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永磁同步电动机抽油机系统智能控制技术研究

曹雪  
【摘要】:对于石油企业而言,利润最大化是其不断发展壮大的决定性因素。利润的增加一方面在于产值的提高,另一方面是生产成本的降低。油田生产节能降耗不仅是企业发展的需要也是企业响应可持续发展政策、承担社会责任的体现。如果将油井看作是一个系统,则可划分为井上抽油机部分和井下采油部分。本文分别从井上抽油机系统的高效直驱式抽油机的节能变频驱动、基于智能算法的矢量控制和井下油层供采系统供采参数匹配三方面展开抽油机井系统的节能研究。抽油机作为油田采油的核心设备,在油田生产中发挥着重大作用。但是抽油机能耗大,效率低等问题一直存在。导致这种问题的原因有很多,其中之一是为了保证抽油机有足够大的带载能力而装配功率较大的电动机。然而在多数情况下采油负荷并不高,导致电动机的平均负载率仅约为30%,即“大马拉小车”问题。这种现象普遍存在,使油田的开采过程中浪费了大量电能。为此,本文选用可以替代传统的游梁式抽油机的直驱式抽油机作为研究对象,并深入分析适用于直驱式抽油机的复式永磁同步电动机的工作原理和结构特征。直驱式抽油机的机械传动方式有别于游梁式抽油机,可有效利用复式永磁同步电动机低转速、大转矩的特性提高功率因数,实现抽油机节能。为了有效解决抽油机节能问题,对直驱式抽油机用复式永磁同步电动机的逆变驱动系统进行深入研究,以提高逆变器直流侧电压利用率为原则,选用空间矢量脉宽调制技术。利用空间矢量脉宽调制技术实现三相三电平逆变功能,减少逆变的谐波含量。同时,为了克服已有三电平SVPWM调制策略缺乏对分压电容中点电位动态平衡实现有效的控制这一弊端,进一步研究了可以利用虚拟矢量的虚拟空间矢量脉宽调制技术。但是该技术并不能在所有的扇区内都能实现中点电位的平衡调节,因此特提出可调动态虚拟中矢量方法,利用正、负小矢量对中矢量重构,赋予虚拟中矢量动态性,实现全空间内的中点电位平衡,同时有效地解决了 SVPWM调制方法引起中点电压低频振荡问题。电动机运行的平稳性对抽油机能耗至关重要,本文在建立复式永磁同步电动机数学模型的基础上,引入量子细菌觅食智能控制算法,实现复式永磁同步电动机最大转矩电流比控制。针对量子觅食算法融合过程中细菌个体位置的不确定性,采用蒙特卡洛随机采样实现各细菌个体位置的更新;为提高量子细菌觅食算法多样性和收敛精度,在算法中引入动态逼近的思想,通过有效扩展细菌个体的寻优范围,增加最优解的搜索可能性,提高收敛精度。并用细菌觅食算法、量子细菌觅食算法、动态逼近量子细菌觅食算法分别对Griewank等四种测试函数进行测试,并从收敛性和多样性对三种算法进行评价测试,结果表明动态逼近量子细菌觅食算法在加入动态逼近策略后明显使算法的收敛速度和收敛精度得到改善,其优势在多峰高维数测试函数中更加明显。应用该算法的电机变频控制系统具有良好的动态响应和稳态精度。并对该系统进行现场实测,实测结果说明该方法可有效抑制转矩脉动、降低抽油机能耗。抽油机用复式永磁同步电动机在出厂前以及使用年限长的抽油机用电动机的性能检测抽油机是维护以及耗能的主要部分。现有的能量回馈式负载单元由变频器和电动机组成,由于被试电机与负载电机之间的存在机械连接,将在很大程度上影响加载精度。本文建立该负载单元的抽象简化模型,结合分层调整学习速率的改进BP神经网络PID控制器所形成的加载闭环控制系统不再受内部参数变化的影响,具有更高的加载精度,在实际测试过程中展现出显著的节电效果。抽油机电动机的有效控制可以降低电气能耗,抽油机节能的另一个出发点在于原油开采过程的节能降耗。抽油机井下油层环境的变化对抽油机井系统的能耗与采油效率具有重要影响。通过建立抽油机井下系统抽油杆动力学建模和含气井抽油泵动态模型,分析油层供油能力与供采参数不匹配从而引起采油效率降低,能耗增加问题。针对该现象提出基于泵端载荷的泵充满程度预测方法,使泵充满度稳定在理想区间。并以泵充满度为限定条件提出变冲次调节策略,使冲次在较高的泵充满程度时自动减小冲次,有效提高油井系统效率。选取大庆油田部分油井进行现场实测,验证该方法对抽油机井节能的有效性。


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