一种皮带式抽油机实时工况诊断方法与流程

技术特征：

1.一种皮带式抽油机实时工况诊断方法，其特征在于：包括下列步骤：

1)对皮带式抽油机的悬点运动模型进行分析和计算，得到悬点速度与位移的关系，建立皮带式抽油机的功率和悬点载荷转化模型；

2)根据步骤1)所得的功率和悬点载荷转化模型，将典型示功图转化为以位移为横坐标、电机功率为纵坐标的电功图曲线，建立电功图工况诊断模型；

3)采集皮带式抽油机的实时电功图，与步骤2)所得电功图工况诊断模型比较，实现实时工况诊断。

2.根据权利要求1所述的皮带式抽油机实时工况诊断方法，其特征在于：步骤1)中，对悬点运动模型进行分析和计算为：

抽油机的主动链轮以角速度ω顺时针旋转，抽油机悬点运动方向与往返架运动相反；以悬点位于下死点时为起点，在间谐运动段悬点位移S_w、速度V_w、和加速度a_w分别为：

S_w＝R(1-cosθ)；

V_w＝Rωsinθ；

a_w＝Rω²cosθ；

由抽油机的冲程、冲次可得主动链轮的角速度ω为：

$\mathrm{\ω}=\frac{n\[S+(\mathrm{\π}-2)R\]}{30R};$

式中，S_w为往复架的位移，m；

V_w为往复架的速度，m/s；

a_w为往复架的加速度，m/s²；

R为主动链轮的半径，m；

ω为主动链轮角速度，rad/s；

θ为主轴销偏离基准线的转角，rad；

S为抽油机的冲程，m；

n为抽油机冲次，min^-1；

在匀速运动段，悬点运动速度等于简谐运动段的最大速度，即：

V_w＝Rω；

a_w＝0。

3.根据权利要求2所述的皮带式抽油机实时工况诊断方法，其特征在于：所得悬点速度与位移的关系为：

按一个冲程内时间分段，悬点位移、速度、加速度分别为：

$S_w=\left\{\begin{array}{cc}R\[1-cos\left(\mathrm{\ω}t\right)\]& 0\≤t\≤t_1\\ R+\mathrm{\ω}R(t-t_1)& t_1\≤t\≤t_2\\ S-R+Rsin\[\mathrm{\ω}(t-t_2)\]& t_2\≤t\≤t_3\\ S-R+R\cos \[\mathrm{\ω}(t-t_3)\]& t_3\≤t\≤t_4\\ S-R-\mathrm{\ω}R(t-t_4)& t_4\≤t\≤t_5\\ R-R\sin \[\mathrm{\ω}(t-t_5)\]& t_5\≤t\≤t_z\end{array}\right.;$

$V_w=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\ω}Rsin\left(\mathrm{\ω}t\right)& 0\≤t\≤t_1\\ \mathrm{\ω}R& t_1\≤t\≤t_2\\ \mathrm{\ω}Rcos\[\mathrm{\ω}(t-t_2)\]& t_2\≤t\≤t_3\\ -R\mathrm{\ω}sin\[\mathrm{\ω}(t-t_3)\]& t_3\≤t\≤t_4\\ -\mathrm{\ω}R& t_4\≤t\≤t_5\\ -\mathrm{\ω}R\cos \[\mathrm{\ω}(t-t_5)\]& t_5\≤t\≤t_z\end{array}\right.;$

$a_w=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\ω}}^{2}Rcos\left(\mathrm{\ω}t\right)& 0\≤t\≤t_1\\ 0& t_1\≤t\≤t_2\\ -{\mathrm{\ω}}^{2}R\sin \[\mathrm{\ω}(t-t_2)\]& t_2\≤t\≤t_3\\ -{\mathrm{R\ω}}^2\cos \[\mathrm{\ω}(t-t_3)\]& t_3\≤t\≤t_4\\ 0& t_4\≤t\≤t_5\\ {\mathrm{\ω}}^{2}R\sin \[\mathrm{\ω}(t-t_5)\]& t_5\≤t\≤t_z\end{array}\right.;$

式中，t₁为上冲程时主轴销运动至被动链轮圆心对应基准面时对应的时间，s；

t₂为上冲程时主轴销运动至主动链轮圆心对应基准面时对应的时间，s；

t₃为悬点位于上死点对应的时间，s；

t₄为下冲程时主轴销运动至主动链轮圆心对应基准面时对应的时间，s；

t₅为下冲程时主轴销运动至被动链轮圆心对应基准面时对应的时间，s；

t_z为悬点运动一个冲程所用的总时间，s；

其中，

4.根据权利要求2所述的皮带式抽油机实时工况诊断方法，其特征在于：所得悬点速度与位移的关系为：

按位移d分段，得到速度v与位移d关系如下：

悬点位移d的区间为0～R，悬点速度

悬点位移d的区间为R～R+H，悬点速度v＝v₀；

悬点位移d的区间为R+H～S，悬点速度

悬点位移d的区间为S～R+H，悬点速度

悬点位移d的区间为R+H～R，悬点速度v＝-v₀；

悬点位移d的区间为R～0，悬点速度

其中，S＝H+2R；悬点速度v向上为正。

5.根据权利要求3或4所述的皮带式抽油机实时工况诊断方法，其特征在于：步骤1)中，根据能量守恒和皮带式抽油机的运行特点，得到如下的功率和悬点载荷转化模型：

P·η_电机·η_传动＝(W-W_平)·v；

式中，P为电机功率，KW；

W_平为平衡重，KN；

W为悬点载荷，KN；

η_电机为电机效率，无因次；

η_传动为传动效率，无因次；

ν为悬点运动速度，m/s；

悬点载荷W如下：

上冲程W＝W_杆+W_液柱+F_振动+f_摩擦

下冲程W＝W_杆+F_振动-f_浮力-f_摩擦；

其中，W_杆为抽油杆在油中的重力，KN；

W_液柱为泵以上液柱的重力，KN；

F_振动为抽油杆振动载荷，KN；

f_摩擦为抽油杆柱与液柱之间的摩擦力，KN；

f_浮力为抽油杆在油中的浮力，KN。

6.根据权利要求5所述的皮带式抽油机实时工况诊断方法，其特征在于：步骤2)中，从电功图工况诊断模型提取典型特征值，用于对皮带式抽油机井工况的直接诊断。

7.根据权利要求6所述的皮带式抽油机实时工况诊断方法，其特征在于：所述典型特征值包括如下12种工况：

1)正常工况：0.8＜R_pjgl＜1.2；

2)欠平衡工况：R_pjgl＜0.8；

3)过平衡工况：R_pjgl＞1.2；

4)供液不足工况：(x_D0-x_D3)-(x_U2-x_U0)＞0.1，||k_U1,U2|-|k_D2,D3||＜0.5，

|k_D1,D2|＜0.1；

5)抽空工况：(x_D0-x_D3)-(x_U2-x_U0)＞0.1，||k_U1,U2|-|k_D2,D3||＜0.5，

|k_D1,D2|＜0.1，x_D2＜0.2；

6)气体影响工况：(x_D0-x_D3)-(x_U2-x_U0)＞0.1，||k_U1,U2|-|k_D2,D3||＜0.5，

x_D2＜0.85，|k_D1,D2|≥0.1；

7)气锁工况：(x_D0-x_D3)-(x_U2-x_U0)＞0.1，||k_U1,U2|-|k_D2,D3||＜0.5，

|k_D1,D2|≥0.1，x_D2＜0.2；

8)出砂工况：Num(k_(i)·k_(i+1)﹤－0.5δ0.02﹤N_(i)－N_(i+1)﹤0.05)﹥20；

9)油杆断脱工况：R_pjgl＞2；

10)减速机故障工况：Num(k_(i)·k_(i+1)﹤－5δ|N_(i)－N_(i+1)|﹥0.05)﹥20；

11)游动阀漏失工况：(x_U2-x_U0)-(x_D0-x_D2)＞0.1，|k_D1,D2|-|k_U1,U2|＞1；

12)固定阀漏失工况：(x_D0-x_D2)-(x_U2-x_U0)＞0.1，|k_U1,U2|-|k_D1,D2|＞1；

其中，R_pjgl为上下冲程的平均功率比值；

x为归一化后的位移；

k为归一化后的电功图斜率；

U0为下死点；

U1为上冲程段的第一个转折点，即固定阀开启点；

U2为上冲程段的第二个转折点；

D0为上死点；

D1为下冲程段的第一个转折点，即游动阀开启点；

D2为下冲程段的第二个转折点；D3为下冲程段的第三个转折点；

num()为满足括号内条件的数据点个数；

N_(i)为第i个点的归一化功率；N_u为上冲程的平均功率。