（机械工程专业论文）地面驱动螺杆泵采油系统的智能控制研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专 业： 硕士生： 指导教师： 地面驱动螺杆泵采油系统的智能控制研究 要 螺杆泵采油技术以其工艺简单、管理方便、适应于高粘度、高含砂开采等优点，、越 来越多的用于稠油油藏的开发。但螺杆泵采油设备的稳定性、可靠性和配套工艺技术的 完善程度与常规机采方式相比还存在一定差距。为最大限度的增产、增效，提高设备利 用率，需要对目前的螺杆泵进行科学合理调参，自动控制、变频调速，以达到增产节能， 提高系统效率的，充分发挥螺杆泵的潜力。本文主要对地面驱动螺杆泵采油智能控制系 统进行研究。 针对长庆油田特低渗、异常低压、低丰度的岩性油藏特点以及进入高含水开发后期 原油生产成本持续攀升等制约油田可持续发展的难题。首先探讨了螺杆泵智能控制系统 的的工作原理和总体设计方案；通过对螺杆泵扭矩和转速等有关影响因素的分析与研究， 探讨了合理选择螺杆泵扭矩和转速的原则；接着设计了智能控制器，文中采用了模糊 神经网络控制器，根据人们经验确定模糊规则，用神经网络对规则进行学习优化，以便 达到较好的控制效果；最后设计了螺杆泵智能控制系统的硬件和软件，重点介绍了p l c 的选型及模糊控制算法在p l c 上实现整个过程。 长庆油田第三采油厂红井子作业区的试验结果表明，螺杆泵智能控制技术成功地解 决了螺杆泵在当地大规模推广应用的技术难题，进一步提高了螺杆泵井的管理水平，有 效地减缓了抽油杆的频繁断、脱问题，延长了螺杆泵井的检泵周期，达到了增产节能、 提高系统效率等目的，开创了长庆油田在高含水开发后期的一种新型采油模式。 关键词：螺杆泵；智能控制；模糊神经网络；可编程控制器；节能 论文类型：应用研究 英文摘要 s u b j e c t ：r e s e a r c ho nt h ei n t e l l i g e n tc o n t r o lo fo i lr e c o v e r ys y s t e mw i t hs c r e wp u m p d r i v e nb yt h ed e v i c eo ng r o u n d s p e c i a l i t y ： n a m e ： i n s t r u c t o r ： a b s t r a c t o i lr e c o v e r yt h r o u g hs c r e wp u m ph a sf o u n di t s i n c r e a s i n g l ya p p l i c a t i o ni nt h i c ko i l b e c a u s ei th a st h ea d v a n t a g e so fs i m p l et e c h n o l o g y , c o n v i n e n tm a n a g e m e n ta n ds u i t a b l ef o r r e c o v e r yi nt h i c ko i lw e l la n dw i t hm a n ys a n d s h o w e v e r , t h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h e s c r e wp u m pa n dt h em a t c h e dt e c h n o l o g yi sw o r s et h a nt h a tw i t hc o n v e n t i o n a lm e t h o do fo i l r e c o v e r y i no r d e rt oi n c r e a s ep r o d u c t i v i t y , e n h a n c ee f f i e n c ya n dp r o l o n gt h eu s i n gt i m eo ft h e e q u i p m e n t ，i ti sn e c e s s a r yf o rt h es c r e wp u m pt oa d j u s ti t sp a r a m e t e r sp r o p e r l y , t oc o n t r o l l a u t o m a t i c a l l ya n dt oc h a n g er o t a r ys p e e dw i t ht r a n s d u c e r i nt h i sp a p e r t h ed e s i g no ft h e i n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mo fo i lr e c o v e r yw i t hs c r e wp u m pi sd e s c r i b e d a i m m i n ga tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fl e s sp e n e t r m i n g ，v e r yl o wp r e s s u r ea n d l o wa b u n d a n t o i ls t o r a g ew i t hr o c ki nc h a n g q i n go i lf i e l da n dt h ep r o b l e mt h a t p r e v e n tt h ec o n t i n u o u s d e v e l o p m e n to fo i lf i e l db e c a u s eo ft h ec o s to fo i lp r o d u c t i o ni n c r e a s i n g ，t h ep r i n c i p l ea n d d e s i g ns c h e m eo ft h ei n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mo fs c r e wp u m pd r i v e nb ye q u i p m e n to ng r o u n d i sd i s c u s s e d n e x t ，t h es e l e c t i o no ft h et o r q u ea n dt h e r o t a r ys p e e do ft h es c r e wp u m pi sg o r e n t h r o u g ht h ea n a l y s i so fe f f e c t so nt h et o r q u ea n dt h er o t a r ys p e e do ft h es c r e wp u m p t h e nt h e i n t e l l i g e n tc o n t r o l l e ri sd e s i g n e di nd e t a i l e d i nt h i sp a p e r , t h en e u r a l f u z z yc o n t r o l l e ri su s e d h e r ew h i c ht h ef u z z yr e g u l a t i o n sa r eg o t t e na c c o r d i n gt o e x p e r i e n c e so fw o r k e r sa n dt h e r e g u l a t i o n sa reo p t i m i z e db yn e u r a ln e t w o r ki no r d e rt oo b t a i nt h eb e t t e re f f e c t s f i n a l l y , t h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ei n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mo fs c r e wp u m pi si n t r o d u c e d w i t h e m p h a s i so nt h es e l e c t i o no fp l ca n dt h er e a l i z a t i o no ff u z z y n e u r a la l g o r i t h mo np l c t h ee x p e r i m e n t si nh o n g j i n g z i ，n o 3o i lr e c o v e r yf a c t o r y , c h a n g q i n go i lf i e l ds h o wt h a t i n t e l l i g e n tc o n t r o lt e c h n o l o g yo fo i lp u m ph a ss o l v e dt h ep r o b l e mo fw i d e s p r e a da p p l i c a t i o n f 。rs c r e wp u m pi nl o c a lo i lf i e l d i na d d i t i o n , i ti m p r o v e st h em a n a g e m e n tl e v e lo fo i lw e l l w i t hs c r e wp u m p ，d e c r e a s e st h et i m e so fr o db r e a k i n ga n ds c r e wt r i p p i n ga n dp r o l o n g st h e r e p a r i n gc y c l eo fs c r e wp u m p s oi tc a ni n c r e a s et h ep r o d u c t i v i t ya n di m p r o v et h ee f f i e n c yo f t h ew h o l es y s t e m i ti n i t i a t e san e wr e c o v e r ym o d e li nt h el a t t e rp h a s eo fo i ld e v e l o p m e n tw i t h h i g hw a t e rc o n t e n ti nc h a n g q i n go i lf i e l d k e y w o r d s ：s c r e wp u m p ；i n t e l l i g e n tc o n t r o l ；f u z z y - n e u r a ln e t w o r k ；p l c ；e n e r g ys a v i n g t y p eo ft h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h i i l 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：日期：一，f 口p 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 注： 少 7 ，一一 l 。专穿珞 按 - 请在使用授：叉的说明中j 日期：j 一【9 t 。 日期：一3 ，t l 出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 题目的来源及意义 本论文题目来源于我校与长庆油田采油三厂横向科研合作项目：定向井螺杆泵采油 评价试验技术服务( h 0 8 0 0 1 ) 。 近些年来，螺杆泵采油作为一种重要的机械举升方法，以其明显的特点和优势，开 始得到应用。螺杆泵是一种容积式泵，它的运动部件少，没有阀件和复杂的流道，油流 扰动小，排量均匀，适应性强，可以适应高黏度、高含砂、大气油比、低产油田的开发。 另外，螺杆泵采油系统还具有地面设备占地面积小，投资费用低，管理简便，排量调节 方便，效率高，节能效果好等特点，因而螺杆泵采油系统和普通游梁式抽油机相比，具 有很大的优越性【1 1 - 4 】。 面对螺杆泵应用数量的逐步增加，有关螺杆泵采油的科学研究也不断深入。而随着 研究的不断深入和螺杆泵使用过程中逐步暴露出的一些问题，要求对使用和管理以及设 计制造中的一些与现场密切相关的深层次问题进一步研究，要研究如何使螺杆泵科学、 合理、更有效率的工作。既有较高的技术含量，又有较好的经济效益，是螺杆泵采油实 践过程中不断所求的目标。 传统螺杆泵采油系统也存在以下缺点：地面驱动螺杆泵启动时，转速瞬间提高，抽 油杆产生很大的惯性扭矩，导致抽油杆承受的扭矩大于额定扭矩，抽油杆易拧断；螺杆 泵停机时，抽油杆的扭矩载荷瞬时释放，抽油杆快速倒转，容易造成抽油杆脱扣。事实 上，井下工况比较复杂，在不同的油井或同一油井的不同时刻，螺杆泵、抽油杆等所受 到的载荷都是变化的。从提高整个螺杆泵系统的效率、优化螺杆泵系统的性能角度考虑， 就要求各种运行参数也随之变化。而传统螺杆泵常通过更换皮带轮改变螺杆泵转速，不 便管理。 针对这些缺点，要求螺杆泵采油系统能够在开机、停机或根据井下工况，实时改变 电动机的运转参数，从而使整个系统在最优条件下运行，提高采油效率，降低能耗。本 文主要研究螺杆泵闭环智能控制采油系统。该系统根据光杆的扭矩、受力、螺杆泵井下 液位、电动机电流、电压等参数，以螺杆泵采油系统效率最高或能耗最小为指标，够成 闭环控制回路，通过设计的智能控制器，来实时调节电动机运转速度，从而控制螺杆泵 的运行速度，使螺杆泵采油系统工作在最优状况，提高采油效率。该系统工作原理如下： 首先传感器的信息输入模糊神经网络智能控制器，控制器根据该信息所反映的井下的实 时工矿，由可编程控制器( p l c ，智能控制器) 发送一个信号给变频器，变频器根据该 信号改变电动机输入电压频率，并对三相异步电动机进行无级调速，进而使抽油杆及螺 杆泵转子的转动速度发生改变。当螺杆泵开机或关机时，p l c 可以发出指令，对螺杆泵 进行软启动或软停机，可以避免出现抽油杆的扭断或脱扣现象。因此该项研究对于具有 西安石油大学硕士学位论文 重要的意义。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 国外研究现状及发展趋势 6 1 螺杆泵问世于本世纪3 0 年代。1 9 3 0 年5 月3 日，r e n ej l m o i n e a u 在法国首先获 得了螺杆泵的第一个专利 4 1 。1 9 3 1 1 9 3 4 年法国、美国开始试制用于管道液体输送的螺杆 泵。美国最早把螺杆泵应用于石油工业，从1 9 3 6 年起就开始从事深井采油用螺杆泵的尝 试和研究，用井下潜油电动机作动力源。5 0 年代中期又应用螺杆泵的原理开发钻井用的 螺杆钻具，并由s m i t hi n t e r n a f i o n a 公司率先取得成功，命名为d y n a d r i l l 。 r o b b i n s & m y e r s 公司是美国制造井下螺杆泵历史最长和技术力量最雄厚的厂家， 在生产井下采油螺杆泵的同时，仍坚持不懈地进行用高强度抽油杆替代潜油电动机的地 面驱动螺杆泵的研究，累计耗资数千万美元f 5 l 。尽管其间几经波折，曾一度停顿l o 多年， 但终于在8 0 年代一举成功。地面驱动螺杆泵不用井下潜油电动机和电缆，将动力源由井 下移到地面，直接用加强级抽油杆传递旋转动力，这样与常规抽油机杆式泵采油系统相 比，大幅度地降低了成本和故障率。地面驱动螺杆泵的成功是现代采油技术上的一大突 破。 法国虽是最先制造螺杆泵的国家，但把它应用到石油工业上却较晚，上世纪6 0 年代 末，才在s o l a i e f 市场完成井下采油螺杆泵的台架试验和取得开采高粘原油现场试验的成 功。 前苏联的全部石油地质储量中，有一半是高粘油，用常规方法( 有杆泵和电动潜油离 心泵) 难以开采，上世纪5 0 年代末就设计出了井下驱动的三螺杆泵，用来开采稠油。1 9 7 0 年，前苏联钻井泵专门设计局成功地试制出了井下电动潜油单螺杆泵，并很快形成了单 螺杆、双螺杆和三螺杆等三大系列产品。 目前，地面驱动螺杆泵在美国、加拿大、法国、俄罗斯、德国等国已得到大范围的 推广使用仆1 9 1 。国外从事该类泵生产的厂家很多，其中闻名的有美国的r o b b i n s m y e r s 公司和c e n t r i l i f l h u g h e s 公司、加拿大的c o r o d 公司和g r i f f i n 公司、法国的p c m f p 联 合公司等5 家。 1 2 2 国内研究现状及发展趋势 螺杆泵采油也是近几年来我国油田开采技术进步的一个方面1 0 h 1 4 】。1 9 8 6 年辽河油 田率先开展地面驱动单螺杆泵的研究设计，沈阳新阳机械制造公司试制出样机并成功地 进行了现场试验，1 9 8 7 年通过了技术鉴定。在有关油田和制造厂的共同努力下，螺杆泵 的设计、制造及应用技术不断提高，产品逐步多样化并形成系列。截止1 9 9 2 年底，沈阳、 上海、嘉兴、北京、淄博等地7 个螺杆泵制造厂形成了年生产螺杆泵1 0 0 0 台的制造能力， 可以说螺杆泵的制造和应用已达到定的规模。 2 第一章绪论 至于螺杆泵的应用，大庆油田推广使用螺杆泵采油技术，在用螺杆泵高含水井1 0 3 1 口，在用聚驱螺杆泵采油井4 9 9 口，用井总数超过3 0 0 0 口，同抽油机相比，单井可以节 约投资2 5 5 ，系统效率提高1 0 1 ，节电2 7 9 ；胜利油田在2 2 3 口长期停产的稠油地 产井、出砂井和丛式井中应用地面驱动螺杆泵采油，累计增产原油1 4 4 x1 0 4 吨，使1 0 0 多口停产井恢复了正常生产；辽河油田锦州采油厂先后有9 2 口油井采用螺杆泵生产，平 均延长检泵周期6 4 天：冀东油田高1 0 4 5 区共推广应用螺杆泵5 3 井次，日产油由2 7 9 吨上升到6 3 4 吨，累计增产5 4 1 0 4 吨。 从目前应用来看，螺杆泵未来将会朝以下几个方向发展： ( 1 ) 高扬程、大排量的螺杆泵； ( 2 ) 新型螺杆泵的研究； ( 3 ) 螺杆泵杆柱卸扭技术； ( 4 ) 螺杆泵智能化控制技术： ( 5 ) 螺杆泵定子橡胶适应性研究。 本文拟从第( 4 ) 个方面展开研究，采用当前先进的智能控制理论( 模糊- 神经网络 控制) 、电动机变频技术及可编程控制器( p l c ) ，通过抽油杆的扭矩、力等信息，构成 闭环自动控制回路，实现螺杆泵采油系统的最佳采油效果。 1 3 智能控制发展概况 智能控制不同于经典控制理论和现代控制理论的处理方法，是- - f l 交叉学科；是针 对系统的复杂性、非线性、不确定性而提出来的。智能控制研究的主要目标不在是控制 对象，而是控制器本身。控制器不再是单一的数学模型解析型，而是数学解析和知识体 系结合的广义模型，是多种学科知识融合的控制。智能控制的特点是系统应体现“智能递 增，精度递减”的一般组织结构的基本原理；开、闭环控制结合和定性决策与定量控制结 合的多模态控制；应具备学习功能、适应功能和组织功能；在信息处理方法上，既有数 学运算，又有符号运算的逻辑推理。 1 3 1 模糊逻辑控制、遗传算法和神经网络控制是三种典型的智能控方法 1 模糊控制 模糊控制的基本思想是把人类专家对特定的被控对象或过程的控制策略总结成一系 列以“琢( 条件) t h e n ( 作用) ”表示的控制规则，通过模糊推理得到控制作用集，作用于被 控对象或过程。 与常规控制相比，模糊控制无需建立数学模型，完全以操作人员的控制经验实现对 系统的控制，是解决不确定系统的一种有效方法；模糊控制具有较强的鲁棒性，被控对 象的参数变化对控制效果影响不明显，可用于非线性、时变、时滞系统的控制，可离线 计算得到控制查询表，提高控制系统的实时性。 3 西安石油大学硕士学位论文 另一方面，信息简单的模糊处理将导致系统的控制精度降低、动态品质变差，要提 高精度则要增加量化等级，而导致规则的搜索范围变大，实时性变差。 模糊控制应用主要有模糊模型及辨识，模糊最优控制，模糊自组织控制，模糊自适 应控制，传统的p i d 与模糊控制相结合的多模态模糊控制器等。 2 遗传算法 遗传算法是模拟生物在自然环境中的遗传和进化过程而形成的一种自适应全局优化 概率搜索算法，是一种宏观意义下的仿生算法。遗传算法的主要运算过程一般可分为： 初始化、个体评价、选择、交叉、变异运算和终止条件判断六步。 遗传算法具有如下特点：全局性、并行性和高效性、鲁棒性、普适性和易扩性、简 明性等。 3 神经网络控制 神经网络控制是在现代神经科学的基础上提出的，反映了人脑功能的基本特性，是 自然神经网络的某种简化抽象和模型。它应用于控制领域的主要优点在于多层前馈神经 网络能够以任意精度逼近任意非线性映射，给复杂系统的建模带来了一种新的、非传统 的表达工具：所有定量或定性的信息都等势分布贮存于网络内的各神经元，故具有很强 的鲁棒性和容错性；采用并行分布处理方法，使得快速大量运算成为可能：可自学习和 自适应不知道或不确定的系统：能够同时处理定量、定性知识：多输入多输出的结构模 型可方便地应用于多变量控制系统。 4 模糊神经网络控制 神经网络与模糊控制的结合成为近年来的热点。神经网络和模糊系统都是无精确模 型的估计器，二者都是通过数值方法估计系统输入输出之间的非线性映射关系，并且在 处理系统的输入输出映射关系上具有相同的网络结构，只是处理的过程不同而已。神经 网络是通过点点映射来描述系统输入输出关系的，其训练值是确定量，因而映射关系是 一一对应的，反映其输入输出关系的曲面通常比较光滑，精度较高；模糊系统的变量经 过了模糊化处理，它反映的输入输出映射是一种区域区域映射，映射曲面通常为台阶状， 精度较低。 模糊神经网络是一种集模糊逻辑推理的强大结构性知识表达能力与神经网络的强大 自学习能力于一体的技术，模糊神经网络控制主要有三个方向：一是利用神经网络实现 模糊控制规则：二是用模糊规则来描述神经网络的权系数：三是二者的组合控制。 1 3 2 模糊神经网络控制在螺杆泵采油系统的应用 利用神经网络的分布式信息存储、自适应学习的特点，可以使控制系统能够进行自 我调整以适应螺杆泵采油系不同的工况。因此将神经网络同模糊逻辑结合进行模式识别， 可以用来弥补单纯的模糊控制难以完成的环境学习能力，从而进行较好的数据分析和预 测，利用b p 神经网络做模式分类器并产生适应的模糊规则，可以提高不断的新数据来 4 第一章绪论 调整模糊规则案例推理和学习：通过模糊技术再对当前状况进行判断和解释，并交 由归纳算法来对油井状况做预测。 模糊神经网络可以分为前件( p r e m i s e s ) 和后件( c o n s e q u e n c e s ) 2 部分，并采用反 向传播( b a c kp r o p a g a t i o n ) 的学习算法。其前件输出是每条规则的置信度a r 的归一化的结 果口，口，的计算如下 a r ：告 模糊神经网络的后件的目的是参数调整，可以通过一定数量的训练样本和第r 条规 则的第i 个样本的置信度( 其值在学习过程中不断调整) 来确定第r 条规则平均置信度t ， 即 k七 c r = 矗，殛， 扛1扛1 ( 1 - 2 ) 式中口扣的是第，条规则的第f 个样本的置信度，当口j ，不大于l o w 条件时2 0 ， 当口i ，不大于l o w 条件时6 f ，20 ，否则为l ：k 为训练样本数；，为规则数目，- 1 ， r 。 该系统可用调整权重的方法来改变隶属度，通过这种模糊神经网络可以使系统在学 习过程中自定义的初始值，逐渐删减置信度低的规则，改进输入空间的划分，进而调节 规则数目和规则结构。 虽然这2 种模糊神经网络的应用对象不同，但是都是利用神经网络技术进行在线调 整模糊推理规则。这种方式能够使模糊控制系统具有自学习能力，而被应用于多个存在 不同工况的油井进行自动控制。 1 4 本文主要研究内容 本文主要开展螺杆泵采油智能控制系统研究。其目的是通过设计智能控制系统，将 螺杆泵、油杆柱、地面驱动装置( 减速器、电动机等) 作为一个整体，根据采油各个时 刻的实际工况，对电动机的速度进行实时调节，达到减小能量消耗、提高采油效率的目 的。 本文的创新点主要有： 1 设计了地面驱动螺杆泵智能控制系统的总体方案。整个系统由p l c 、变频器、变 频电机、减速器、抽油杆、螺杆泵等组成，该系统是一个闭环控制系统，可以根据采油 各个时刻的实际工况，对电动机的速度进行实时调节，达到减小能量消耗、提高采油效 率的目的。 2 设计了地面驱动螺杆泵智能控制系统的模糊神经网络智能控制器。该控制器以 5 西安石油大学硕士学位论文 人的经验和螺杆泵特性为基础，通过神经网络自学习功能优化模糊规则，在螺杆泵现场 有不精确、非线性和干扰等情况下，提高控制系统的控制效果。 3 设计了模糊神经控制器控制算法在p l c 上实现的方块图，主要由模糊量的输入、 模糊查询表的提取、控制量的输出等部分组成。通过该图，可以很方便的在p l c 上编制 模糊神经网络实时控制程序。 本文的主要内容： 第一章介绍了本文研究的重要意义及国内外研究现状和发展趋势； 第二章介绍了本文所设计的地面驱动螺杆泵智能控制系统的总体方案设计及其工作 原理； 第三章根据力学分析确定电动机实时运转速度和螺杆泵扭矩、力等的关系，为控制 器的设计奠定了基础； 第四章介绍了地面驱动螺杆泵智能控制系统的模糊神经网络智能控制器的设计； 第五章介绍了地面驱动螺杆泵智能控制系统硬件结构的设计，重点介绍了模糊- 神经 网络控制算法的p l c 实现问题，最后对该系统进行了试验，验证了系统的控制效果。 6 第二章地面驱动螺杆泵采油智能控制系统的总体方案设计 第二章地面驱动螺杆泵采油智能控制系统的总体方案设计 2 1 地面驱动螺杆泵采油系统的组成和工作原理 2 1 1 地面驱动螺杆泵采油系统的组成 目前在国内外应用最为普遍的地面驱动螺杆泵采油系统主要由地面驱动部分、井下 泵部分、电控部分、配套工具等四部分组成f 1 5 l 。如图2 1 所示。 1 电控箱；2 电机；3 方卡子；4 减速箱：5 专用井口；6 压力表；7 瑚油杆； 8 抽油杆扶正器；9 油管锚；l o 油管；1 1 螺杆泵；1 2 套管 图2 1 地面驱动螺杆泵采油系统示意图 ( 1 ) 地面驱动部分 地面驱动装置( 驱动头) 是螺杆泵采油系统的主要地面设备，它是把动力传递给井 下的螺杆泵转子，使转子实现自转和公转，实现抽汲原油的机械装置。从变速形式上分， 地面驱动装置有无级调速和分级调速两种类型。机械传动的驱动装置主要由以下几部分 组成： 减速箱。主要作用是传递动力并实现一级减速。它将电机的动力由输入轴通过齿 轮传递到输出轴，输出轴联接减速箱，减速箱除了具有传递动力的作用外，还将抽油杆 的轴向负荷传递到采油树上。 电机。它是螺杆泵的动力源，将电能转化为机械能。一般采用防爆型三相异步机。 密封盒。主要作用是防止井液流出，起密封井口的目的。 方卡子。主要作用是将减速箱输出轴与光杆联接起来。 7 西安石油大学硕士学位论文 ( 2 ) 井下泵部分 井下泵部分主要由抽油杆、接头、转子、导向头和油管、接箍、定子、尾管等组成。 为了防止油管、定子脱扣，在尾管下部应安装油管锚定装置。定子是由丁腈橡胶硫化粘 接在定子管内形成的，转子由合金钢调质后，经车铣、剖光、镀铬而成。转子在定子内 转动，实现抽汲功能。 ( 3 ) 电控部分 电控箱是螺杆泵井的控制部分，控制电机的启、停。该装置能自动显示、记录螺杆 泵井正常生产时的电流、电压等，有过载、欠载自动保护功能，确保油井的正常生产。 ( 4 ) 配套工具部分 专用井口。它简化了采油树，使用、维修、保养方便，同时增加了井口强度，减 小了地面驱动装置的振动，起到保护光杆和换密封盒时密封井口的作用。 特殊光杆。它强度大、防断裂、光洁度高，有利于井口密封。 抽油杆防倒转装置。防止了抽油杆倒扣。 油管防脱装置。锚定泵和油管，防止油管脱落。 2 1 2 螺杆泵采油系统的工作原理 螺杆泵采油系统工作时，由地面动力设备带动抽油杆柱旋转，连接于抽油杆底端的 螺杆泵转子随之一起转动，井液从螺杆泵下部吸入，由上端排出，并从油管流出井口， 再通过地面管线输送至计量站。螺杆泵是靠空腔排油，由于定子比转子多一条螺旋线， 所以在转子与定子间形成一个个互不连通的封闭腔室，当转子在定子中旋转时，封闭空 腔沿轴线方向由吸入端均匀地挤到排出端，同时，又在吸入端重新形成新的低压空腔将 原油吸入，这样，封闭空腔随着转子的旋转而不断变换位置，并呈现周期性的重复出现， 且转子沿着自己的轴线旋转的同时又平行于定子轴线并绕定子轴线沿一定的半径作圆周 滚动，从而将井内的流体由底部密封腔逐级推向顶部密封腔，并逐级提高压力，这样， 把杆管环空中的流体连续不断的举升到地面。 如图2 2 所示，为单螺杆泵定子一转子副，定子和转子之间形成一系列的密封腔室， 转子运动时( 行星运动) ，密封腔室在轴线方向沿螺旋线运动，按照旋向，输送原油。由 于转子是由金属材料制成，而定子是由弹性材料制成，所以两者组成的密封腔室很容易 在入口管路中获得较高的真空度，使泵具有自吸能力，甚至在气、液混输时也能保持自 吸能力。 如图2 3 所示，为单螺杆泵采油系统的工作示意图，图中为转子转动1 8 0 。过程中， 转子在定子中的位置。连续输液的过程，是以连续不断地打开和关闭密封腔室而实现的。 当定子一转子副中吸入的第一个密封腔室的容积增加时，在它和吸入端的压差作用下， 油流便进入第一个密封腔室，随着转子的转动，这个密封腔室开始封闭，向排出端移动。 8 第二章地面驱动螺杆泵采油智能控制系统的总体方案设计 转子 图2 - 2 螺杆泵定子转子副 二固一一固一一一固一二国 i 伊= 9 0 i 9 = 1 8 0 图2 - 3 螺杆泵工作示意图 就这样，油液通过一个又一个的密封腔室从吸入端被推挤到排出端，压力不断升高，排 量非常均匀，从而形成稳定的环空螺旋流动。因此，螺杆泵抽油井杆管环空中井液的流 动形态与抽油机井不同，是典型的稳定环空螺旋流动。 普通地面驱动螺杆泵在生产中经常出现一些问题，如：在地面驱动螺杆泵启动时， 9 j 1i_，1 一 一 o o 一 一 西安石油大学硕士学位论文 其转速瞬间提高，抽油杆产生很大的惯性扭矩，导致抽油杆承受的扭矩大于抽油杆的额 定扭矩，易使抽油杆拧断；在螺杆泵停机时，抽油杆的扭矩载荷瞬时释放，导致光杆 快速倒转，容易造成抽油杆脱扣：螺杆泵常通过更换传动皮带轮来改变生产参数，不 便于生产管理。针对以上问题，本文利用变频器、螺杆泵转速扭矩传感器等设备，研制 了地面驱动螺杆泵变频自动控制装置，它可以克服传统螺杆泵地面驱动设备的缺点，实 现较好的效果。 2 2 地面驱动螺杆泵智能控制系统总体方案设计 螺杆泵变频自动控制装置包括螺杆泵、转速扭矩传感器、单片机数据采集器、智能 控制器、变频系统( 主要由变频器、主控制电路和辅助电路组成) 、驱动电机和二次仪表 组成等单元组成【1 6 i 【17 1 ，如图2 4 所示。 图2 _ 4 螺杆泵智能控制系统总体方案 其工作原理如下：装在地面驱动螺杆泵扭矩卡子下的光杆转速一扭矩传感器把实时 测得的光杆转速、扭矩等生产参数经过信号调理、a d 转换转变成为单片机数据采集器 可以接受的数字信号，并存储于存储器中；单片机将采集处理过的转速、扭矩信号送至 调节器，与预先根据油井的提液要求以及各种因素设定的光杆转速、扭矩值进行比较； 将差值模拟量输入到智能控制器，控制器输出控制量，控制变频器：根据输人转速、扭 矩信号的大小，变频器实时调整输出频率值，通过调节控制电机转速实现对地面驱动螺 杆泵转速、扭矩的在线自动控制。当螺杆泵井的光杆扭矩远低于设定地时，变频装置 将自动提高螺杆泵转速：当实际扭矩接近或到达设定值m b 时，螺杆泵转速保持平稳：当 光杆承受的实际扭矩远超过设定值m b 时，变频装置自动将螺杆泵转速减小，使螺杆泵 井能安全、高效地生产。该自动控制系统具有软启动、软停机功能。软启动功能可以延 长启动时间，减小惯性扭矩，避免抽油杆因瞬间扭矩过大而拧断；软停机功能可以延长 1 0 第二章地面驱动螺杆泵采油智能控制系统的总体方案设计 停机时间，使抽油杆扭矩缓慢释放，避免抽油杆扭矩。 在整个控制系统中，p l c ( 可编程控制器) 的作用是采集传感器的信号以及对偏差 信号进行处理，得到控制信号去控制交频器，使输出达到预定的值。p l c 和传感器的连 接通过p l c 的i o 端进行。变频器的作用是把控制器( p l c ) 送出的控制信号( 频率信 号) 进行转换，转换为电动机所需要频率的电压、电流信号，实现电机速度的调节。变 频器和p l c 的连接采用r s - 4 8 5 进行通信，实现数据传输。变频电机的作用是驱动螺杆 泵地面驱动设备，使油杆柱带动螺杆泵转子旋转。转矩转速传感器的作用是检测光感处 的扭矩和螺杆泵转子的转速，作为控制器的输入参数。 在地面驱动螺杆泵智能控制系统中，关键的部分就是变频器和智能控制器( p l c ) ， 因此有必要对这两个单元重点论述。 2 3 变频器工作原理 2 3 1 异步电动机变频调速原理 异步电动机的电磁转矩是由定子主磁通和转子电流相互作用产生。且定子主磁通是 旋转着的，其转速常称为同步转速, 。 1 s l n o ：6 0 _ 堕f ( 2 1 ) p 式中为电流的频率；p 为旋转磁场的磁极对数。 产生转子电流的必要条件是转子绕组切割定子磁极的磁力线，因此，转子的转速嚣必 然低于磁场的转速n o ( 即所谓异步) ，两者之差a n 称为转差，并且转差大，切割磁力线 的速度快，转子电流大，电磁转矩也大。转差与磁场转速之比，称为转差率，用占表示 为 s ：a n ：竺型( 2 2 ) 疗o 对笼型或异步电动机，其转速以为 挖= 盟p ( 卜s ) ( 2 - d 、 挖= j l il sl i 二 从上式可知，只要改变f 、s 和p 中的任意一项即可改变电动机转速，其中，改变p 调速是有级的，即选用多极电动机，但多极电动机绕组较复杂，因而改变p 调速是不经 济的。对笼型异步电动机只有改变频率厂才是经济又无级的调速方式。而变频器就是起 变频作用的装置【1 9 1 。 表面看来，只要改变定子电压的频率厂就可以调节转速大小了，但事实上仅改变厂 并不能正常调速。在实际系统中，通常在调节定子电源频率厂的同时调节定子电压， 西安石油大学硕士学位论文 通过甜。和f 的协调控制实现不同类型的变频调速。由电机学知2 0 1 。e ， m = 土4 4 4 n t k m 瓦瓦u i 瓦 ( 2 - 4 ) 互= c m 。c o s 丸 ( 2 - 5 ) 其中，为每极气隙主磁通量，单位为w b ；乓为定子每相中气隙磁通感应电动势 有效值，单位为v ；。为定子每相绕组串联匝数；k 。基波绕组系数；u 。为定子相电压， 单位为v 。 若不变，则厂上升时，西。将下降，于是电磁转矩瓦下降，这样电动机的拖动能 力会降低：若降低则。上升，当小于额定频率时，主磁通。将超过额定值。由于 在设计电动机时，主磁通。的额定值一般选择在定子铁心的临界饱和点附近，所以当 在额定频率以下调频时，将会引起主磁通饱和，这样励磁电流急剧升高，使定子铁心损 耗急剧增加。所以实际调速过程常用下列变频控制方式： 基频以下常用恒磁通变频控制方式。即e 妒常数，绕组中气隙磁通感应电动势难以 直接控制，当电动势较高时，忽略定子绕组的阻抗压降，认为定子相电压z 1 乓，甜。户 常数，即恒压频比变频控制。 图2 - 5 鼠笼式异步电动机变频调速控制特性 在基频以上调速时，频率可以往上增加大，但电压材，却不能增加得比额定电压“。 大，所以只能迫使磁通与频率反比地降低。如图2 5 所示。在基频以下，属于“恒转矩 调速”；在基频以上，基本属于“恒功率调速 。 2 3 2 变频器简介 变频器是将频率固定的( 通常为工频5 0 h z ) 交流电( 三相或单相) ，变成频率连续 可调，通常为0 4 0 0 h z 的三相交流电源，它的主电路采用交直交电路。变频器的应用 范围很广，凡是使用三相交流异步电动机电气传动的地方都可装变频器。对设备来讲， 1 2 第二章地面驱动螺杆泵采油智能控制系统的总体方案设计 使用变频器的目的主要有三一1 9 1 ： ( 1 ) 对电动机实现节能使用频率范围为0 5 0 h z ，具体值与设备类型、工况条件 有关。 ( 2 ) 对电动机实现调速使用频率范围为0 - 4 0 0 h z ，具体值按工艺要求而定，受 电动机允许最大工作频率的制约。 ( 3 ) 对电动机实现软启动、软制动频率的上升或下降，可人为设定时间、实现起、 制动平滑无冲击电流或机械冲击。 2 3 3 变频器的组成和基本原理 变频器主要有以下几个部分组成：主电路，保护电路，计算机数字控制电路，数字 显示和故障诊断电路，数字与模拟输入、输出电路等，其原理框图如图2 - 6 所示。 主电路 r - s t 图2 _ 6 变频器原理图 ( 1 ) 保护电路 通过霍尔效应电流传感器、电压传感器以及检测温度的温度传感器形成完整、可靠、 快速的保护系统。如过电压保护( o u ) ，过电流保护( o c ) ，电动机过载保护( o l ) ， 变频器过热保护( 0 h ) ，欠电压保护( l u ) 等。 ( 2 ) 计算机数字控制电路 由专用的大规模集成电路、两个6 位c p u 芯片及专用基极驱动厚膜电路组成全数字 控制电路。当c p u 接收到输入电路的控制信号后，经过数据处理、转矩运算等环节完成 控制指令，生成正弦p w m 波型，供给基极驱动电路，控制逆变器的管子开通和关断。 ( 3 ) 数字显示和故障诊断电路 通过触摸式面板，可以进行功能码、数字码的数字设定和故障复位。发光二极管不 但可以显示频率、输出电流、输出电压及各种故障，而且还能检索、查询、分析各种故 障时某些运行状态及技术数据。 西安石油大学硕士学位论文 ( 4 ) 数字与模拟量输入、输出电路 针对不同用户的控制水平和控制方式，变频器可以采用数字或模拟输入数据方式， 也可以向用户提供某种数字量或模拟量的数据与指令。 ( 5 ) 主电路 对低压变频器来说，其主电路几乎均为电压型交直交电路。它由三相桥式整流器 ( 即a c d c 模块) 、滤波电路( 电容器c ) 、制动电路( 晶体管v 及电阻r ) 、三相桥式 逆变电路( i g b t 模块) 等组成。整流器把工频电源的三相交流变换成直流电，再由逆 变器把直流电压转变为频率和幅值大小可调的三相交流电输出。 整流器该整流器是三相桥式不可控整流电路，每个桥臂上有两只二极管，通过 三相桥式整流电路，将三相交流电变为直流电，其整流物理过程如图2 7 所示。整流器 直流输出端电压波形如图2 7 ( b ) 所示。 一墩删7 图2 - 7 变频器整流的物理过程 由图2 7 ( a ) 可知，由坐标原点开始，沿着o t 轴a 相电压波形进入第l 自然换相点 之后，a 相处于最高点位，d ，导通，b 相处于最低电位，d 6 导通。输出端电压为： u d = u o u = u 4 6 进入第2 自然相点之后，a 相继续处于最高点位，d ，导通，c 相处于最低电位，d 2 导通。输出端电压为： u d = u 。一u 。= u 。 进入第3 自然相点之后，b 相继续处于最高点位，d ，导通，j d 。关闭，完成导通角 1 2 0 度，c 相继续处于最低电位，d 继续导通。输出端电压为： 1 4 第二章地面驱动螺杆泵采油智能控制系统的总体方案设计 u d = u a u c = u 出 进入第4 自然相点之后，b 相继续处于最高点位，d ，继续导通，a 相处于最低电位， d 。导通，d 2 关闭，完成导通角1 2 0 度。输出端电压为： u d = u b u 。= u 6 4 进入第5 自然相点之后，c 相处于最高点位，d 5 导通，d 3 关闭，完成导通角1 2 0 度， d 。继续处于最低电位，继续导通，d ：关闭。输出端电压为： u d = 玑一u 。= u 。 以此类推，整流器输入端为三相交流，而直流输出端为直流。q ，d 3 ，d 5 共阴极 端为正极，d 2 ，d j ，d 6 共阳极端为负极。 直流输出端平均电压：u d = 三e z 6 、2 u 2s i n c o t d c o t = 2 3 4 u 2 = 1 3 5 u 2 p r 曩l o 式中，u ，为整流器输入端交流相电压( 有效值) ： u ，：为整流器输入端交流线电压( 有效值) ： u 2 = = u 钟= = = u 。o = 。 滤波器整流器输出的直流电压再经滤波器使波形平直稳定。富士变频器采用电 容滤波，用大容量滤波电容，使直流回路的电压不受电机影响，大体上保持恒定，相当 于电压源在工作，故此类变频器为电压型变频器。滤波后的电压波形如图2 7 ( c ) 所示。 逆变器富士变频器的逆变器是大功率晶体管( g t r ) 组成的三相桥式全数控逆 变电路，功能是将直流电变为频率可调的交流电，功率范围0 5 - 4 0 0 h z