数字化抽油机节能控制系统的研究

【摘要】：作为产能大户，油田在保证能源供给的同时也消耗了大量的电能，这其中仅抽油机消耗的电能就超过了油田总耗电量的40%，是典型的“以能耗换能源”的粗犷生产方式。随着国家“节能减排”举措的推进，如何降低占据油田大半江山的游梁式抽油机的能耗，便成为了当前各大油田亟待解决的问题，针对游梁式抽油机节能控制系统的研究也逐渐成为了当今最热门的研究领域之一。 造成游梁式抽油机能耗过高的主要原因是：采油初期井下供液充足，抽油机主电机的装机功率较大。随着开采时间的延续，各大油田逐渐进入石油开采的中后期，井下供液逐渐不足，泵效逐渐降低，“半抽”和“空抽”现象严重，加之平衡度调节不合理，使机、井参数失配，造成“大马拉小车”的现象。 针对游梁式抽油机存在的“半抽”和“空抽”现象，本文根据抽油机地面示功图面积分析和制定冲次自动调节策略和智能间抽控制策略。针对目前采用电流法判断抽油机平衡度时，不能识别抽油机主电机在下冲程时出现的短暂发电状态从而造成平衡度误判的情况，本文采用功率法判断和调节抽油机的平衡度，提高了抽油机平衡度判断的准确度。通过采取以上措施和控制策略，本课题实现了有杆泵抽油系统机、井参数的动态匹配，大幅降低了抽油机的能耗。 由于地面示功图在反映井下工况方面的不足，本文给出了由地面示功图导出泵功图的具体方法，为功图量油技术和基于泵功图的抽油机故障诊断技术提供了理论依据。为了增强对油田作业的实际指导意义，本文还具体分析了能够反映抽油机工况的19种典型示功图的特征。 本课题在具体实施过程中，首先按照设计目标对系统软、硬件按功能进行了模块划分，然后对各个模块进行详细设计和设备选型，最终研制成功了数字化智能抽油机变频控制柜样机，完成了示功图数据采集、冲次自动调节、智能间抽控制、功率法平衡度自动调节以及由地面示功图导出泵功图等算法的设计及C语言实现，并配合小组其它成员完成了远程测控终端（RTU）的设计。 在本课题最后，配合长庆油田第七采油厂在长庆油田数字化管理示范区对该节能控制系统进行了调试和试验，证明了本课题设计和实施的可行性，获得了抽油机冲次、间抽时长、平衡度、功率因数、吨油耗电量和单井有功节电率等重要生产数据。通过对试验数据的详细分析，展示了该系统在稳产前提下优良的节能效果，取得了对生产具有指导意义的结论。 【关键词】：抽油机 节能 示功图 冲次 间抽 平衡度
【学位授予单位】：西安工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TE933.1;TP273
【目录】：

• 摘要2-3
• ABSTRACT3-8
• 1 绪论8-14
• 1.1 课题研究的背景8
• 1.2 课题研究的目的及意义8-10
• 1.3 抽油机节能技术的国内外研究现状10-12
• 1.4 本文所完成的主要工作12-14
• 2 数字化抽油机节能控制系统方案设计14-24
• 2.1 有杆泵抽油系统14-19
• 2.1.1 抽油机15-16
• 2.1.2 抽油泵16-18
• 2.1.3 抽油杆18-19
• 2.2 常规游梁式抽油机的四连杆结构19
• 2.3 系统总体设计19-23
• 2.4 本章小结23-24
• 3 系统硬件设计24-38
• 3.1 控制柜功能需求24
• 3.2 控制柜主要设备选型24-28
• 3.2.1 载荷传感器24-25
• 3.2.2 角位移传感器25
• 3.2.3 抽油机主电机和调平衡小电机25
• 3.2.4 变频器25-26
• 3.2.5 三相电参数采集模块26-27
• 3.2.6 智能远程测控终端（RTU）27-28
• 3.3 控制柜电气设计28-33
• 3.3.1 抽油机主电机与调平衡小电机控制电路29-30
• 3.3.2 抽油机启停控制与平衡度调节电路30-31
• 3.3.3 变频器控制电路31-32
• 3.3.4 RTU 控制电路32-33
• 3.4 模拟量输入/输出通道设计33-36
• 3.4.1 模拟量输入通道的设计33-35
• 3.4.2 模拟量输出通道的设计35-36
• 3.5 本章小结36-38
• 4 系统软件设计38-58
• 4.1 MPLAB IDE 开发环境介绍38
• 4.2 系统软件结构38-39
• 4.3 示功图研究的意义39-41
• 4.4 示功图采集41-45
• 4.5 冲次自动调节45-52
• 4.5.1 游梁式抽油机发展趋势45-46
• 4.5.2 抽油机冲次自动调节46
• 4.5.3 示功图面积的计算46-47
• 4.5.4 变频器控制频率值的确定47-48
• 4.5.5 MODBUS 通信协议48-52
• 4.6 智能间抽控制52-54
• 4.7 平衡度自动调节54-57
• 4.8 本章小结57-58
• 5 示功图分析与抽油机故障诊断技术58-74
• 5.1 示功图分析58-63
• 5.2 抽油机故障诊断技术63-69
• 5.2.1 API 模拟示功图对比法诊断技术63-64
• 5.2.2 泵功图64-68
• 5.2.3 抽油机示功图的模式识别68-69
• 5.3 井场综合监控系统的计算机组态技术69-72
• 5.4 本章小结72-74
• 6 实验及分析74-84
• 6.1 系统调试75-78
• 6.2 实验内容与对比策略78
• 6.3 实验结果与对比分析78-83
• 6.3.1 抽油机冲次对比78-79
• 6.3.2 间抽制度对比79-81
• 6.3.3 抽油机平衡度对比81-82
• 6.3.4 单井有功节电率对比82-83
• 6.4 本章小结83-84
• 7 总结与展望84-86
• 7.1 本文总结84-85
• 7.2 课题展望85-86
• 参考文献86-90
• 附录90-98
• 攻读学位期间发表文章98-101
• 致谢101

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