变频游梁式抽油系统运行参数的优化设计与性能仿真*

综合考虑电动机端电压频率的实时变化以及电动机负载扭矩波动对电动机瞬时转速的影响,建立了变频控制游梁式抽油系统曲柄运动规律、抽油杆柱纵向振动规律与系统动态参数的仿真模型。将抽汲参数、平衡装置参数、频率函数、电动机输出轴皮带轮转动惯量等系统运行参数作为优化设计变量,在保证油井产量不变、抽油机承载能力、抽油杆柱强度、平衡度和上下冲程时间分配等约束条件的基础上,以系统输入功率最低作为优化设计的目标函数,建立了变频游梁式抽油系统运行参数优化设计的数学模型。仿真与优化结果表明：① 在抽汲参数一定的条件下,优化实时频率可以显著改善游梁式抽油系统的动力性,具有明显的节电效果;② 优化电动机输出轴皮带轮转动惯量可以降低电动机输出功率的幅值与波动程度,进一步提高变频控制游梁式抽油系统的节电效果;③ 综合优化抽汲参数、平衡装置参数、频率函数与电动机输出轴皮带轮转动惯量可以显著改善系统的动力性能,降低系统能耗。     

变频游梁式抽油系统动态仿真与实时频率优化

针对变频控制游梁式抽油系统,考虑了频率实时变化对抽油机运动规律、杆柱纵向振动、悬点载荷、地面装置节点扭矩与功率的影响,建立了变频控制游梁式抽油系统动态参数的仿真模型。对实时频率函数进行傅里叶变换,并以其傅里叶系数为设计变量,以电动机输出功率的均方根值最小为优化设计的目标函数,综合考虑冲次不变、上下冲程时间分配、频率范围等约束条件,建立了实时频率优化设计的数学模型。仿真与优化结果表明：所建立的仿真模型具有较高的仿真精度,能够满足实际应用的要求;优化实时频率可以显著改善抽油机的动力性能,悬点载荷波动幅度降低,曲柄轴最大扭矩与扭矩波动幅度显著下降,电动机输出功率幅值与波动幅度显著下降,降低了系统输入功率,有功节电率为25.8%。     

曲柄导杆式六杆机构抽油机设计计算

普通异步电动机的输出转矩基本恒定不变,而抽油机曲柄轴净转矩确是交变载荷,两者的载荷特性无法达到"和谐"的匹配,直接导致抽油机运行效率低下、能耗增高。利用游梁结构和导杆机构设计的曲柄导杆式六杆机构抽油机,实现了曲柄轴净转矩曲线呈小波动形态变化,大大提高了电动机的负荷率和电动机功率利用率,实现了抽油机节能降耗。根据设计方案,建立了导杆式六杆机构抽油机在复合平衡方式下的运动和动力学模型,并以Matlab优化工具箱为平台,对设计方案进行全参数优化设计,以实际载荷工况对导杆式六杆机构抽油机节能效果进行了对比分析。     

曲柄轴净扭矩趋近直线形态的抽油机传动机构研究

普通电动机输出扭矩基本恒定,而抽油机曲柄轴净扭矩是交变载荷,两者的载荷特性无法达到"柔性"匹配,导致抽油机运行效率低下、能耗增高。利用游梁结构和导杆机构设计的游梁式六杆机构,实现了曲柄轴净扭矩曲线趋近于直线形态,提高了电动机的功率利用率,实现了抽油机节能降耗。根据设计方案,建立游梁式六杆机构运动和动力学模型,分析影响曲柄轴净扭矩曲线形态的主要因素,并以MATLAB优化工具箱为平台,对设计方案进行全参数优化设计,以实际载荷工况对游梁式六杆机构抽油机节能效果进行对比分析。     

立式节能抽油机的智能控制系统

为解决我国游梁式抽油机成本高、耗电量大,效率低、调整困难等问题,对比分析了智能控制立式抽油机的优点,将立式抽油机代替游梁式抽油机应用到实际中去。开展了针对立式抽油机的高效率可靠性分析,提出了利用西门子PLC和Micromaster变频器来实现具有自适应变频调速和自动进行故障诊断智能控制系统的方法,该控制系统通过选用西门子PLC作为核心控制器去控制变频器,通过改变电动机的运转频率,实时计算了抽油机应该运行的速度,通过计算上、下冲程的时间,来控制变频器的输出电源的频率和电压。实现了电动机的无级调速控制,并做到了运行转矩的适配。研究结果表明,该节能立式抽油机的智能控制系统具有结构简单、无故障运行寿命长并提供远程监控接口等特点。     

新型节能液压抽油机驱动系统设计

传统的石油开采设备已不能满足油田后期开采工艺需求,应用液压系统本身具有的刚度大、功率质量比大代替传统游梁式抽油机提高节能效果,为此研发了液压能量回收技术的液压抽油机。液压能量回收系统是一种新型的节能液压系统,它能够回收惯性负载的制动动能和重力势能,有着广阔的应用前景。设计新型节能液压抽油机具有势能负载的液压能量回收系统,其中利用液压马达、液压泵和蓄能器结合进行回收负载的重力势能。计算和结果分析表明,该系统具有显著的节能效果,这对实际应用有很大的指导意义。     

基于机械臂位姿变换的柔性负载伺服驱动系统控制策略

伺服驱动系统的柔性负载端转动惯量等参数随柔性机械臂位姿变化而变化,进而影响伺服驱动系统电动机输出端转速。为降低电动机输出端速度波动,采用极点配置的方法设计伺服驱动系统转速环PI控制器参数,该参数的选择随柔性机械臂位姿变化而变化,从而使伺服驱动系统在不同位姿下获得良好的动态响应特性,避免机械谐振发生。首先根据连续体振动理论和拉格朗日原理建立了柔性负载伺服驱动系统动力学模型,并通过状态方程求得电动机转速到柔性负载驱动转矩的传递函数。将变参数PI控制策略应用于伺服驱动系统转速环控制中,分析了柔性负载对转速环的控制特性的影响,采用极点配置的方法设计控制器参数。接下来分别采用相同幅值、相同阻尼系数、相同实部3种极点配置策略设计控制器参数。讨论了这3种极点配置策略不同参数对系统谐振峰值、谐振频率和带宽的影响。最后通过数值仿真分析表明:伺服驱动系统等效柔性负载参数与机械臂的位姿有关;柔性负载回转半径、转动惯量较大的情况,不适宜使用相同实部的极点配置方法,但其余两种方法可通过适当选择参数使电动机输出转速波动程度减小。     

液压能回收的扭矩平衡游梁式抽油机

基于液压方式能量回收的扭矩平衡游梁式抽油机是将液压能回收系统与常规游梁式抽油机相结合,将平衡原理归入功率回收来进行考虑,把游梁式抽油机抽油杆等下降的势能转化为液压能,使游梁式抽油机由单纯的机械平衡达到系统自身的功率和转矩平衡,来实现能量回收和再利用,通过模拟试验研究表明该抽油机节能效率可达到26.4％。     

抽油机节能控制柜的研制

针对抽油机功率因数低、能耗高等问题,研制了抽油机专用节能控制柜。该系统通过检测负载电流,经隔离后送入控制器,根据负载状况产生控制信号,使晶闸管按照负载变化控制导通角,实现电动机输出功率与负荷变化的跟踪,从而减少了能量的浪费,提高了系统的功率因数,具有较好的节能效果。该设备已经应用于大庆油田采油二厂32kW电动机,取得了较好的经济效益。     

游梁式摇块机构抽油机的运动及动力性能分析

抽油机载荷的波动性是造成电动机效率降低和轴功率过高的最主要原因,也直接导致了抽油机能耗过高。根据游梁结构和摇块机构,设计了新型游梁式摇块机构抽油机的传动机构,使抽油机的载荷曲线呈微小波动形态,提高了电动机效率,降低了电动机的轴功率,实现了抽油机的高效节能。建立了传动机构的运动和动力学数学模型,以MATLAB优化工具箱为平台,对传动机构进行全参数优化设计,并以实际载荷工况对抽油机的性能和节能效果进行了对比分析。     

基于模糊控制的游梁式抽油机动态平衡方法研究

游梁式抽油机是有杆采油系统的重要设备。针对游梁式抽油机曲柄扭矩峰值扰动对系统平衡及电能损耗产生负面影响,结合抽油机负载特点和运动规律,提出一种游梁动态平衡方法。该方法基于模糊控制策略以扭矩差和差值变化率作为输入,脉冲作为输出设计模糊控制器,运用MATLAB工具创建控制器语言变量、控制规则和推理方式,根据控制结构和现场对象设计实验模型和实验控制系统。基于模型拟定两种试验模式对比分析,优选模型平衡质量参数,确定电机参数变化规律。试验结果表明:动态平衡控制方法能有效控制抽油机平衡和减少电机输出功率,进一步降低系统整体能耗,为油田节能技术提供新思路,具有一定工程价值。     

游梁式抽油机节能控制技术分析

游梁式抽油机是石油开采过程中的一项重要设备。由于配件系统的功率相对较低，所以产生大量的电能损耗，主要就是由于抽油机电机在运行过程中工作效率较低和负载率所造成的。目前最常用的节能方法就是对单台抽油机进行无功补偿，以此来减少能源损耗。因此，本文针对游梁式抽油机节能控制技术进行了详细分析和研究，以此来实现游梁式抽油机的有效节能，尽可能地避免出现能源浪费的情况，有效实现可持续发展。     

并联式抽油机的计算机仿真模拟

借鉴机构创新的基本思想和并联机构理论,将常规型游梁式抽油机和异相型游梁式抽油机并联组合在一起,创立了抽油机联机配对使用方案.按此方案,一台抽油机的驴头悬点到达最低点时.另一台抽油机的驴头悬点恰好在最高点.即把其中一台抽油机的抽油杆在自重作用下下落而产生的能量通过曲柄传给另一台抽油机,以提升抽油杆和液柱.实现了能量的充分利用和正向传递,基本解决了游梁式抽油机能耗大、效率低、能量倒流等的问题.采用UG软件对创新设计的游梁式抽油机进行了计算机仿真模拟,进一步确定只有两种相同规格的游梁式抽油机组合,才能实现运动与动力的匹配,进而实现能量的正向转移和充分利用.     

一种恒功率节能多速驱动装置的应用

针对游梁式抽油机运转一段时间后出现的空抽油现象,分析了更换8极/10极电动机或改变皮带轮直径来实现低冲次抽油的弊端。以实际生产为依据,给出了一种恒功率节能多速驱动装置,与抽油机减速器配套使用,能根据井况变化进行变换挡位调速抽油,符合现代工业高效抽油的要求,在实际应用中效果良好。     

直游梁抽油机设计与应用

目前国内游梁平衡抽油机多以弯游梁形式存在,称为调径变矩型抽油机或两级平衡游梁抽油机。多数观点认为调径变矩型抽油机游梁及平衡重下偏后具有节能效果,比普通曲柄平衡的游梁式抽油机节能20%～30%。文中设计了一种直游梁抽油机,经现场实际测试获得了比弯游梁抽油机更小的峰值电流。通过理论分析、软件仿真模拟及实测抽油机运行电流等手段,研究了游梁角变化对抽油机能耗的影响。     

伺服电机驱动定量泵液压源系统的恒功率特性

在定量泵液压系统中,将变频技术与恒功率控制相结合,利用永磁同步伺服电动机、交流伺服驱动器和齿轮泵构成一种除恒功率变量泵之外的新型的恒功率液压源系统,根据负载压力的变化,通过变频调速调节电机转速,以达到调整系统输出流量的目的,最终完成恒功率控制。该液压源系统具有结构简单、成本较低等特点,并将电信号传输速度快和恒功率控制的节能等优点集于一体。实验结果表明液压源系统具有较好的恒功率特性。     

新型液压抽油机的节能设计与仿真

液压抽油机技术由于显著的节能效果而发展很快,以节能降耗为目的设计了一套液压抽油机系统。在机械结构方面,该系统采用机械配重的方法来完全平衡抽油杆的重量,使得抽油杆下降的势能储存在配重中并在上升抽油时重新利用,从而减小了系统的装机功率而节能;在液压控制方面,该系统利用了电液比例负载敏感技术,使压力和流量实时自动适应负载的需求,达到了高效节能和准确的控制。通过参数理论分析计算,表明该新型液压抽油机装机功率和在工作循环周期内消耗的功率比同类抽油机均低。在AMESim环境下建立了电液比例负载敏感系统的测试模型,并验证了该模型的正确性。在此基础上建立了整机系统的仿真模型,通过仿真和分析证明了该新型液压抽油机的节能效果。     

刮板输送机功率平衡控制策略及仿真分析

通过对刮板输送机电机转速调节以及利用电动机电流大小作为负载变化的识别信号,设计出刮板输送机的功率平衡控制策略,通过计算机尾电动机转速调节信号,控制机尾电动机的输出转矩,实现刮板输送机功率的平衡控制。经仿真模拟分析,效果显著,实现了刮板输送机电机功率的快速分配效果。     

液压调节抽油机节能研究

针对游梁式抽油机高能耗、低效率的问题,提出采用液压系统实现能量自动调节以适应负载变化,提高电机效率实现油田节能。首先介绍了液压自动调节抽油机工作原理,建立了系统数学模型。利用Amesim仿真软件搭建系统仿真模型,进行原理仿真研究。然后针对影响液压系统效率的主要参数进行研究,确定系统参数的设计方法。     

注塑机电液控制系统能量效率对比研究

在同一注塑机上,对采用异步电动机驱动定量泵、变转速异步电动机驱动定量泵、异步电动机驱动变量泵、变转速异步电动机驱动变量泵、交流伺服电动机驱动定量泵,5种电液控制方案加工同一制品的能量效率进行理论分析和试验对比。建立不同控制回路电动机和液压泵功率传输数学模型,绘制出能量特性曲线,分析对比注塑机工作在保压和冷却工况下,液压系统和电动机驱动系统功率消耗。研究结果证实,在部分负载和空载工况,异步电动机驱动定量泵系统存在大的溢流、节流损失,效率低;在此基础上引入变转速控制,包络系统所需的流量,可减少电动机功率消耗,提高系统效率,能量效率与异步电动机驱动变量泵相当;异步电动机驱动变量泵系统,可完全消除液压系统的溢流损耗,但电动机仍存在较大的空转损耗,在此基础上引入变转速控制,使电动机输出功率与液压负载相匹配,可进一步提高能量利用率26.5%;研究也表明,采用交流伺服电动机驱动的定量泵系统能量效率最高,较异步电动机驱动的定量泵系统节能88%,并且结构简单、动态性能好。