游梁式抽油机混合动力节能系统参数优化及最简控制模型建立

发布时间：2020-04-09 18:38

【摘要】：随着世界科技的发展,人们对石油能源的需求只增不减。目前大多数需要人工举升的油井均依靠有杆式类别的游梁式抽油机进行采油。游梁式抽油机具有结构简单、运行稳定等优点,但它采油所消耗的电能占油田总电能消耗的40%以上。造成耗能严重的原因是波动率较大的负载增加了电动机选型的装机功率,导致电机具有较低的负载率与效率。据统计,抽油机电动机在一个完整工作周期内的平均功率因数仅为0.448,效率不到50%。因此,游梁式抽油机的低负载率与耗能严重问题亟待解决。通过对国内外大量文献进行阅读与分析,目前针对游梁式抽油机的节能手段主要有改进抽油机的结构、采用节能驱动设备与采用节能控制器,其中,由于我国油田大多数采用的均为游梁式抽油机,将抽油机结构进行调整不易于国内大范围的普及,适用性较弱;采用节能驱动设备与节能控制器固然可以起到一定的节能效果,但对负载率的平衡效果有限,未完全发掘节能潜力,且无法有效抑制倒发电现象。基于以上分析,本文设计了基于液压混合动力的游梁式抽油机辅助节能系统,该系统不仅可以对全国大范围的游梁式抽油机进行节能使用推广,而且可以有效回收驴头势能,改善系统负载率及效率,实现大幅节能。本文的研究内容如下:首先分析了游梁式抽油机的基本结构与工作原理,推导了抽油机结构的几何关系并得到驴头悬点的运动规律,通过对悬点所受静载荷与动载荷进行分析与求解,绘制示功图;继而对抽油机传动机构进行受力分析,求解曲柄轴的扭矩变化规律。选取某型号抽油机作为研究对象,于Pro/E中进行结构建模,并导入Adams软件中进行运动学与动力学仿真,得到游梁式抽油机悬点运动规律与曲柄轴扭矩变化规律曲线,为后文的建模与仿真奠定基础。为了保证节能系统具有较强的适用性,对液压节能系统采用并联式混合动力结构。液压混合动力节能系统可以收集驴头下冲程释放的势能,并将其在上冲程时进行释放,缓解了电动机轴的等效负载波动率较大的情况。对液压节能系统的核心元件进行建模;以电机能耗最低为目标函数,根据变量初始值与变化范围,采用模拟退火算法对混合动力节能系统关键元件进行参数匹配,得到参数优化结果。根据所述液压系统节能原理与关键元件的数学模型,在AMESim中进行模型建立;采用Adams与AMESim联合仿真方法实现负载模拟计算。通过分析仿真结果证实液压节能系统的参数匹配与优化效果良好,节能效果显著,有效降低了电机轴负载的等效扭矩与电机的装机功率,大幅提升电机效率,节省了近25%的电能。为了简化控制系统输入参数,提高系统可靠性及降低工程信号采集成本,建立最简控制模型。基于电机能量流的数学模型,采用遗传算法对模型参数进行优化辨识,并通过Simulink进行理论模型搭建,结合实验数据对比验证最简控制模型可行性。最简控制模型可以把MISO系统简化为SISO系统,提高控制器响应速度,降低系统故障发生率,具有极大工程实践意义。
【图文】：

采油方式,比例,抽油机

目前的石油汲取主要来自陆上油田，我国共有约 70000 多口陆上采油井去其中少量的自喷井外，大多数人工举升油井均通过抽油机进行机械手段。因此，采油方式主要有两种：一是自喷井的自喷采油，其汲取原理是通然力量将原油进行举升；二是人工举升采油，由于大多数油井的油液无法自然能量完成自喷，所以需要人工施加能量将这些石油进行汲取。目前需用人工举升采油的油井占总油井数目的 90%，而在这些油井中，有 90%的采用了抽油机等配套设备进行原油采集。抽油机分为有杆式和无杆式两大类中有杆式抽油机占抽油机总数的 85%以上。有杆式抽油机可以根据是否具梁的结构特征再进一步细分，无游梁式抽油机具有较多不易解决的技术缺成本高、制造难度大、部分零件使用寿命短等，反之，游梁式抽油机因其简单、运行稳定、可靠性能较好等优点占据主要有杆式抽油机份额。详细油方式比例如图 1.1 所示。

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吉林大学硕士学位论文梁式抽油机实物如图 1.2 所示，其驱动原理是通过电动机带动减构，从而将旋转运动变为直线运行。在运动的转变过程中，能量传动连接，具有一定的能量传递消耗，，但该消耗的部分占总消耗抽油机大部分的电能损失主要由电动机的轻载运行所导致，驴头曲柄轴上的等效扭矩平均值约为最大值的三分之一左右，波动率致抽油机的工作负载特性曲线与电动机的特性无法合理匹配。目式抽油机均采用普通三相异步电机，为保证电机提供足够转矩，净扭矩峰值选型，导致电动机的装机功率选择过高，电机长时间状态，效率较低，加剧能耗。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TE319;TE933.1

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