計算結(jié)果等;采用非易失性存儲器(EEPROM)可以實現(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RS-232通信電路,用于系統(tǒng)調(diào)試和現(xiàn)場測試。2.2政策控制設(shè)置見圖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)在每個檢測周期實時檢測定子線電壓和線電流。對于實際系統(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)計了一個16倍頻鎖相環(huán)(PLL)電路,將1路電壓信號經(jīng)鎖相環(huán)電路提取定子電角頻率信號,使用PLL電路的優(yōu)點在于系統(tǒng)可以嚴(yán)格地跟蹤電壓頻率的變化,使得計算更加精確。通過安裝四個接近開關(guān)分別檢測電動機(jī)軸轉(zhuǎn)速、曲柄軸轉(zhuǎn)速、曲柄12點鐘和6點鐘位置,并根據(jù)傳動比判斷皮帶是否打滑。2.3gprs通信系統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)對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,系統(tǒng)通信采用網(wǎng)絡(luò)式結(jié)構(gòu)。整個系統(tǒng)由油井監(jiān)測設(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現(xiàn)油井監(jiān)測設(shè)備上傳檢測數(shù)據(jù),監(jiān)控中心計算機(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)測設(shè)備的測量數(shù)據(jù)對抽油機(jī)的載荷、示功圖和工況進(jìn)行分析的軟件,其主要功能見圖6。油井監(jiān)測設(shè)備軟件實現(xiàn)電機(jī)電壓、電流的實時檢測,各電參數(shù)的實時計算,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)測的油井,通過上傳的測量數(shù)據(jù)繪制示功圖和進(jìn)行工況分析。3間接測量結(jié)果分析本文試驗選取了中國石油大港油田第二采油廠采油四隊的歧125K井,抽油機(jī)技術(shù)參數(shù)和異步電動機(jī)參數(shù)分別如表1、2所示。圖7是電機(jī)實測扭矩曲線,在抽油機(jī)的一個沖程內(nèi),異步電動機(jī)存在電動和發(fā)電兩種狀態(tài)。各個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,見圖8、9。圖10是一個曲柄旋轉(zhuǎn)周期的懸點位移曲線,當(dāng)曲柄旋轉(zhuǎn)到12點鐘位置時,觸發(fā)接近開關(guān)動作,單片機(jī)開始計算位移,直到曲柄再次旋轉(zhuǎn)到12點鐘位置就可以得到一個周期的位移曲線。圖11是間接測量的示功圖,圖12是通過載荷和位移傳感器直接測量的示功圖。對比圖11和12可知,間接測量示功圖的最大載荷為55.95kN,最小載荷為39.13kN;直接測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,間接測量示功圖與直接測量示功圖是吻合的。從電機(jī)實測扭矩曲線可看出,抽油機(jī)一個沖程中,電機(jī)做功時間為8.05s,發(fā)電時間為9.09s,最大發(fā)電功率達(dá)到16kW,造成了電能的浪費。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)測系統(tǒng)的應(yīng)用通過實際應(yīng)用證明本文提出的油井電機(jī)扭矩監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于抽油機(jī)示功圖間接測量方案是可行的,并得到以下結(jié)論。(1)基于電參數(shù)間接測量示功圖的方法簡單方便,與載荷傳感器直接測量的示功圖相一致,同時還可以監(jiān)測皮帶輪是否打滑,為抽油機(jī)狀態(tài)診斷提供數(shù)據(jù)支持。(2)采用GSM無線傳輸,實時采集數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)油井的動態(tài)分析,有利于準(zhǔn)確掌握