一种抽油机自适应变速驱动控制系统及控制方法与流程

本发明涉及石油采集技术领域，具体涉及的是一种抽油机自适应变速驱动优化控制系统。

技术背景

常规游梁式抽油机具有结构简单、价格低廉、维修费用少等优点，长期以来，是油气田开采中最常采用的采油装备，在国内外的油田广泛使用，然而它也存在比较严重的缺陷：1.抽油泵泵效和系统效率比较低。由于井况不能自动识别，地层供液不足，导致抽油泵长期工作在不饱和状态，效率低下，浪费大量电能。2.冲次调节不及时、不合理。根据人工测量的示功图，确定抽油机运行状况，通过更换皮带轮，有级调节抽油机冲次，耗费大量人力、物力和财力。3.数据监控不及时，不准确。由于有些井位地处偏远，交通不便，有时还会受到天气影响，人工测量数据不能及时准确获取，导致生产决策滞后，不能及时有效的调整冲次，影响产量和效益。如何使抽油机在达到产液量最大同时能耗最小，具有重大的现实意义。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种抽油机自适应变速驱动控制系统及控制方法，以解决常规游梁式抽油机系统效率不高的技术问题。

为了实现上述发明目的，本发明提供的技术方案如下：

一种抽油机自适应变速驱动控制系统，由远程控制单元(rtu)提供抽油机两种变速控制模式，将数据信号送给远程上位机，远程控制单元(rtu)或上位机站控根据自适应控制模式，下达命令信号，控制可变速驱动模块(vfd)，控制抽油机整套运转流程；该系统包括：抽油泵、抽油杆、抽油机、载荷传感器、角位移传感器、用来控制和驱动所述抽油机运转的可变速驱动模块(vfd)、远程控制单元(rtu)、电量模块、无线通信模块和上位机站控；所述的上位机站控通过无线通信模块来读取数据和监控远程控制单元(rtu)，其输入/输出端通过无线方式连接所述的无线通信模块的输出/输入端，所述的无线通信模块的输入/输出端通过有线方式连接所述的远程控制单元(rtu)的输出/输入端；远程控制单元(rtu)采集角位移传感器和载荷传感器的信号，通过有线方式传递模拟量信号；所述的远程控制单元(rtu)的输出端通过有线方式连接所述的可变速驱动模块(vfd)的输入端，并向其发送对抽油机运动模式的控制命令；所述的可变速驱动模块(vfd)的输出端通过有线方式连接所述的抽油机的输入端；所述的抽油机的输出端通过有线方式连接所述的远程控制单元(rtu)的输入端；所述的抽油机的输入/输出端连接到所述的抽油杆的输出/输入端，带动所述抽油杆实现上下运动；所述抽油杆带动所述抽油泵运动；所述的抽油杆的输入/输出端连接到所述的抽油泵的输出/输入端；所述的电量模块输出端通过有线方式连接所述的远程控制单元(rtu)的输入端；所述的角位移传感器的输出端和载荷传感器的输出端通过有线方式连接到所述的远程控制单元(rtu)的输入端，

一种抽油机自适应变速驱动控制系统的控制方法，抽油机控制柜控制抽油机进行变速运行，安装在抽油机上的角位移传感器和载荷传感器进行功图数据的采集，远程控制单元(rtu)接收功图数据后进行分析判断，对功图数据进行计算，分析井下状态，远程控制单元(rtu)提供两种自适应模式供人工选择，一种计算抽油泵的效率，使用实时计算的泵效数据与当前冲次下的标准数据模型进行对比，得出抽油泵效率，然后调节冲次数据；另一种模式经济效益最高，通过抽油机经济效益和油价、电费的联动计算，采用冒泡排序法得出最大值，确定冲次调节数据，两者都远程控制单元(rtu)将冲次调整命令下达给可变速驱动模块(vfd)，完成对抽油机冲次的自动智能调节，一定时间后再次计算当前的实时功图数据，并进行数据对比，再次进行冲次调节，如此反复，直至抽油机冲次符合要求或达到最优。

所述的一种抽油机自适应变速驱动控制系统的控制方法，抽油机的两种自适应变速驱动控制系统模式，通过人工进行选择切换；第一种自适应变速驱动控制系统模式，抽油泵效率计算公式，其工作原理如下：

步骤一：远程控制单元(rtu)104通过角位移传感器106和载荷传感器108在采样间隔时间内分别采集72个上冲程的载荷和角位移数据点和72个上冲程的载荷和角位移数据点，建立数据分析库；

步骤二：提取数据库中采集数据，计算出上冲程最大载荷、下冲程最小载荷、上冲程加载线斜率和下冲程卸载线斜率，推导出理想示功图；

步骤三：利用几何面积法计算抽油泵的效率；

抽油泵的效率为实测示功图面积/理想示功图面积，因为角位移上下一致，则计算时，将角位移数据约去，公式为：

η为抽油泵充满度，s实测和s理想为实测示功图面积和理想示功图面积，p上冲程和p下冲程为上、下冲程中的实测示功图的载荷数据，和p′上冲程和p′下冲程为理想上、下冲程示功图的载荷数据值；

步骤四：自适应调整运行冲次；

在充满度为90％以上时，说明地层供液充足，不用调整；

在充满度为60％～90％时，说明地层供液略显不充足，需要稍微调整，可缓慢降低抽油机冲次，降幅不必过大；

在充满度为低于60％时，说明地层供液不充足，需要调整，可降低抽油机冲次，满足充满度要求。

所述的一种抽油机自适应变速驱动控制系统的控制方法，抽油机的两种自适应变速驱动控制系统模式，通过人工进行选择切换；第二种自适应变速驱动控制系统模式，经济效益联动法计算公式，其工作原理如下：

步骤一：由单位时间内示功图计算抽油泵排量；

q＝1440×ap×sc×n×η

式中，q为抽油泵排量，ap为抽油泵柱塞横截面积，sc为柱塞有效冲程，n为抽油机冲次，η为抽油泵充满度；

步骤二：计算单位时间内三相电能消耗量；

式中，w为抽油机电能消耗量，uk和ik为在单位冲次内第k次采样的瞬时有效值；

步骤三：计算单位时间内联动油价和电价的抽油机经济效益；

b＝r1×q-r2×w

式中，b为抽油机经济效益，r1为当前油价，r2为当前电价，油价和电价由上位机站控101联动控制，q为抽油泵排量，w为抽油机电能消耗量；

步骤四：自适应调整运行冲次；

计算不同冲次下对应的抽油机经济效益b的数值，通过冒泡排序法比较得出b的最大值，确定抽油机的运行冲次；冒泡法排序方法是，通过相邻两个经济效益数值的比较，将大的经济效益数值后移，并将小的经济效益数值前移，从而得出最大经济效益对应的输出冲次。

本发明的有益效果如下：

本发明提供无线可变速驱动的抽油机系统，具有以下优点：1.提高效率，根据地层供液的变化合理调节抽油机运行参数，在不影响产量的同时提高了抽油泵和系统的效率，提高了产量，节约了电能；2.冲次无级调节，及时合理，不存在滞后；3.井场数据更新及时，准确，不受天气影响，节约人力、物力和财力。4.可实施必要的人工干预措施，上位机站控人工可根据实际情况直接下达生产指令，不用通过远程控制单元(rtu)内部控制程序，实现“人脑”+“电脑”控制。5.降低开采成本，部分通信采用无线方式，减少了现场铺设、安装电缆，降低了设备故障率。

附图说明

图1为本发明提供一种抽油机自适应变速驱动控制系统的原理框图；

图2为本发明提供一种抽油机自适应变速驱动控制系统的安装示意图；

图3为本发明提供一种抽油机自适应变速驱动控制系统的程序流程框图；

具体实施方式

本发明公开了一种抽油机自适应变速驱动控制系统。该控制系统，利用几何意义法，经济效益联动法和冒泡排序等计算方法，分析抽油机传感器实时数据，由远程控制单元(rtu)提供抽油机自适应的泵效最高或经济效益最高两种变速控制模式，结合抽油机系统工况参数数据，将数据信号通过无线方式传送给远程上位机，供监控和管理，远程控制单元(rtu)或上位机站控根据自适应控制模式，下达命令信号，控制可变速驱动模块(vfd)，从而控制抽油机整套运转流程，将自适应控制模式应用到控-机-杆-泵的系统中，使抽油机运行在高效平稳的状况下，同时运行效果满足用户使用要求。本发明采用rtu程序对抽油机运行状况做出综合计算、判断，由此控制抽油机整套运转流程，为用户提高了采油效率，节省了电能，使抽油机运转平稳，降低了设备故障率，提高了整机寿命。

本发明根据示功图的实时变化数据，经过综合因素考虑发出控制命令，可实现对抽油机运行冲次的实时在线自动调节及全闭环智能控制功能。采用两种自适应控制模式，一种模式使抽油泵效率最高，使抽油泵尽量处于充满状态，悬点示功图趋近于平行四边形的理想状态，以达到提高泵效节能的目标；另一种模式为经济效益最高，通过抽油机经济效益和油价、电费的联动计算，采用冒泡排序法得出最大值，确定冲次调节数据。

本发明主要包括：抽油泵、抽油杆、抽油机、载荷传感器、角位移传感器、可变速驱动模块(vfd)、远程控制单元(rtu)、电量模块、无线通信模块、上位机站控。其特征为：所述的上位机站控输入/输出端通过无线方式连接所述的无线通信模块的输出/输入端；所述的无线通信模块的输入/输出端通过有线方式连接所述的远程控制单元(rtu)的输出/输入端；所述的远程控制单元(rtu)的输出端通过有线方式连接所述的可变速驱动模块(vfd)的输入端；所述的可变速驱动模块(vfd)的输出端通过有线方式连接所述的抽油机的输入端；所述的抽油机的输出端通过有线方式连接所述的远程控制单元(rtu)的输入端；所述的抽油机的输入/输出端连接到所述的抽油杆的输出/输入端；所述的抽油杆的输入/输出端连接到所述的抽油泵的输出/输入端；所述的电量模块输出端通过有线方式连接所述的远程控制单元(rtu)的输入端；所述的角位移传感器的输出端和载荷传感器的输出端通过有线方式连接到所述的远程控制单元(rtu)的输入端。

以下结合附图对本发明进行详细说明：

本发明提供一种抽油机自适应变速驱动控制系统，如图1所示，所述抽油机系统包括上位机站控101、无线通信模块102、电量模块103、远程控制单元(rtu)104、可变速驱动模块(vfd)105、抽油机107、角位移传感器106、载荷传感器108、抽油杆109、抽油泵110组成；其特征是：所述可变速驱动模块(vfd)105用来控制和驱动所述抽油机107运转，可变速驱动模块(vfd)105通过rs485总线方式接收远程控制单元(rtu)104的控制命令，可实现对抽油机107运动模式的控制；所述抽油机107带动所述抽油杆109实现上下运动；所述抽油杆109带动所述抽油泵110运动；所述远程控制单元(rtu)104采集角位移传感器106和载荷传感器108的信号，采用程序合成示功图，通过有线方式传递模拟量信号；所述远程控制单元(rtu)104采集电量模块103的信号，通过有线方式传递数字量信号；所述上位机站控101通过无线通信模块102来读取数据和监控远程控制单元(rtu)104，通过无线传输方式(gprs)传递数字量信号；所述远程控制单元(rtu)104和无线通信模块102通信方式为rs485总线方式。

本发明提供一种抽油机自适应变速驱动控制系统的实物示意图，如图2所示，表示如下：所述的角位移传感器106安装、固定在抽油机107的游梁的中间，所述载荷传感器108安装钢在丝绳201和光杆203之间，由光杆卡子202固定，信号线204从传感器出来后经过固定在抽油机本体上的钢管后，连接到控制柜205；所述的无线通信模块102、电量模块103、远程控制单元(rtu)104和可变速驱动模块(vfd)105都安装在控制柜205内，内部由总线rs485控制。

本发明提供一种抽油机自适应变速驱动控制系统程序流程框图，如图3所示，其工作原理为：抽油机控制柜204控制抽油机107进行变速运行，安装在抽油机上的角位移传感器106和载荷传感器108进行功图数据的采集，远程控制单元(rtu)104接收功图数据后进行分析判断，对功图数据进行计算，分析井下状态，提供两种自适应模式供人工选择，一种计算抽油泵110的效率，使用实时计算的泵效数据与当前冲次下的标准数据模型进行对比，得出抽油泵效率，然后调节冲次数据；另一种模式经济效益最高，通过抽油机经济效益和油价、电费的联动计算，采用冒泡排序法得出最大值，确定冲次调节数据，两者都远程控制单元(rtu)104将冲次调整命令下达给可变速驱动模块(vfd)105，完成对抽油机冲次的自动智能调节，30分钟后智能控制算法再次计算当前的实时功图数据，并进行数据对比，再次进行冲次调节，如此反复，直至抽油机冲次符合要求或达到最优。

本发明提供抽油机的两种自适应变速驱动控制系统模式，通过人工进行选择切换。

第一种自适应变速驱动控制系统模式，抽油泵效率计算公式，其工作原理如下：

步骤一：远程控制单元(rtu)104通过角位移传感器106和载荷传感器108在采样间隔时间内分别采集72个上冲程的载荷和角位移数据点和72个上冲程的载荷和角位移数据点，建立数据分析库。

步骤二：提取数据库中采集数据，计算出上冲程最大载荷、下冲程最小载荷、上冲程加载线斜率和下冲程卸载线斜率，推导出理想示功图。

步骤三：利用几何面积法计算抽油泵的效率。

抽油泵的效率为实测示功图面积/理想示功图面积，因为角位移上下一致，则计算时，将角位移数据约去，公式为：

η为抽油泵充满度，s实测和s理想为实测示功图面积和理想示功图面积，p上冲程和p下冲程为上、下冲程中的实测示功图的载荷数据，和p′上冲程和p′下冲程为理想上、下冲程示功图的载荷数据值；

步骤四：自适应调整运行冲次。

在充满度为90％以上时，说明地层供液充足，不用调整。

在充满度为60％～90％时，说明地层供液略显不充足，需要稍微调整，可缓慢降低抽油机冲次，降幅不必过大。

在充满度为低于60％时，说明地层供液不充足，需要调整，可降低抽油机冲次，满足充满度要求。

第二种自适应变速驱动控制系统模式，经济效益联动法计算公式，其工作原理如下：

步骤一：由单位时间内示功图计算抽油泵排量。

q＝1440×ap×sc×n×η

式中，q为抽油泵排量，ap为抽油泵柱塞横截面积，sc为柱塞有效冲程，n为抽油机冲次，η为抽油泵充满度。

步骤二：计算单位时间内三相电能消耗量。

式中，w为抽油机电能消耗量，uk和ik为在单位冲次内第k次采样的瞬时有效值。

步骤三：计算单位时间内联动油价和电价的抽油机经济效益。

b＝r1×q-r2×w

式中，b为抽油机经济效益，r1为当前油价，r2为当前电价，油价和电价由上位机站控101联动控制，q为抽油泵排量，w为抽油机电能消耗量；

步骤四：自适应调整运行冲次。

计算不同冲次下对应的抽油机经济效益b的数值，通过冒泡排序法比较得出b的最大值，确定抽油机的运行冲次。冒泡法排序方法是，通过相邻两个经济效益数值的比较，将大的经济效益数值后移，并将小的经济效益数值前移，从而得出最大经济效益对应的输出冲次。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，但是，对于本技术领域的技术人员应该知晓的是，在符合本发明原理精神的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。