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试论系统矢量控制方法在油井中的应用

发表时间：2021/4/20 来源：《中国科技信息》2021年5月作者：于鹏曹丽丽张春

[导读] 在有杆抽油系统发展过程中，影响其节能增产的主要问题一直为游梁式抽油机采油系统低效率、高能耗。

现河采油厂山东东营于鹏曹丽丽张春 257000

摘要：在有杆抽油系统发展过程中，影响其节能增产的主要问题一直为游梁式抽油机采油系统低效率、高能耗。实际上，异步电机较低的运行效率属于游梁式抽油机此种问题存在的主要原因，再加上工况频繁变化等因素的存在，导致该问题妥善解决的难度比较大。当前，所采取的游梁式抽油机采油系统节能方法仍存在一定的不足，节能效果并未达到预期，还需要进一步研究其他的节能方法，由此可见，本文矢量控制节能方法的研究具有重要的现实意义。
关键词：抽油机系统；矢量控制；系统建模；优化运行；节能措施
        1　矢量控制方法总体设计
        通过分析目前油田生产中采用的节能设备发现，尽管具备节能效果，但某些缺点仍然无法避免，因此，为了将采油系统的工作效率提升，需要从整体出发，研究新的节能方法。对于游梁式抽油机采油系统，划分节能时，以其负载周期交变特性为依据，分为两个部分，一部分为周期内节能，一部分为多周期节能。
        所谓周期内节能，是指交流异步电动机与抽油机悬点载荷变化相适应，由内环进行，要实现这一节能，需要建立系统矢量控制模型。而多周期节能则以此模型为基础，最优化抽汲参数，提升效率的同时，降低能耗，由外环完成。
        2　建立系统矢量控制模型
        2.1　电动机矢量控制数学模型
        在游梁式抽油机中，原动机为异步电动机，构建数学模型时，合适与否直接影响节能控制效果。通常，控制异步电动机时，输入变量为电压（或电流）、频率，由于电动机的特点为非线性、高阶、强耦合，因此，需共同控制输入变量，以实现对其性能的动态控制。转速、磁通为电动机输出变量，基于输出变量与输入变量，可知多变量模型为建立的数学模型，其中，输入与输出变量均为模型的变量参数，各变量参数相互影响。
        电动机的电压方程、磁链方程、电磁转矩方程及运动方程确定之后，还需要进行坐标变换，以简化数学模型，促进系统解耦的实现，实现高性能调速控制。
        实际上，矢量控制的基础即为坐标变化，变化过程中，先将3s/2s静止坐标变为三相/两相静止坐标，接着变换 2s/2r 坐标，最后，完成模型的建立。
        2.2　系统建模
        建立游梁式抽油机采油系统模型时，需要建立的模型有两个：
        第一，系统地面等效力模型，将供电电压及供电频率设置为不变的常数，同时，经过一系列的假设之后，即可简化抽油机系统，此时所建立的等效力模型属于一个构件的模型，在此模型基础上，就能够将系统地面等效力模型建立出来。
        第二，系统井下抽油杆柱预测模型，以抽油杆柱中的某段为例，假设抽油杆位置为给定 m，正方向为向下方向，由此，即可将截面上内力、单元体惯性力、加速度方向、单元体重力等确定，并得出相应的方程组，以轴向力平衡条件为依据，经过计算后，建立起该模型。
        完成这两个系统模型的建立之后，即可进行分析，分析时采取动态方法，即对抽油机中多个组成设备的运行规律进行综合考虑，包含电动机、四连杆、皮带、抽油泵等，分析过程中，还需要结合上面已经建立完成的 3 个模型，实现整体分析[3]。

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推算电动机转矩及转速时，以电动机矢量控制模型为基础，之后根据悬点精确解，将悬点示功图绘制出来，接着完成优化，实现节能增效。
        3　系统供排平衡优化
        油田生产依赖采油设备，在我国主要采油设备为游梁式抽油机，具有重要的作用，但在实际应用过程中，低效率、高能耗的问题一直存在，尽管当前采用了相应的节能方法，然而节能效果并不理想，基于此，本文构建了一种矢量控制节能方法，以降低游梁式抽油机采油系统的能耗，并提升其运行效率。
        3.1　游梁式抽油机优化运行分析
        冲程、冲次、井况、泵深产液量为游梁式抽油机采油系统参数中比较主要的，可利用经验公式法、模型预测法等优化调整这些参数，例如采用经验公式法优化时，以制造厂家的经验公式为依据，结合实际情况，科学的选择泵及抽油杆柱组合。
        随着油田开采的发展，会不断的改变油井参数，由此可能降低抽油机井的负载率及系统效率，出现抽汲参数无法匹配工况的现象，这就需要科学的调整抽汲参数，以使二者相匹配，提高运行效率，降低能量消耗。
        当井下供液速度能够充分适应抽油机举升采油速度时，可实现供采平衡，通常，处于此种平衡状态下时，能够有效的充满油泵，并达到采油速度的最大化，系统效率显著提高，促使游梁式抽油机工作达到理想状态。通过此种分析可知，游梁式抽油机采油系统运行过程中，利用矢量控制具有比较高的可行性。
        3.2　系统供排优化
        在所建立的优化模型中，既包含连续变量，又包含离散变量，由此，非线性有约束优化问题即为求极值问题，求极值时，采用相应的数学方法。采油现场中，油井为完井时，深度、套管直径的数据是确定的，基于此，有限组合比较适用，优化过程中，抽汲参数先给出一组，以此为参数，利用惩罚函数法优化泵深，根据实际情况，即可将泵深的最佳值计算出来[4]。
        计算不同组合的抽汲参数时，使用枚举方法，同时对比计算结果，将与最优效率相适应的抽汲参数确定。参数计算完成后，可进行采油系统效率计算，首先将油井实际的产液量计算出来，计算时参照的数据为抽油机类型、抽汲参数等，接着进行有效举升高度计算，计算参照为进口油压、动液面等，随后，将系统的有效功率、悬点载荷等相关数据均按照相应的参数计算出来，最后，计算系统效率，完成调整优化。
        4　结论
        通过矢量控制节能措施，不仅可以提升游梁式抽油机采油系统的工作效率，同时可降低系统能耗，实现节能增效的目的，促进油井生产效率的提升，实现采油产业的良好发展。
参考文献：
[1]徐向前，李茂，焦生杰 . 具有负载自适应功能的游梁式抽油机矢量控制系统 [J]. 科技导报，2018,(33):22~26.
[2]朱益飞，杨梅，史红芳，等 . 变频技术与能量回馈控制在游梁式抽油机上的应用 [J]. 电力需求侧管理，2019,(04):27~29.
[3] 徐向前，李茂 .基于矢量控制的感应电动机在游梁式抽油机上的启动性能分析 [J]. 世界科技研究与发展，2012,(05):757~761.
[4] 邢磊，李发旭. 抽油机节能控制技术的应用分析 [J]. 中国新技术新产品，2014,(16):77.
[5] 陈小安，周明红，康辉民，周进明 . 高速电主轴矢量控制机械特性分析与仿真 [J]. 现代科学仪器，2012(04).