Research of Pumping Efficiency Control Based on the Tower Mounted Pumping Unit of Flow

王泰華　崔志偉　陳致富(河南理工大學電氣工程與自動化學院，河南焦作　454000)

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基于流量的塔架式抽油機泵效控制研究

第一作者王泰華(1976－)，男，2003年畢業(yè)于焦作工學院控制理論與控制工程專業(yè)，獲碩士學位，副教授;主要從事工業(yè)過程控制及工礦自動化方面的研究。

0　引言

石油行業(yè)是我國的基礎工業(yè)，同時也是高耗能行業(yè)，做好節(jié)能至關重要。隨著石油的不斷開采，地層供液能力逐漸下降。近年來，我國石油機械得到了快速發(fā)展，出現(xiàn)了許多高效節(jié)能的智能型抽油機，如本文所討論的開關磁阻電機型塔架式抽油機。與游梁式抽油機相比，該抽油機具有長沖程、低沖次、高效能和低維護等優(yōu)點。但其沖次的調節(jié)主要依靠人工，不能根據(jù)工況的變化自動調節(jié)，導致該抽油機不能穩(wěn)定工作在最佳泵效區(qū)間，使得整機系統(tǒng)效率較低、電能浪費較大［1－4］。

本研究提出利用流量計法來計算該型抽油機的泵效，并通過調節(jié)使抽油機在最佳泵效下工作。根據(jù)輸入值，自適應神經(jīng)PID控制器自動調節(jié)開關磁阻電機型塔架式抽油機的沖次，使抽油機一直工作在設定的最佳泵效下，避免因抽汲參數(shù)不當造成的能源浪費，以達到降低能耗、提高系統(tǒng)效率的目的。

1　提高泵效的措施

1.1泵效計算

抽油機泵效是指油井的產(chǎn)液量與理論產(chǎn)液量的比值，計算公式如下:

式中:η為泵效; Q液為實際排液量，m3/d; Q理為理論排液量，m3/d; D為泵筒直徑，m; d為光桿直徑，m; S為抽油機的沖程，m; N為光桿的直徑，m。通過該計算方法，我們可以計算出抽油機的實際泵效。設定泵效與實際泵效的差值作為該研究的輸入值。

1.2提高泵效的措施

在油田開發(fā)中，影響泵效的因素有很多，如地層的供液能力、有效沖程、石油的含水率和含氣率、抽油泵和地上部分的采油工藝(抽油機)等。因此，為避免其他方面因素的影響，在該研究開始之前，需從地層和地上采油工藝兩方面著手，選擇合理的抽油設備。

①根據(jù)地下工況，選擇合理的抽油泵，以避免因泵的選擇不當影響該方案的研究結果。

②地上采油工藝方面。

目前，我國的油井絕大部分是深抽井，光桿承受的載荷較大，拉伸較為嚴重，導致了極大的沖程損失。該研究針對深抽井，利用河南長江石油機械有限公司生產(chǎn)的開關磁阻電機型塔架式長沖程抽油機(沖程1.5～9 m)進行開采，增大深抽井的沖程，減小深抽井的沖程損失。

選擇合適的設備后，該研究擬利用流量參數(shù)及反饋回的沖程和沖次來計算泵效;同時，設定泵效與計算泵效的差值作為輸入值，通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡優(yōu)化PID控制器調節(jié)抽油機的沖次，使其工作在設定的最佳泵效下。

具體設計方案如下:①根據(jù)地層的藏油情況(除高含氣的油井外)，選擇精確度較高的油田專用液體流量計;②利用此流量計，每半小時測量一次液體的流量，并通過計算算出實際泵效與設定泵效的差值，根據(jù)差值自適應神經(jīng)PID控制器自動調節(jié)開關磁阻電機型塔架式抽油機的沖次，保證抽油機在較高泵效下工作;③當?shù)貙拥墓┮耗芰τ邢?，流量低于某一值且通過自適應神經(jīng)PID調整達不到要求最低值時，報警器報警，通知工作人員抽油機停機，避免出現(xiàn)空抽現(xiàn)象。

通過該設計方案，我們可以確保抽油機一直在最佳泵效下工作，以避免大馬拉小車的現(xiàn)象，最終達到節(jié)能降耗的目的［5－7］。

2　控制器設計

BP神經(jīng)網(wǎng)絡優(yōu)化PID控制器是將BP神經(jīng)網(wǎng)絡與數(shù)字PID控制相結合而設計的，這種方法很大程度上改善了數(shù)字PID的控制效果。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡優(yōu)化PID控制器能根據(jù)復雜的環(huán)境變化自動調節(jié)塔架式抽油機的沖次，使其具有較強的穩(wěn)定性和魯棒性，以更好地適應周圍環(huán)境的需求。通過分析抽油機的工作環(huán)境，本文采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡優(yōu)化控制器來調節(jié)抽油機的沖次，使開關磁阻電機型塔架式抽油機一直工作在最佳泵效下，以達到保護采油設備和節(jié)能降耗的目的。

2.1泵效調節(jié)原理

在各項設備選擇和采油系統(tǒng)組裝完畢后，我們先進行前期試驗，以確定該工況下的最佳泵效。

①根據(jù)預測和實際工況調整抽油機的沖次，尋找出抽油機在此工況下的最佳工作方式，使抽油機具有較高的泵效和系統(tǒng)效率。

②在保證沖程不變的情況下，BP神經(jīng)網(wǎng)絡優(yōu)化PID控制器根據(jù)設定的最佳泵效和測得的實際泵效的差值，自動調整抽油機的沖次，使開關磁阻電機型塔架式抽油機一直在設定的最佳泵效附近工作，避免因抽汲參數(shù)不當導致空抽和不必要的能源浪費，大大提高抽油機的系統(tǒng)效率。

利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡優(yōu)化PID控制的泵效調節(jié)原理結構框圖如圖1所示。

圖1　泵效調節(jié)結構圖Fig.1　The efficiency of pump adjustment

2.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡優(yōu)化PID控制

BP神經(jīng)網(wǎng)絡是誤差反向傳播算法的自主學習過程，由信號的正向傳播和誤差的反向傳播兩個過程組成。它具有較強的自學習和自組織能力，能根據(jù)工業(yè)控制的需要自動調整自身的權值和閾值，以適應當前控制的要求，其反應速度快、靈敏度高，優(yōu)化傳統(tǒng)PID的控制效果較好［8－10］。

通過分析對象的映射關系復雜度，本文擬利用3層自適應BP神經(jīng)網(wǎng)絡來快速調整PID的3個參數(shù)，以滿足控制的要求。設計的3層網(wǎng)絡有兩個輸入(誤差、誤差變化率)作為輸入層的兩個元素和3個輸出(Kp、Ki、Kd)作為輸出層的3個元素。通過網(wǎng)絡設計公式和仿真比較，最終確定出設計隱含層為5個節(jié)點時收斂速度快，調節(jié)效果好。因此，所設計出的3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡結構如圖2所示。

圖2　BP神經(jīng)網(wǎng)絡結構圖Fig.2 The structure of BP neural network

根據(jù)抽油機運行時設定的最佳泵效與實際泵效的差值，BP神經(jīng)網(wǎng)絡快速優(yōu)化PID的3個參數(shù)Kp、Ki和Kd，使其能快速滿足系統(tǒng)需求的最優(yōu)值。通過最優(yōu)值，控制器快速調整抽油機的實際泵效，以使抽油機在最佳泵效下工作［11－14］。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡優(yōu)化PID的3個參數(shù)的同時，不斷調整更新自身網(wǎng)絡的權值和閾值，使其自身網(wǎng)絡達到適應開關磁阻電機型塔架式抽油機系統(tǒng)需要的最優(yōu)網(wǎng)絡。本文選擇的BP神經(jīng)網(wǎng)絡隱含層和輸出層的傳遞函數(shù)如式(3)和式(4)所示。

判斷網(wǎng)絡的性能指標函數(shù)如式(5)所示:

式中: yd為設定標準值; yk為實際輸出值; error(k)為性能指表要求值。

通過神經(jīng)網(wǎng)絡的期望輸出和實際輸出值，系統(tǒng)計算出誤差函數(shù)對輸出層各神經(jīng)元的偏導數(shù)δ0(k)。采用δ0(k)和隱含層各神經(jīng)元的輸出hoh(k)修正連接權值who(k)，修正公式如下:

利用網(wǎng)絡的隱含層到輸出層的連接權值、輸出層神經(jīng)元的偏導數(shù)δ0(k)和隱含層輸出，計算誤差函數(shù)對隱含層各神經(jīng)元的偏導數(shù)δh(k)，并通過δh(k)和輸入層各神經(jīng)元的輸入xi(k)修正連接權值wih(k)。修正公式如下:

3　基于泵效的Matlab仿真及分析

由于整個油井工況環(huán)境復雜，因此很難建立精確的液體流量控制系統(tǒng)數(shù)學模型。本文在忽略一些次要因素的情況下，建立了流量控制系統(tǒng)的數(shù)學模型。該數(shù)學模型公式如式(10)所示，通過對此模型進行仿真，驗證了本研究方案的可行性。

本文利用Matlab中的M文件建立以自適應神經(jīng)PID為控制器的仿真程序，并進行Matlab仿真，仿真結果如圖3～圖5所示。

通過分析仿真圖圖3～圖5可知，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡優(yōu)化PID的響應速度快，調節(jié)效果好，并且系統(tǒng)的穩(wěn)定性好。這說明了利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡優(yōu)化PID來保證一定流量方案的可行性。

圖3　PID參數(shù)調節(jié)圖Fig.3 PID parameter adjustment

圖4　流量調節(jié)圖Fig.4 Flow adjustment

圖5　流量誤差曲線圖Fig.5　The flow error curve

為驗證利用流量參數(shù)保證抽油機工作在最佳泵效下的可行性，設抽油機工作時抽油泵的沖程不變，僅通過改變塔架式抽油機的沖次來調節(jié)泵效。通過分析可知，開關磁阻電機型塔架式抽油機在工作過程中自動計算出的沖次可視為一階慣性環(huán)節(jié)，所以利用流量參數(shù)計算泵效的數(shù)學模型可以用傳遞函數(shù)表示，如式(11)所示。

Matlab仿真結果如圖6、圖7所示。

圖7　PID調整曲線圖Fig.7 PID adjustment curves

從仿真圖分析知，利用自適應神經(jīng)PID的調節(jié)抽油機的泵效速度較快、效果較好，證明了研究方案的可行性。

4　結束語

在地層和地上采油工藝等硬件設備選擇理想的情況下，本文通過建立數(shù)學模型，提出利用流量參數(shù)計算泵效并保證一定泵效的方案。在保證沖程不變的情況下，根據(jù)設定泵效與實際泵效的差值，BP神經(jīng)網(wǎng)絡優(yōu)化PID控制器快速調整開關磁阻電機型塔架式抽油機的沖次，以保證該抽油機一直在最佳泵效下工作，最終達到節(jié)能降耗的目的。通過Matlab仿真可知，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡優(yōu)化PID控制器調節(jié)速度快、調節(jié)效果好，很好地說明了該研究方案的可行性和可靠性。

該研究課題雖針對塔架式抽油機現(xiàn)有的不足提出了一種新型方案，但該研究僅為試探性研究，具有一定的局限性:①模型建立時忽略了一些次要因素;②無應用實例研究。希望在今后的研究中能建立全面的模擬實驗方案來驗證該課題的可行性。選擇更多不同的現(xiàn)場油井進行試驗性研究，通過現(xiàn)場試驗來證明方案的可行性和可靠性，使該研究具有更強的應用前景，對油田的節(jié)能降耗起到推動作用。

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Research of Pumping Efficiency Control Based on the Tower Mounted Pumping Unit of Flow

王泰華崔志偉陳致富
(河南理工大學電氣工程與自動化學院，河南焦作454000)

摘要:針對因抽汲參數(shù)不合理導致泵效低的問題，提出利用流量計法調節(jié)沖次的方法，以提高泵效。根據(jù)設定泵效與實際泵效的差值，BP神經(jīng)網(wǎng)絡優(yōu)化PID控制器自動調節(jié)開關磁阻電機型塔架式抽油機的沖次，使抽油機總是在設定的最佳泵效下工作，從而提高系統(tǒng)的效率。通過Matlab仿真分析，證明了利用流量參數(shù)調節(jié)抽油機的沖次來保證抽油機在最佳泵效下工作的可行性。塔架式抽油機解決了目前游梁式抽油機難以實現(xiàn)的長沖程、低沖次的難題，大大提高了抽油機的泵效和系統(tǒng)效率。

關鍵詞:泵效流量塔架式抽油機自適應神經(jīng)PID沖程

Abstract:The tower type pumping unit solved the difficulty for achieving long stroke and low stroke frequency by the beam pumping unit and greatly improved the pumping efficiency and system efficiency.Aiming at the problem of low pumping efficiency caused by unreasonable swabbing parameters，the method of adjusting the stroke frequency by adopting flow meter is proposed to improve the pumping efficiency.In accordance with the difference between the setting pump efficiency and the actual pump efficiency，the PID controller is optimized with BP neural network to automatically adjust the stroke frequency of the reluctance motor of tower type pumping unit，make the pumping unit always running at the optimal pumping efficiency，thus the system efficiency is increased.The Matlab simulation proves the feasibility of using flow parameters to adjust the stroke frequency and ensure the pumping unit running under optimal pumping efficiency.

Keywords:Pumping efficiency FlowThe tower mounted pumping unit Adaptive neural PIDStroke

中圖分類號:TH71; TP29

文獻標志碼:A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000－0380.201603019

修改稿收到日期:2015－07－10。