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，此種設(shè)備運行過程中，當(dāng)抽油機上行帶動抽油桿實現(xiàn)對井下液體抽取時，電機需要輸出較大力矩，此時電機通常運行在重載工況，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，并可拖動電機超過同步轉(zhuǎn)速進入發(fā)電工況［1］。因此，游梁式抽油機電動機最顯著的特點是，在一個運行周期內(nèi)同時存在電動、發(fā)電2種工況。針對抽油機負載的特點，已有大量文獻提出多種節(jié)能技術(shù)。這些節(jié)能技術(shù)從節(jié)能機理及實現(xiàn)方式可分為以下3類：①通過改變抽油機運行參數(shù)或運行方式實現(xiàn)節(jié)能目的［2-4］，包括雙速電機、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通過改造抽油機機械結(jié)構(gòu)降低摩擦來實現(xiàn)節(jié)能［5］，包括直線電機、螺桿泵、雙驢頭抽油機；③在調(diào)整抽油機運行參數(shù)或運行方式的同時實現(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、電容補償、永磁電機。

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下行過程中，在電機不需要輸出功率時切斷電源，抽油機利用勢能及慣性繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，此時電機及供電線路電流為0；當(dāng)電機進入電動工況時通過“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［10］主要闡述了抽油機電動機系統(tǒng)“斷續(xù)供電”節(jié)能控制原理及實現(xiàn)方法；文獻［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荷曲線，沒有考慮油田負荷的復(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，充分考慮了抽油機負荷波動性及復(fù)雜動態(tài)變化的特點，在很難對抽油機系統(tǒng)建立工程可實現(xiàn)的準確數(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行比較獲得斷電時刻校正參數(shù)，實現(xiàn)斷電時刻準確判定。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 游梁式抽油機電動機“斷續(xù)供電”節(jié)能理論

抽油機電動機負荷最為顯著的特點是，一個運行周期內(nèi)通常都存在不同程度的發(fā)電工況［1］，由文獻［5］可知，發(fā)電工況下電動機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)能方法就是電動機運行在輕載或發(fā)電工況下切斷電源，抽油機靠自身慣性及重力勢能繼續(xù)運行，在進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所示的負荷示意圖對通斷電方案進行說明。方案1：在A區(qū)斷電后減速進入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)斷電后電動機先減速，進入B區(qū)加速后在C區(qū)減速到同步速投入電源。

圖1 抽油機電動機典型負荷示意圖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，在對負荷曲線進行實時辨識的基礎(chǔ)上，獲得圖1所示典型運行區(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)雜多變的負荷條件下，如何準確判定斷電時刻，以達到在不改變抽油機運行參數(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 抽油機負荷的多樣性及波動性

抽油機電動機負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的抽油機電動機在不同時間的負荷曲線，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在不同時間的負荷存在很大差異，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空載功率時斷電，抽油機重力勢能很容易克服電動機風(fēng)摩轉(zhuǎn)矩帶動電動機進入加速過程，雖然能達到斷電不停機的要求，但節(jié)電效果不明顯，同時電動機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)域的運行負荷及勢能積累的需求，斷電后電動機會很快減速到0，系統(tǒng)不能正常運行。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轉(zhuǎn)速變化在允許范圍內(nèi)。這就要求在每個運行周期，都需要根據(jù)實時負荷情況準確判定斷電時刻，以便達到最優(yōu)節(jié)能效果。

受抽油機負荷復(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負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，該控制器以電動機斷電后電機轉(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為斷電后電動機轉(zhuǎn)速最值設(shè)定值；nk為第k次斷電過程中電動機轉(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”運算，可得到控制系統(tǒng)規(guī)則總的蘊含模糊關(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的模糊集合表達式如下：

其中，“?”表示映射運算。

應(yīng)用最大隸屬度法對輸出的模糊集合U進行模糊判定，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)位置進行標記。在進行一次完整通斷電控制過程中，首先跟蹤電動機運行功率并確定進入斷電區(qū)域，在斷電區(qū)域零功率時刻斷開電源，而后由文獻［2］中的方法檢測電動機斷電后的轉(zhuǎn)速，在轉(zhuǎn)速達到同步速或超過轉(zhuǎn)速設(shè)定保護門限時，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。以標記的tk-1為起點，對辨識記錄的功率值f（tk-1）點進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；ΔS為負功率則向右累加，Δt為正。在“斷續(xù)供電”的通電運行時，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用于電動機起動，在重載時采用角接運行，此時KM1和KM3斷開、KM2接通；在輕載時采用星接運行，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單片機作為MCU單元進行數(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)進行采集計算。圖6（a）為華北油田某臺抽油機22 kW電動機現(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電動機現(xiàn)場實測的斷電控制功率曲線，該油井一個運行周期約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)能效果達到21%；圖7（b）為斷電后電動機轉(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)場運行要求。

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

6 結(jié)論

a.針對游梁式抽油機電動機在采用“斷續(xù)供電”節(jié)能技術(shù)中如何準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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