專利名稱：一種潛油螺桿泵轉(zhuǎn)速智能控制系統(tǒng)及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種潛油螺桿泵轉(zhuǎn)速智能控制系統(tǒng)及方法，尤其指一種潛油螺桿泵轉(zhuǎn)速根據(jù)不同工況呈非線性變化的潛油螺桿泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
潛油螺桿泵米油系統(tǒng)(Electrical-submersible-motor-driven progressing cavity pumping system，簡寫為ESPCP)，它是井下潛油電機(jī)直接驅(qū)動螺桿泵轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)舉升的機(jī)械采油設(shè)備。與其它人工技術(shù)比較，潛油螺桿泵采油技術(shù)由于適宜于高粘度、 高含砂量原油的開采、同比采油量能耗低、不存在桿管偏磨問題、適宜于斜井和水平井作業(yè)、機(jī)組井上部分占地面積小等特點(diǎn)，目前已在石油開采中得到日益廣泛的應(yīng)用。潛油螺桿泵采油系統(tǒng)控制涉及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、智能優(yōu)化算法、信號采集、信號處理與通訊控制等方面。在下潛深度、泵規(guī)格一定的條件下，轉(zhuǎn)速是最主要、甚至是唯一可調(diào)的參數(shù)， 因此潛油螺桿泵采油系統(tǒng)的控制優(yōu)化實(shí)質(zhì)主要為轉(zhuǎn)速的優(yōu)化。石油開采中工況比較復(fù)雜， 影響因素較多，有原油黏度、井下溫度、含砂量、含水量等，而且各個參數(shù)時時變化。如對影響因素不進(jìn)行監(jiān)控反饋并改變轉(zhuǎn)速，必將影響潛油螺桿泵的使用壽命。為解決上述問題，通常采用的策略是實(shí)施變頻調(diào)速。目前國內(nèi)有人對潛油螺桿泵采油系統(tǒng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速調(diào)控技術(shù)進(jìn)行研究，建立了由可編程控制器控制變頻器，從而調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，以達(dá)到控制螺桿泵轉(zhuǎn)速的目的。通過環(huán)空動液面測量儀和流量計(jì)采集的信號傳送至可編程控制器，可編程控制器根據(jù)控制模型改變變頻器頻率，從而控制泵的轉(zhuǎn)速；并根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況確定了優(yōu)先級控制模型，一級為軟啟動模型、二級為基于動液面的速度調(diào)控模型、三級為基于容積效率的泵轉(zhuǎn)速優(yōu)化模型。但該方法尚有缺點(diǎn)，特別是可編程控制器根據(jù)控制模型改變變頻器頻率時，該控制模型必須綜合考慮諸如油井的工況參數(shù)、螺桿泵自身物理和幾何參數(shù)、螺桿泵的機(jī)械效率和容積效率等因素對轉(zhuǎn)速的影響，僅僅考慮各個工況參數(shù)對螺桿泵轉(zhuǎn)速的影響，而沒有考慮工況參數(shù)之間的耦合關(guān)系以及其它影響因素是不全面的，并不能真正實(shí)現(xiàn)螺桿泵轉(zhuǎn)速的優(yōu)化，提高螺桿泵的使用壽命。為此，提供一種潛油螺桿泵轉(zhuǎn)速智能控制系統(tǒng)及方法，改善上述技術(shù)的缺失，能夠全面的考慮影響螺桿泵轉(zhuǎn)速的影響因素以及影響因素之間的耦合關(guān)系，顯著地提高了轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性并延長潛油螺桿泵的經(jīng)濟(jì)使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于提供一種潛油螺桿泵轉(zhuǎn)速智能控制系統(tǒng)，可以顯著地提高轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性并延長潛油螺桿泵的經(jīng)濟(jì)使用壽命；本發(fā)明的另一目的在于提供一種潛油螺桿泵轉(zhuǎn)速智能控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)螺桿泵的轉(zhuǎn)速能根據(jù)油井及泵的工況進(jìn)行實(shí)時調(diào)節(jié)，達(dá)到螺桿泵高效節(jié)能的功能。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案
一種潛油螺桿泵轉(zhuǎn)速智能控制系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)包括檢測模塊、控制器和執(zhí)行部分；其中檢測模塊由數(shù)據(jù)采集卡和傳感器組成，控制器由計(jì)算機(jī)組成，執(zhí)行部分由變頻器和電機(jī)組成；
計(jì)算機(jī)的信號輸入端連接變頻器的信號輸入端，變頻器的信號輸出端連接電機(jī)信號輸入端，電機(jī)信號輸出端分別連接傳感器信號輸入端，傳感器信號輸出端連接數(shù)據(jù)采集卡信號輸入端，數(shù)據(jù)采集卡信號輸出端連接計(jì)算機(jī)信號輸入端。所述傳感器包括溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器。所述控制器的計(jì)算機(jī)中包括軟件控制平臺和智能優(yōu)化算法模塊。一種潛油螺桿泵轉(zhuǎn)速智能控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于所述方法包括 步驟1.檢測模塊中的傳感器檢測潛油螺桿泵采油系統(tǒng)不同工況的參數(shù)及電機(jī)轉(zhuǎn)速，
然后通過數(shù)據(jù)采集卡將采集的信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出，接著執(zhí)行步驟2 ；
步驟2.判斷電機(jī)轉(zhuǎn)速是否低于目標(biāo)轉(zhuǎn)速，如果是，執(zhí)行步驟3，如果否，執(zhí)行步驟4 ； 步驟3.控制器中的計(jì)算機(jī)依據(jù)檢測模塊中各傳感器輸出的參數(shù)，將轉(zhuǎn)速傳送一控制信號至執(zhí)行部分，然后執(zhí)行步驟5 ；
步驟4.依據(jù)智能優(yōu)化算法模塊的計(jì)算結(jié)果，對不同的工況參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，并輸出優(yōu)化后的轉(zhuǎn)速控制信號至執(zhí)行部分，然后執(zhí)行步驟5 ；
步驟5.執(zhí)行部分的變頻器接收計(jì)算機(jī)傳送的控制信號后，通過調(diào)節(jié)變頻器實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的優(yōu)化。所述計(jì)算機(jī)中的存儲單元儲存一組預(yù)定工況參數(shù)對應(yīng)一組預(yù)定螺桿泵轉(zhuǎn)速，使該螺桿泵轉(zhuǎn)速與優(yōu)化后的轉(zhuǎn)速進(jìn)行對比分析。所述系統(tǒng)的整體輸出信號只有一個螺桿泵轉(zhuǎn)速信號。所述系統(tǒng)通過軟件控制平臺和智能優(yōu)化算法模塊對不同工況參數(shù)的分析和處理， 計(jì)算出最優(yōu)轉(zhuǎn)速。與其它的潛油螺桿泵轉(zhuǎn)速控制技術(shù)相比，本發(fā)明的潛油螺桿泵轉(zhuǎn)速智能控制系統(tǒng)以及方法可綜合考慮影響螺桿泵經(jīng)濟(jì)使用壽命的因素，建立一個融合多參數(shù)于一體的最優(yōu)轉(zhuǎn)速匹配模型，適時、適量地調(diào)整轉(zhuǎn)速，改善上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，使?jié)撚吐輻U泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)， 極大地提高轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性并延長潛油螺桿泵的經(jīng)濟(jì)使用壽命。


圖1為本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明的運(yùn)行流程圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明所述潛油螺桿泵轉(zhuǎn)速智能控制系統(tǒng)設(shè)置在潛油螺桿泵采油系統(tǒng)電子裝置中，用于調(diào)節(jié)采油系統(tǒng)轉(zhuǎn)速。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。圖1為本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)示意圖，如圖所示，潛油螺桿泵轉(zhuǎn)速智能控制系統(tǒng)包括檢測模塊、控制器和執(zhí)行部分。其中檢測模塊由多個傳感器和數(shù)據(jù)采集卡組成，傳感器包括溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器；在潛油螺桿泵采油正常工作時，檢測不同工況條件下的參數(shù)并將檢測到的參數(shù)輸出。各個傳感器對采油系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)情況下的工況參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，并將系統(tǒng)參數(shù)通過數(shù)據(jù)采集卡傳遞給計(jì)算機(jī)。
控制器由計(jì)算機(jī)組成，計(jì)算機(jī)中包括軟件控制平臺和智能優(yōu)化算法模塊；執(zhí)行部分由變頻器和電機(jī)組成；計(jì)算機(jī)的信號輸入端連接變頻器的信號輸入端，變頻器的信號輸出端連接電機(jī)信號輸入端，電機(jī)信號輸出端連接傳感器信號輸入端，傳感器信號輸出端連接數(shù)據(jù)采集卡信號輸入端，數(shù)據(jù)采集卡信號輸出端連接計(jì)算機(jī)信號輸入端。圖2為本發(fā)明的運(yùn)行流程圖，如圖所示，應(yīng)用本發(fā)明的潛油螺桿泵轉(zhuǎn)速智能控制系統(tǒng)及方法的軟件平臺，預(yù)先建立采油系統(tǒng)工況參數(shù)與螺桿泵轉(zhuǎn)速的非線性關(guān)系，借此執(zhí)行下列步驟
步驟1.檢測模塊中的傳感器檢測潛油螺桿泵采油系統(tǒng)不同工況的參數(shù)及電機(jī)轉(zhuǎn)速， 然后通過數(shù)據(jù)采集卡將采集的信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出，接著執(zhí)行步驟2 ；
步驟2.判斷電機(jī)轉(zhuǎn)速是否低于目標(biāo)轉(zhuǎn)速，如果是，執(zhí)行步驟3，如果否，執(zhí)行步驟4。所述目標(biāo)轉(zhuǎn)速，是指一組預(yù)定工況參數(shù)所對應(yīng)的預(yù)定螺桿泵轉(zhuǎn)速值，即智能優(yōu)化算法優(yōu)化時的一組樣本數(shù)據(jù)，是一組給定的值。優(yōu)化算法的目的是使電機(jī)轉(zhuǎn)速低于目標(biāo)轉(zhuǎn)速，達(dá)到降低定子橡膠磨損，延長系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)使用壽命的目的。步驟3.控制器中的計(jì)算機(jī)依據(jù)檢測模塊中各傳感器輸出的參數(shù)，將轉(zhuǎn)速傳送一控制信號至執(zhí)行部分，然后執(zhí)行步驟5 ；
控制器的計(jì)算機(jī)存儲單元所儲存的工況參數(shù)與螺桿泵轉(zhuǎn)速間的對應(yīng)關(guān)系，使一組預(yù)定工況參數(shù)對應(yīng)一預(yù)定螺桿泵轉(zhuǎn)速，該螺桿泵轉(zhuǎn)速與優(yōu)化后的轉(zhuǎn)速進(jìn)行對比分析。在實(shí)驗(yàn)中， 預(yù)先設(shè)定一組工況參數(shù)溫度值為40°C、原油粘度600 mPa-s、泵端壓差5. 0 MPa、磨損間隙 0. 005 Μ ,該組工況參數(shù)所對應(yīng)螺桿泵轉(zhuǎn)速為358 r/mm ；另設(shè)一組預(yù)定工況參數(shù)溫度值為42°C、原油粘度540 mPa.s、泵端壓差6. 0 MPa、磨損間隙0. 035 mm ,該組工況參數(shù)所對應(yīng)螺桿泵轉(zhuǎn)速為360 r/mm。依此類推，將每組工況參數(shù)對應(yīng)一螺桿泵轉(zhuǎn)速，建立螺桿泵轉(zhuǎn)速與工況參數(shù)之間的非線性關(guān)系。步驟4.依據(jù)智能優(yōu)化算法模塊的計(jì)算結(jié)果，對不同的工況參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，并輸出優(yōu)化后的轉(zhuǎn)速控制信號至執(zhí)行部分，然后執(zhí)行步驟5 ；
步驟5.執(zhí)行部分的變頻器接收計(jì)算機(jī)傳送的控制信號后，通過調(diào)節(jié)變頻器實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的優(yōu)化，且保持螺桿泵轉(zhuǎn)速不變并返回上述步驟1，重復(fù)執(zhí)行步驟1至步驟5，使螺桿泵轉(zhuǎn)速依據(jù)采油系統(tǒng)工況參數(shù)的變化適時變化。在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)溫度值為40°C、原油粘度600 MR3 s、泵端壓差5. 0 MPa、磨損間隙 0. 005 mm時，通過智能優(yōu)化算法優(yōu)化的轉(zhuǎn)速為358 r /mm ,再傳送一控制信號至電機(jī)，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。此后，不斷地由檢測部分傳感器采集信號以及控制器部分分析和處理，通過變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對螺桿泵轉(zhuǎn)速的控制。通過上述步驟運(yùn)行后，該系統(tǒng)的整體輸出信號只有一個螺桿泵轉(zhuǎn)速信號。
權(quán)利要求
1.一種潛油螺桿泵轉(zhuǎn)速智能控制系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)包括檢測模塊、控制器和執(zhí)行部分；其中檢測模塊由數(shù)據(jù)采集卡和傳感器組成，控制器由計(jì)算機(jī)組成，執(zhí)行部分由變頻器和電機(jī)組成；計(jì)算機(jī)的信號輸入端連接變頻器的信號輸入端，變頻器的信號輸出端連接電機(jī)信號輸入端，電機(jī)信號輸出端連接傳感器信號輸入端，傳感器信號輸出端連接數(shù)據(jù)采集卡信號輸入端，數(shù)據(jù)采集卡信號輸出端連接計(jì)算機(jī)信號輸入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種潛油螺桿泵轉(zhuǎn)速智能控制系統(tǒng)，其特征在于所述傳感器包括溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種潛油螺桿泵轉(zhuǎn)速智能控制系統(tǒng)，其特征在于所述控制器的計(jì)算機(jī)中包括軟件控制平臺和智能優(yōu)化算法模塊。
4.一種如權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述潛油螺桿泵轉(zhuǎn)速智能控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于所述方法包括以下步驟步驟1.檢測模塊中的傳感器檢測潛油螺桿泵采油系統(tǒng)不同工況的參數(shù)及電機(jī)轉(zhuǎn)速， 然后通過數(shù)據(jù)采集卡將采集的信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出，接著執(zhí)行步驟2 ；步驟2.判斷電機(jī)轉(zhuǎn)速是否低于目標(biāo)轉(zhuǎn)速，如果是，執(zhí)行步驟3，如果否，執(zhí)行步驟4 ；步驟3.控制器中的計(jì)算機(jī)依據(jù)檢測模塊中各傳感器輸出的參數(shù)，將轉(zhuǎn)速傳送一控制信號至執(zhí)行部分，然后執(zhí)行步驟5 ；步驟4.依據(jù)智能優(yōu)化算法模塊的計(jì)算結(jié)果，對不同的工況參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，并輸出優(yōu)化后的轉(zhuǎn)速控制信號至執(zhí)行部分，然后執(zhí)行步驟5 ；步驟5.執(zhí)行部分的變頻器接收計(jì)算機(jī)傳送的控制信號后，通過調(diào)節(jié)變頻器實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的優(yōu)化。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述潛油螺桿泵轉(zhuǎn)速智能控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于所述計(jì)算機(jī)中的存儲單元儲存一組預(yù)定工況參數(shù)對應(yīng)一組預(yù)定螺桿泵轉(zhuǎn)速，使該螺桿泵轉(zhuǎn)速與優(yōu)化后的轉(zhuǎn)速進(jìn)行對比分析。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述潛油螺桿泵轉(zhuǎn)速智能控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于所述系統(tǒng)的整體輸出信號只有一個螺桿泵轉(zhuǎn)速信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述潛油螺桿泵轉(zhuǎn)速智能控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于所述系統(tǒng)通過軟件控制平臺和智能優(yōu)化算法模塊對不同工況參數(shù)的分析和處理，計(jì)算出最優(yōu)轉(zhuǎn)速。
全文摘要
一種潛油螺桿泵轉(zhuǎn)速智能控制系統(tǒng)及控制方法，檢測模塊中的傳感器檢測潛油螺桿泵采油系統(tǒng)不同工況的參數(shù)并將檢測到的參數(shù)輸出，然后通過數(shù)據(jù)采集卡將采集的信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出；控制器中的計(jì)算機(jī)依據(jù)檢測模塊中各傳感器輸出的參數(shù)，并依據(jù)智能優(yōu)化算法模塊，對不同的工況參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，將優(yōu)化后的轉(zhuǎn)速-控制信號傳送至執(zhí)行部分；執(zhí)行部分中的變頻器接收計(jì)算機(jī)傳送的控制信號后，通過調(diào)節(jié)變頻器實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的優(yōu)化。本發(fā)明綜合考慮影響螺桿泵經(jīng)濟(jì)使用壽命的因素，建立一個融合多參數(shù)于一體的最優(yōu)轉(zhuǎn)速匹配模型，適時、適量地調(diào)整轉(zhuǎn)速，使?jié)撚吐輻U泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)，極大地提高轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性并延長潛油螺桿泵的經(jīng)濟(jì)使用壽命。
文檔編號F04C14/00GK102155405SQ20111011585
公開日2011年8月17日 申請日期2011年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月6日
發(fā)明者呂曉仁, 王世杰, 羅旋 申請人:沈陽工業(yè)大學(xué)