抽油機電動機動態(tài)負荷模擬加載系統(tǒng)及模擬加載方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了電動機動態(tài)負荷模擬測試【技術(shù)領(lǐng)域】中的一種抽油機電動機動態(tài)負荷模擬加載系統(tǒng)及模擬加載方法。系統(tǒng)包括順序連接的扭矩儀、皮帶輪及齒輪箱模塊、抽油機四連桿機構(gòu)模塊、井下負荷模塊、四象限變頻器和負載電機；方法為：根據(jù)實測電機負載扭矩和模擬電機負載扭矩確定最優(yōu)的等效平衡配重及井下摩擦力，再根據(jù)確定等效平衡配重及井下摩擦力計算曲柄驅(qū)動力矩；然后將曲柄驅(qū)動力矩換算成電機負載扭矩，生成電機負載扭矩驅(qū)動指令并發(fā)送至負載電機。本發(fā)明無需改造標準井，節(jié)省了測試系統(tǒng)的建設(shè)費用，且不用考慮變頻器或伺服電機的差異，具有很強的通用性。
【專利說明】抽油機電動機動態(tài)負荷模擬加載系統(tǒng)及模擬加載方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電動機動態(tài)負荷模擬測試【技術(shù)領(lǐng)域】,尤其涉及一種抽油機電動機動態(tài)負荷模擬加載系統(tǒng)及模擬加載方法。

【背景技術(shù)】
[0002]游梁式抽油機系統(tǒng)如圖1所示，其主要包括電氣和機械兩部分，當電動機及曲柄旋轉(zhuǎn)時，會帶動抽油桿做直線往返運動。油泵位于地下數(shù)百米至數(shù)千米位置，鋼質(zhì)抽油桿及油管內(nèi)油液重量達數(shù)噸以上，在上沖程時，系統(tǒng)需要很大的驅(qū)動力矩；下沖程時，僅依靠抽油桿及液體自身重力便能運行，電動機僅需提供很小力矩或被拖入發(fā)電工況運行。因此，抽油機電動負荷特性是周期勢能負載，電動機在運行中可能會出現(xiàn)重載、輕載、空載甚至發(fā)電工況，運行工況復雜多變。
[0003]目前，我國油田抽油機電動機系統(tǒng)運行性能測試，主要采用標準井測試方法，所謂的標準井，就是選擇一口廢棄油井，將其井底用水泥澆筑密封，再向井下注入液體來模擬真實油井，抽取的液體在井口重新注入套管回流至井下。該方法可通過調(diào)整動液面深度或平衡塊位置來模擬不同抽油機負荷特性，具有一定程度上的通用性。但在實際應用中存在以下幾點不足:
[0004]I)抽油機電動機負載狀況復雜多變，隨季節(jié)，平衡配重、井下動液面等因素而不斷變化，導致同一口井不同時段測試數(shù)據(jù)不具備可比性，使得具有相同參數(shù)的抽油機負荷特性會出現(xiàn)誤差。
[0005]2)利用“標準井”測試時手動調(diào)整動液面深度費時費力，且每次抽水、注水后由于井下氣壓作用液面深度穩(wěn)定需要一定時間，易引起測試誤差。
[0006]3)油田冬季戶外氣溫可達_45°C，“標準井”內(nèi)油液會上凍，無法投入生產(chǎn)，受光線、氣候溫度等因素影響，不可全年、全天候運行，年工作小時數(shù)有限。
[0007]4)針對某一臺固定標準井，井上和井下參數(shù)不可調(diào)。如果想模擬不同井況下的電動及運行性能，需要重新選擇標準井，耗費大量人力、物力、財力。
[0008]電動機運行性能測試中的負載裝置主要包括磁粉制動器、直流發(fā)電機組或水電阻等傳統(tǒng)加載裝置，因其可控性好、重復性高，在機械負荷特性的試驗研究中得到了廣泛應用。然而，傳統(tǒng)負載裝置加載精度低，測試過程中能量損失現(xiàn)象嚴重。針對這一問題，基于變頻器的能量回饋式加載方案近年來受到了國內(nèi)外學者的關(guān)注和認可，該負載方案動態(tài)響應快，可實現(xiàn)節(jié)能、低功耗測試?？墒?，現(xiàn)有技術(shù)手段僅針對恒扭矩負載，并不能模擬電動機在動態(tài)負荷下的運行情況。
[0009]鑒于以上所述問題，本發(fā)明以動態(tài)負荷中最為復雜的油田游梁式抽油機負荷為例，研究一種用于模擬抽油機負荷的電動機模擬加載系統(tǒng)，以檢測電動機在動態(tài)負荷條件下的運行性能，為動態(tài)負荷下的電機能效檢測提供技術(shù)支持和理論支撐；此外，該測試系統(tǒng)具有較強的通用性，也可推廣應用于風機、水泵等流體類負載測試領(lǐng)域。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的在于，提供一種抽油機電動機動態(tài)負荷模擬加載系統(tǒng)及模擬加載方法，用于解決現(xiàn)有電動機動態(tài)負荷模擬加載系統(tǒng)和加載方法存在的問題。
[0011]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出的技術(shù)方案是，一種抽油機電動機動態(tài)負荷模擬加載系統(tǒng)，其特征是所述系統(tǒng)包括順序連接的扭矩儀、皮帶輪及齒輪箱模塊、抽油機四連桿機構(gòu)模塊、井下負荷模塊、四象限變頻器和負載電機；
[0012]所述扭矩儀用于測量負載電機轉(zhuǎn)速并將負載電機轉(zhuǎn)速發(fā)送至皮帶輪及齒輪箱模塊；
[0013]所述皮帶輪及齒輪箱模塊用于根據(jù)負載電機轉(zhuǎn)速計算曲柄角位移、曲柄角速度和曲柄角加速度，并將計算得到的曲柄角位移、曲柄角速度和曲柄角加速度發(fā)送至抽油機四連桿機構(gòu)模塊；
[0014]所述抽油機四連桿機構(gòu)模塊用于根據(jù)曲柄角位移、曲柄角速度和曲柄角加速度計算驢頭懸點位移和驢頭懸點加速度，并將驢頭懸點位移、驢頭懸點加速度和曲柄角加速度發(fā)送至井下負荷模塊；
[0015]所述井下負荷模塊用于根據(jù)驢頭懸點位移和驢頭懸點靜負荷曲線確定驢頭懸點靜負荷，并根據(jù)驢頭懸點加速度計算驢頭懸點動負荷；還用于確定等效平衡配重及井下摩擦力，再根據(jù)等效平衡配重及井下摩擦力計算曲柄驅(qū)動力矩，之后將曲柄驅(qū)動力矩換算成電機負載扭矩發(fā)送至四象限變頻器；
[0016]所述四象限變頻器用于根據(jù)電機負載扭矩生成電機負載扭矩驅(qū)動指令并發(fā)送至負載電機；
[0017]所述負載電機根據(jù)電機負載扭矩驅(qū)動指令控制自身轉(zhuǎn)動。
[0018]一種抽油機電動機動態(tài)負荷模擬加載方法，其特征是所述方法包括:
[0019]步驟1:根據(jù)扭矩儀測量得到的負載電機轉(zhuǎn)速計算曲柄角位移、曲柄角速度和曲柄角加速度；
[0020]步驟2:利用曲柄角位移、曲柄角速度和曲柄角加速度計算驢頭懸點位移和驢頭懸點加速度；
[0021]步驟3:利用驢頭懸點位移和驢頭懸點靜負荷曲線確定驢頭懸點的靜負荷，利用驢頭懸點加速度計算驢頭懸點的動負荷；
[0022]步驟4:確定等效平衡配重及井下摩擦力，再根據(jù)確定等效平衡配重及井下摩擦力計算曲柄驅(qū)動力矩；
[0023]步驟5:將曲柄驅(qū)動力矩換算成電機負載扭矩，生成電機負載扭矩驅(qū)動指令并發(fā)送至負載電機。
[0024]所述確定等效平衡配重及井下摩擦力具體為:
[0025]子步驟Al:以實測電機負載扭矩曲線為擬合對象，定義擬合度目標函數(shù)并確定擬合度目標函數(shù)的約束條件；

ΣΚιΙ
[0026]所述擬合度目標函數(shù)為:/(α,./:) = ^——；

Σχ





i=l
[0027]其中，Yi為采樣點i的實測電機負載扭矩；
[0028]Yi為米樣點i的模擬電機負載扭矩；
[0029]N為采樣點的數(shù)量；
[0030]Qe為等效平衡配重；
[0031]仁為井下摩擦力；
[0032]擬合度目標函數(shù)的約束條件為:0.7Qeq彡Qe彡1.3Qeq以及O彡fs彡feq ；
[0033]Qeq為抽油機平衡塊換算至曲柄梢處的平衡配重；
[0034]feq為設(shè)定值；
[0035]子步驟A2:以f(Qe，fs) ( ε為最優(yōu)解判定條件，計算擬合度目標函數(shù)的最優(yōu)解Qe和fs;其中，ε為設(shè)定百分比。
[0036]所述根據(jù)確定等效平衡配重及井下摩擦力計算曲柄驅(qū)動力矩采用公式:
[0037]Tc = (P + P, - Bh ± O-TF - McSin(B-T)+ J2Θ7 ；
[0038]Tc為曲柄驅(qū)動力矩；
[0039]Ps為驢頭懸點靜負荷；
[0040]Pd為驢頭懸點動負荷；
[0041]Bw為結(jié)構(gòu)不平衡重；
[0042]fs為井下摩擦力，上沖程是取正值，下沖程時取負值；
[0043]尿為扭矩因數(shù)；
[0044]Mc為平衡塊垂直作用在曲柄軸上的最大平衡力矩且Mc = Qe.R ;
[0045]Qe為等效平衡配重；
[0046]R為曲柄旋轉(zhuǎn)中心到曲柄與連接桿交點之間的距離；
[0047]Θ為曲柄位移；
[0048]τ為平衡塊偏置角；
[0049]J2為曲柄及平衡塊的轉(zhuǎn)動慣量；
[0050]4為曲柄角加速度。
[0051]本發(fā)明只需通過修改模型參數(shù)即可模擬油田實際變負荷、變工況負載，無需改造標準井，節(jié)省了測試系統(tǒng)中與標準井相關(guān)的建設(shè)費用，且不用考慮變頻器或伺服電機的生產(chǎn)廠家、設(shè)計參數(shù)及制作工藝上所存在的差異，具有很強的通用性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0052]圖1是游梁式抽油機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0053]圖2是抽油機電動機動態(tài)負荷模擬加載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0054]圖3是游梁式抽油機四連桿結(jié)構(gòu)示意圖；
[0055]圖4是驢頭懸點靜負荷曲線圖；
[0056]圖5是動液面為300米時的模擬負載轉(zhuǎn)矩與實測對比曲線圖；
[0057]圖6是關(guān)鍵參數(shù)對比表；
[0058]圖7是實例2的模擬加載系統(tǒng)與實測對比圖；其中，(a)是模擬加載系統(tǒng)輸入功率與實測對比圖，(b)是模擬加載系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩與實測對比圖，(C)是模擬加載系統(tǒng)轉(zhuǎn)速與實測對比圖；
[0059]圖8是實例3的模擬加載系統(tǒng)與實測對比圖；其中，(a)是模擬加載系統(tǒng)輸入功率與實測對比圖，(b)是模擬加載系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩與實測對比圖，(C)是模擬加載系統(tǒng)轉(zhuǎn)速與實測對比圖。

【具體實施方式】
[0060]下面結(jié)合附圖，對優(yōu)選實施例作詳細說明。應該強調(diào)的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應用。
[0061]圖2是抽油機電動機動態(tài)負荷模擬加載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。如圖2所示，本發(fā)明提出的抽油機電動機動態(tài)負荷模擬加載系統(tǒng)包括:順序連接的扭矩儀、皮帶輪及齒輪箱模塊、抽油機四連桿機構(gòu)模塊、井下負荷模塊、四象限變頻器和負載電機。
[0062]扭矩儀用于測量負載電機轉(zhuǎn)速并將負載電機轉(zhuǎn)速發(fā)送至皮帶輪及齒輪箱模塊。
[0063]皮帶輪及齒輪箱模塊用于根據(jù)負載電機轉(zhuǎn)速計算曲柄角位移、曲柄角速度和曲柄角加速度，并將計算得到的曲柄角位移、曲柄角速度和曲柄角加速度發(fā)送至抽油機四連桿機構(gòu)模塊。
[0064]抽油機四連桿機構(gòu)模塊用于根據(jù)曲柄角位移、曲柄角速度和曲柄角加速度計算驢頭懸點位移和驢頭懸點加速度，并將驢頭懸點位移、驢頭懸點加速度和曲柄角加速度發(fā)送至井下負荷模塊。
[0065]井下負荷模塊用于根據(jù)驢頭懸點位移和驢頭懸點靜負荷曲線確定驢頭懸點靜負荷，并根據(jù)驢頭懸點加速度計算驢頭懸點動負荷；還用于確定等效平衡配重及井下摩擦力，再根據(jù)等效平衡配重及井下摩擦力計算曲柄驅(qū)動力矩，之后將曲柄驅(qū)動力矩換算成電機負載扭矩發(fā)送至四象限變頻器。
[0066]四象限變頻器用于根據(jù)電機負載扭矩生成電機負載扭矩驅(qū)動指令并發(fā)送至負載電機。
[0067]負載電機根據(jù)電機負載扭矩驅(qū)動指令控制自身轉(zhuǎn)動。
[0068]本發(fā)明還提供了一種抽油機電動機動態(tài)負荷模擬加載方法，該方法包括:
[0069]步驟1:根據(jù)扭矩儀測量得到的負載電機轉(zhuǎn)速計算曲柄角位移、曲柄角速度和曲柄角加速度。
[0070]皮帶輪及齒輪箱模塊得到負載電機轉(zhuǎn)速后，先根據(jù)公式(I)
[0071]Ω ! = η.2 31 /60(I)
[0072]計算得到電機旋轉(zhuǎn)機械角速度η為負載電機轉(zhuǎn)速。
[0073]再根據(jù)公式(2)
[0074]Qc = Q1Zk(2)
[0075]計算得到曲柄機械角速度Qyk為皮帶輪及齒輪箱傳動變比。
[0076]由圖3可知，曲柄角速度4與曲柄機械角速度0。之間有關(guān)系0(.=-堯。因此，
根據(jù)公式⑴和⑵可以得到曲柄角速度或。對曲柄角速度堯積分，可以得到曲柄角位移θ2，對曲柄角速度0 fi分，可以得到曲柄角加速度爲。
[0077]步驟2:利用曲柄角位移、曲柄角速度和曲柄角加速度計算驢頭懸點位移和驢頭懸點加速度。
[0078]抽油機四連桿機構(gòu)模塊得到曲柄角位移Θ 2、曲柄角速度4和曲柄角加速度4后，
先根據(jù)公式(3)
[0079]
ΘΛ= π-φ
φ = X + β
, ,Ic2 + Lr -P2(3)
I X - cos J--、。乂
V 2CL
β = sin '(---sin^)
、L
[0080]計算出游梁臂參考角θ4。其中，C為游梁后臂，L為抽油桿長度，P為連接桿長度，R為曲柄旋轉(zhuǎn)中心到曲柄與連接桿交點之間的距離。
[0081]再根據(jù)公式(4)
合 _ RO1 sin(沒,一6ζ)
4 — ?η(0-沒4)

Ip2 _|_/2 -C2
[0082]< θ3 =COS ' J----β(4)

β = sin '(-^-sin^,)
[0083]計算得到游梁臂參考角速度6。
[0084]然后，根據(jù)公式(5)
ΘΑ = ΘΑ\^~ + {θ2 -θλ)οο?(θ2 -)-(^, -θ4)col(^, -θ4)]
[0085]]2..(5)

^ R02 sin(0—6*2)

3 P sin(0, -ΘΑ)
[0086]計算得到游梁臂參考角加速度成。cot (.)為反正切函數(shù)。
[0087]最后，根據(jù)公式(6)
I Sc= Αθ4/,s
[0088]\..(6)
[ac ~ 洲4
[0089]計算得到計算驢頭懸點位移S。和驢頭懸點加速度a。。A為游梁前臂的長度。
[0090]步驟3:利用驢頭懸點位移和驢頭懸點靜負荷曲線確定驢頭懸點的靜負荷，利用驢頭懸點加速度計算驢頭懸點的動負荷。
[0091]在抽油機電動機結(jié)構(gòu)確定的情況下，驢頭懸點靜負荷曲線是可知的，如圖4所示。驢頭懸點靜負荷曲線表征驢頭懸點位移和驢頭懸點靜負荷之間的關(guān)系，根據(jù)該曲線，通過查詢驢頭懸點位移S。對應的驢頭懸點靜負荷值，可得驢頭懸點靜負荷Ps。
[0092]對于驢頭懸點的動負荷，通過公式(7)計算:

【權(quán)利要求】
1.一種抽油機電動機動態(tài)負荷模擬加載系統(tǒng)，其特征是所述系統(tǒng)包括順序連接的扭矩儀、皮帶輪及齒輪箱模塊、抽油機四連桿機構(gòu)模塊、井下負荷模塊、四象限變頻器和負載電機； 所述扭矩儀用于測量負載電機轉(zhuǎn)速并將負載電機轉(zhuǎn)速發(fā)送至皮帶輪及齒輪箱模塊； 所述皮帶輪及齒輪箱模塊用于根據(jù)負載電機轉(zhuǎn)速計算曲柄角位移、曲柄角速度和曲柄角加速度，并將計算得到的曲柄角位移、曲柄角速度和曲柄角加速度發(fā)送至抽油機四連桿機構(gòu)模塊； 所述抽油機四連桿機構(gòu)模塊用于根據(jù)曲柄角位移、曲柄角速度和曲柄角加速度計算驢頭懸點位移和驢頭懸點加速度，并將驢頭懸點位移、驢頭懸點加速度和曲柄角加速度發(fā)送至井下負荷模塊； 所述井下負荷模塊用于根據(jù)驢頭懸點位移和驢頭懸點靜負荷曲線確定驢頭懸點靜負荷，并根據(jù)驢頭懸點加速度計算驢頭懸點動負荷；還用于確定等效平衡配重及井下摩擦力，再根據(jù)等效平衡配重及井下摩擦力計算曲柄驅(qū)動力矩，之后將曲柄驅(qū)動力矩換算成電機負載扭矩發(fā)送至四象限變頻器； 所述四象限變頻器用于根據(jù)電機負載扭矩生成電機負載扭矩驅(qū)動指令并發(fā)送至負載電機； 所述負載電機根據(jù)電機負載扭矩驅(qū)動指令控制自身轉(zhuǎn)動。
2.一種抽油機電動機動態(tài)負荷模擬加載方法，其特征是所述方法包括: 步驟1:根據(jù)扭矩儀測量得到的負載電機轉(zhuǎn)速計算曲柄角位移、曲柄角速度和曲柄角加速度； 步驟2:利用曲柄角位移、曲柄角速度和曲柄角加速度計算驢頭懸點位移和驢頭懸點加速度； 步驟3:利用驢頭懸點位移和驢頭懸點靜負荷曲線確定驢頭懸點的靜負荷，利用驢頭懸點加速度計算驢頭懸點的動負荷； 步驟4:確定等效平衡配重及井下摩擦力，再根據(jù)確定等效平衡配重及井下摩擦力計算曲柄驅(qū)動力矩； 步驟5:將曲柄驅(qū)動力矩換算成電機負載扭矩，生成電機負載扭矩驅(qū)動指令并發(fā)送至負載電機。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征是所述確定等效平衡配重及井下摩擦力具體為: 子步驟Al:以實測電機負載扭矩曲線為擬合對象，定義擬合度目標函數(shù)并確定擬合度目標函數(shù)的約束條件；ΣΙπΙ 所述擬合度目標函數(shù)為:/((?,.，./: ——； 其中，Yi為米樣點i的實測電機負載扭矩； Yi為米樣點i的模擬電機負載扭矩； N為采樣點的數(shù)量； Qe為等效平衡配重； fs為井下摩擦力； 擬合度目標函數(shù)的約束條件為:0.7Qeq彡Qe彡1.3Qeq以及O彡fs彡feq ； Qeq為抽油機平衡塊換算至曲柄梢處的平衡配重； feq為設(shè)定值； 子步驟A2:以f (Qe，fs) ( ε為最優(yōu)解判定條件，計算擬合度目標函數(shù)的最優(yōu)解Qe和fs;其中，ε為設(shè)定百分比。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征是所述根據(jù)確定等效平衡配重及井下摩擦力計算曲柄驅(qū)動力矩采用公式:
Tc ={P+P, -Bh 土)-TF-Mc sin(6> - t) + J-A ; Tc為曲柄驅(qū)動力矩； Ps為驢頭懸點靜負荷； Pd為驢頭懸點動負荷； BwS結(jié)構(gòu)不平衡重； fs為井下摩擦力，上沖程是取正值，下沖程時取負值； 尿為扭矩因數(shù)； Mc為平衡塊垂直作用在曲柄軸上的最大平衡力矩且M。= Qe.R ； Qe為等效平衡配重； R為曲柄旋轉(zhuǎn)中心到曲柄與連接桿交點之間的距離； Θ為曲柄位移； τ為平衡塊偏置角；.L為曲柄及平衡塊的轉(zhuǎn)動慣量； 漢為曲柄角加速度。
【文檔編號】G01R31/34GK104133176SQ201410342425
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月18日
【發(fā)明者】趙海森, 王博, 王義龍, 羅應立, 張偉華 申請人:華北電力大學