王義龍 ，趙海森，霍承祥 ，詹 陽，許國瑞 ，崔學(xué)深

（1.華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 102206；2.中國電力科學(xué)研究院，北京 100192）

0 引言

國內(nèi)外油田使用的采油設(shè)備90%以上為游梁式抽油機(jī)，此種設(shè)備運(yùn)行過程中，當(dāng)抽油機(jī)上行帶動抽油桿實現(xiàn)對井下液體抽取時，電機(jī)需要輸出較大力矩，此時電機(jī)通常運(yùn)行在重載工況，而當(dāng)抽油桿及液柱回落下行時，依靠自生重力很容易克服系統(tǒng)摩擦，并可拖動電機(jī)超過同步轉(zhuǎn)速進(jìn)入發(fā)電工況［1］。因此，游梁式抽油機(jī)電動機(jī)最顯著的特點是，在一個運(yùn)行周期內(nèi)同時存在電動、發(fā)電2種工況。針對抽油機(jī)負(fù)載的特點，已有大量文獻(xiàn)提出多種節(jié)能技術(shù)。這些節(jié)能技術(shù)從節(jié)能機(jī)理及實現(xiàn)方式可分為以下3類：①通過改變抽油機(jī)運(yùn)行參數(shù)或運(yùn)行方式實現(xiàn)節(jié)能目的［2-4］，包括雙速電機(jī)、變頻調(diào)速、間抽，這些技術(shù)主要應(yīng)用于產(chǎn)量較低的油井；②通過改造抽油機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)降低摩擦來實現(xiàn)節(jié)能［5］，包括直線電機(jī)、螺桿泵、雙驢頭抽油機(jī)；③在調(diào)整抽油機(jī)運(yùn)行參數(shù)或運(yùn)行方式的同時實現(xiàn)節(jié)能［1，6-9］，包括斷續(xù)供電、調(diào)壓節(jié)能、星角轉(zhuǎn)換、電容補(bǔ)償、永磁電機(jī)。

在上述節(jié)能技術(shù)中，“斷續(xù)供電”控制技術(shù)不受載荷大小、產(chǎn)液量等因素限制，具有較好的應(yīng)用前景。該技術(shù)的基本原理是抽油機(jī)下行過程中，在電機(jī)不需要輸出功率時切斷電源，抽油機(jī)利用勢能及慣性繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，此時電機(jī)及供電線路電流為0；當(dāng)電機(jī)進(jìn)入電動工況時通過“快速軟投入”方法實現(xiàn)無沖擊的電源投入［10］。在該項技術(shù)中主要包含斷電時刻判定、接通電源時的無沖擊控制兩方面的核心技術(shù)。針對上述核心問題的研究，文獻(xiàn)［10］主要闡述了抽油機(jī)電動機(jī)系統(tǒng)“斷續(xù)供電”節(jié)能控制原理及實現(xiàn)方法；文獻(xiàn)［11-12］通過數(shù)學(xué)解析方法研究了電源投入暫態(tài)過程，揭示了斷電后再次通電時的沖擊電流與觸發(fā)角度之間的關(guān)系。上述技術(shù)中，關(guān)于斷電時刻判定盡管已有相關(guān)文獻(xiàn)提出了相應(yīng)的判定方法，但其分析的前提是較為理想的負(fù)荷曲線，沒有考慮油田負(fù)荷的復(fù)雜性、波動性的影響，在工程實現(xiàn)上有一定的局限性。

本文結(jié)合大量現(xiàn)場實測曲線，充分考慮了抽油機(jī)負(fù)荷波動性及復(fù)雜動態(tài)變化的特點，在很難對抽油機(jī)系統(tǒng)建立工程可實現(xiàn)的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型前提下，提出基于模糊控制的斷電時刻判定方法及相應(yīng)控制策略。在控制過程中，首先對負(fù)荷曲線變化特點、周期、電動下降區(qū)域、電動上升區(qū)域和發(fā)電工況持續(xù)時間等參數(shù)進(jìn)行自動辨識并記錄一個完整周期的功率曲線；然后根據(jù)辨識結(jié)果選擇最合理的“斷續(xù)供電”控制方案，并進(jìn)一步設(shè)計了以斷電后轉(zhuǎn)速變化值為輸入變量、功率累加值為輸出變量，以三角函數(shù)為基礎(chǔ)結(jié)合專家經(jīng)驗修正變量隸屬函數(shù)獲得模糊控制狀態(tài)表，完成模糊控制器的設(shè)計后，將其輸出變量與實時辨識功率累加值進(jìn)行比較獲得斷電時刻校正參數(shù)，實現(xiàn)斷電時刻準(zhǔn)確判定。結(jié)合上述控制方法，以具有內(nèi)部乘法器的32位MB91F467DA單片機(jī)作為數(shù)據(jù)計算和管理單元，研發(fā)了相應(yīng)的節(jié)能控制器并用于大慶、勝利等多個油田的實際生產(chǎn)中。

1 游梁式抽油機(jī)電動機(jī)“斷續(xù)供電”節(jié)能理論

抽油機(jī)電動機(jī)負(fù)荷最為顯著的特點是，一個運(yùn)行周期內(nèi)通常都存在不同程度的發(fā)電工況［1］，由文獻(xiàn)［5］可知，發(fā)電工況下電動機(jī)損耗及無功消耗會增加且存在較大線路損耗，而返回電網(wǎng)的電能在一定程度上會對電網(wǎng)電能質(zhì)量造成污染，因此，最有效的節(jié)能方法就是電動機(jī)運(yùn)行在輕載或發(fā)電工況下切斷電源，抽油機(jī)靠自身慣性及重力勢能繼續(xù)運(yùn)行，在進(jìn)入電動工況后重新投入電源，即“斷續(xù)供電”節(jié)能技術(shù)。通過實驗驗證以及對300多口抽油井的運(yùn)行工況現(xiàn)場實測，總結(jié)出了“斷續(xù)供電”的通斷電的基本方案。為了便于描述，以下結(jié)合圖1所示的負(fù)荷示意圖對通斷電方案進(jìn)行說明。方案1：在A區(qū)斷電后減速進(jìn)入B區(qū)加速到同步速后投入電源。方案2：在B區(qū)斷電后加速進(jìn)入C區(qū)減速到同步速后投入電源。方案3：在A區(qū)斷電后電動機(jī)先減速，進(jìn)入B區(qū)加速后在C區(qū)減速到同步速投入電源。

圖1 抽油機(jī)電動機(jī)典型負(fù)荷示意圖Fig.1 Typical load curve of beam pumping motors

上述斷電方案的選擇主要由工況決定，在對負(fù)荷曲線進(jìn)行實時辨識的基礎(chǔ)上，獲得圖1所示典型運(yùn)行區(qū)域，當(dāng)發(fā)電區(qū)域能量不大時，采用方案1；而發(fā)電區(qū)域能量足夠時，可采用方案3，但如果發(fā)電區(qū)域能量過大，使得斷電后轉(zhuǎn)速高于轉(zhuǎn)速設(shè)定值，則不宜采用方案3，此時，應(yīng)采用方案2。

綜合上述分析可以看出，“斷續(xù)供電”節(jié)能技術(shù)的核心在于通電和斷電時刻選擇及控制，相關(guān)文獻(xiàn)已對通電時刻選擇及控制技術(shù)做了大量研究，本文重點研究在復(fù)雜多變的負(fù)荷條件下，如何準(zhǔn)確判定斷電時刻，以達(dá)到在不改變抽油機(jī)運(yùn)行參數(shù)的條件下獲得最佳節(jié)能效果。

2 “斷續(xù)供電”節(jié)能技術(shù)中“斷電”環(huán)節(jié)面臨的難點問題及解決途徑

2.1 抽油機(jī)負(fù)荷的多樣性及波動性

抽油機(jī)電動機(jī)負(fù)荷除了受不同開采深度的重力、摩擦力、管壓影響外，還與油管中液體成分、抽油桿彈性形變、油井供液能力等因素有關(guān)［12］。圖2為采用FLUKE43B現(xiàn)場測試的12型、額定功率37 kW的抽油機(jī)電動機(jī)在不同時間的負(fù)荷曲線，2次測量的動液面分別為400m、720m，由圖中看出由于動液面的變化，功率有明顯的波動。這說明同一臺抽油機(jī)在不同時間的負(fù)荷存在很大差異，這種復(fù)雜多樣性的特點使得很難用統(tǒng)一的斷電時刻實現(xiàn)斷電合理控制。

2.2 斷電時刻的判定方法

圖2 同一口井不同月份的實測功率曲線Fig.2 Tested load curve of same beam pumping motor in different months

通過斷電方案可以確定斷電時刻所處的大致區(qū)域，但如何準(zhǔn)確判定斷電時刻成為控制過程中的重要環(huán)節(jié)。例如在方案1中，在A區(qū)如果選擇小于電動機(jī)空載功率時斷電，抽油機(jī)重力勢能很容易克服電動機(jī)風(fēng)摩轉(zhuǎn)矩帶動電動機(jī)進(jìn)入加速過程，雖然能達(dá)到斷電不停機(jī)的要求，但節(jié)電效果不明顯，同時電動機(jī)直接加速沒有減速過程，不能恢復(fù)到同步速；為了增加節(jié)電效果，如果選取在A區(qū)的最大功率點斷電，此時動能一般不能滿足此區(qū)域的運(yùn)行負(fù)荷及勢能積累的需求，斷電后電動機(jī)會很快減速到0，系統(tǒng)不能正常運(yùn)行。因此為了提高節(jié)電效果，斷電時刻應(yīng)盡量提前，但要保證斷電后電動機(jī)轉(zhuǎn)速變化在允許范圍內(nèi)。這就要求在每個運(yùn)行周期，都需要根據(jù)實時負(fù)荷情況準(zhǔn)確判定斷電時刻，以便達(dá)到最優(yōu)節(jié)能效果。

受抽油機(jī)負(fù)荷復(fù)雜多變的影響，目前很難實現(xiàn)用數(shù)學(xué)解析的方法準(zhǔn)確判定斷電時刻，如果采用固定時刻斷電的方法，又存在一定的局限性。因此，文中提出采用模糊控制方法來實現(xiàn)斷電時刻的判定，不但避免建立復(fù)雜系統(tǒng)模型，同時模糊控制本身的反饋特性對電動機(jī)負(fù)荷的波動有著很好的適應(yīng)性。

3 模糊控制器的設(shè)計

3.1 斷電模糊控制器的設(shè)計

模糊控制的基本原理是利用專家經(jīng)驗對復(fù)雜系統(tǒng)建立模型，形成工程可實現(xiàn)的有效控制方案，由于自身的優(yōu)點使其在抽油機(jī)控制以及其他領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用［13-14］。本文中模糊控制器采用雙輸入單輸出的二維模糊控制方法，基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖中R為初始值或上次循環(huán)值，該控制器以電動機(jī)斷電后電機(jī)轉(zhuǎn)速最值誤差e以及轉(zhuǎn)速誤差變化率Δe作為控制器的輸入，以斷電時刻電動機(jī)的有功累計變化量ΔS為輸出變量，其相對應(yīng)的模糊控制中變量分別為E、EC、U。第k次斷電變量e與Δe的公式如下：

圖3 模糊控制器結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of fuzzy controller

其中，n0為斷電后電動機(jī)轉(zhuǎn)速最值設(shè)定值；nk為第k次斷電過程中電動機(jī)轉(zhuǎn)速最值。

變量 e、Δe、ΔS 的基本論域分別為［-150，150］、［-6，6］、［-25，25］，相應(yīng)的模糊論域均?。?6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6］，則偏差的量化因子及比例因子為 Ke=6 ／150=1 ／25、KΔe=6 ／6=1、Ku=25 ／6。

模糊控制器輸入及輸出變量的隸屬函數(shù)均采用三角隸屬函數(shù)，同時根據(jù)專家經(jīng)驗對函數(shù)進(jìn)行部分修正，相應(yīng)控制規(guī)則如表1所示。制定誤差、誤差變化率及輸出有功累計變化量的模糊條件為“if E and ECthen U”，據(jù)此可得出模糊關(guān)系的公式如下：

其中，Aj為E的模糊集合；Bi為EC的模糊集合；Cij為 U 的模糊集合；k=i×7+j。

表1 模糊控制狀態(tài)表Table 1 Situation table of fuzzy control

通過對49個模糊關(guān)系的k的“并”運(yùn)算，可得到控制系統(tǒng)規(guī)則總的蘊(yùn)含模糊關(guān)系如下：

在得到模糊關(guān)系后，根據(jù)推理合成規(guī)則進(jìn)行模糊推理，以誤差e以及誤差變化率Δe的模糊論域元素組成的所有組合，利用變量E和EC賦值表計算出輸出語言變量U的模糊集合表達(dá)式如下：

其中，“?”表示映射運(yùn)算。

應(yīng)用最大隸屬度法對輸出的模糊集合U進(jìn)行模糊判定，獲得以輸出變量的模糊論域中元素表示的控制變化量值u，最終得到模糊控制表。利用此表即可通過檢測電機(jī)斷電后在線計算轉(zhuǎn)速誤差及誤差變化量，由Ke、KΔe確定變量論域的中相應(yīng)元素值，通過控制表在線查詢方式可得到輸出變量。

3.2 “斷續(xù)供電”模糊控制過程

a.辨識功率曲線。計算并記錄電動機(jī)一個周期以上的功率曲線f（t），并辨識出周期、電動下降區(qū)域、發(fā)電區(qū)域、電動上升區(qū)域，根據(jù)結(jié)果選擇合理斷電方案，由斷電方案確定斷電區(qū)域；根據(jù)斷電方案完成模糊控制器設(shè)定參數(shù)的選擇并進(jìn)入“斷續(xù)供電”模式。

b.完成首次斷電。以斷電區(qū)域零功率作為初始斷電時刻，并將其作為起始時刻t0，同時在所記錄的功率曲線相應(yīng)位置進(jìn)行標(biāo)記。在進(jìn)行一次完整通斷電控制過程中，首先跟蹤電動機(jī)運(yùn)行功率并確定進(jìn)入斷電區(qū)域，在斷電區(qū)域零功率時刻斷開電源，而后由文獻(xiàn)［2］中的方法檢測電動機(jī)斷電后的轉(zhuǎn)速，在轉(zhuǎn)速達(dá)到同步速或超過轉(zhuǎn)速設(shè)定保護(hù)門限時，通過“快速軟投入”方法投入電源，完成一次“斷續(xù)供電”控制。

c.模糊控制方法判定斷電時刻。在進(jìn)行第k（k>1）次“斷續(xù)供電”控制時，由k-1次斷電過程檢測到的轉(zhuǎn)速最值計算出e、Δe，模糊化后由控制查詢表得出輸出控制量值u，再通過比例因子計算出功率累計變化量ΔS。以標(biāo)記的tk-1為起點，對辨識記錄的功率值f（tk-1）點進(jìn)行功率累加得到累加值 ΔSk，公式如下：

由于功率曲線f（t）為離散點，因此無法找到與ΔS完全相等的 ΔSk，因此，采用與 ΔS誤差最小的值作為此次計算最終累加值。當(dāng)累加值確定后，由式（6）可知所需的離散功率值的個數(shù)為nk，由于離散功率值之間為等間隔Δt0，由此可計算出此次累加值所需要的時間間隔Δtk，計算公式如下：

根據(jù)計算得到的Δtk，與上次斷電時刻tk-1相加得到本次斷電時刻，公式如下：

ΔS為正功率則向左累加，時間變化量Δt為負(fù)；ΔS為負(fù)功率則向右累加，Δt為正。在“斷續(xù)供電”的通電運(yùn)行時，繼續(xù)對功率辨識，用以修正前一周期記錄的功率曲線數(shù)據(jù)。圖4為模糊控制流程圖。

4 裝置設(shè)計

為了實現(xiàn)斷電和通電控制，設(shè)計了圖5所示主回路，圖中接觸器KM1用于電動機(jī)起動，在重載時采用角接運(yùn)行，此時KM1和KM3斷開、KM2接通；在輕載時采用星接運(yùn)行，控制KM1和KM2斷開、KM3接通。電壓互感器、電流互感器采集電氣量數(shù)據(jù)至節(jié)能控制器，控制器CPU通過動態(tài)辨識負(fù)荷曲線，控制晶閘管SCR實現(xiàn)電源通、斷控制?？刂破魇且?2位MB91F467DA單片機(jī)作為MCU單元進(jìn)行數(shù)據(jù)計算和管理。

5 現(xiàn)場應(yīng)用效果

為了更加清晰地說明斷電時刻選擇與轉(zhuǎn)速變化等問題，通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備對斷電過程數(shù)據(jù)進(jìn)行采集計算。圖6（a）為華北油田某臺抽油機(jī)22 kW電動機(jī)現(xiàn)場實測的斷續(xù)供電節(jié)能控制過程功率曲線圖，該油井運(yùn)行周期約為17.5 s，斷電持續(xù)時間約為5.6s，采用3169測試設(shè)備實測的節(jié)能效果為16.8%；圖6（b）為斷電過程電動機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線，轉(zhuǎn)速先下降后加速，在接近同步速時投入電源，整個斷電過程中轉(zhuǎn)速變化在額定轉(zhuǎn)速的30%以內(nèi)，滿足現(xiàn)場要求。

圖4 模糊控制過程的流程圖Fig.4 Flowchart of fuzzy control process

圖5 主回路原理圖Fig.5 Principle of main circuit

圖6 22 kW電動機(jī)功率及轉(zhuǎn)速變化曲線Fig.6 Input power and speed curves of 22 kW motor

圖7（a）為大慶油田某采油廠一臺37 kW電動機(jī)現(xiàn)場實測的斷電控制功率曲線，該油井一個運(yùn)行周期約15s，采用方案3，斷電持續(xù)時間約6 s，采用 3169測試設(shè)備實測的節(jié)能效果達(dá)到21%；圖7（b）為斷電后電動機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線，轉(zhuǎn)速先下降后加速，在轉(zhuǎn)速接近同步速附近時投入電源，可看出斷電后轉(zhuǎn)速變化在額定轉(zhuǎn)速的25%以內(nèi)，滿足現(xiàn)場運(yùn)行要求。

圖7 37 kW電機(jī)功率及轉(zhuǎn)速變化曲線Fig.7 Input power and speed curves of 37 kW motor

6 結(jié)論

a.針對游梁式抽油機(jī)電動機(jī)在采用“斷續(xù)供電”節(jié)能技術(shù)中如何準(zhǔn)確判定斷電時刻的問題，提出基于模糊控制的斷電時刻判定方法及相應(yīng)控制策略，建立了以斷電后轉(zhuǎn)速變化值為輸入變量、功率累加值為輸出變量的模糊控制器，實現(xiàn)斷電時刻準(zhǔn)確判定。

b.基于該模糊控制策略研發(fā)了相應(yīng)的節(jié)能控制器并應(yīng)用于工程實際，通過長期應(yīng)用驗證了所提控制策略的有效性及穩(wěn)定性，現(xiàn)場應(yīng)用效果良好。

“斷續(xù)供電”節(jié)能技術(shù)研發(fā)過程中存在諸多理論和技術(shù)難點問題，受篇幅限制，本文重點研究了基于模糊控制的斷電時刻判定方法，對于負(fù)荷自動跟蹤、斷電后轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速辨識等問題，將在后續(xù)文章中介紹。

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