本发明基于变频驱动系统,提出2台及以上抽油机共直流母线的再生电能利用控制方法,属于石化行业、油田生产计算机信息化领域。
背景技术:
1、目前国内油田勘探施工领域,较普遍地采用游梁式抽油机作为生产设备,其具有几何结构简单、安全可靠等优点,如后附图2所示的游梁式抽油机运行原理示意图。
2、抽油机的动力来源是交流电机,电机具有较强的恒转矩特性,在常规状态下曲柄匀速转动,带动井下抽油杆做往复直线运动,悬点位移轨迹呈正弦运动规律。在抽油机的能量消耗中,包括使井液上升所消耗的能量、抽油杆上升下降与井壁井液的摩擦所消耗的能量,以及机械传动摩擦所消耗的能量,都是抽油机工作时必须消耗的能量,这是不管用什么方法都不能省掉的。当交流电机转子的转速在惯性载荷的作用下超过电机同步转速时,交流电机将变成交流异步发电机向电网送电(俗称为“倒发电”)。抽油杆下落时电机转子超过同步转速是经常的,即使精心调整抽油机平衡块,由于存在井下装置动能和势能的转换及其他方面原因的影响,“倒发电”现象几乎不可避免。
3、一般井场采用丛井采油模式,基于共直流母线方法来解决倒发电问题以期使得产生的电能可以直接被利用。但是此类共直流母线技术还存在以下技术缺陷:一是,使用变频器后仅仅是将原来的功率因数从0.3提高0.7左右,电费单价降低了,但总能耗并没有降低,有时还会增加,原因主要是变频器本身也需消耗一部分电能;二是,大部分变频器在使用过程中并没有增加能量反馈装置,致使驴头下行时的动能不能回馈电网,从而造成能量损失;三是,不能回馈电能主要在于电机正向制动状态时处于发电状态,经过ibgt的续流二极管输出的电流波形实际上接近于方波,通过傅立叶变换后会得到较大的高次谐波,这对电网的危害及其巨大,因此明令禁止高波动性负载能量回馈电网;四是,使用变频器对电网电压的波动非常敏感,由于井区的负载波动非常大,又不可能对区域内采取稳压措施,因此经常发生变频器无端跳闸的情况,严重影响到用户的使用信心;五是,由于变频器是以内部计算机控制为核心,以大功率晶体管为主要器件的设备,技术含量较高,一般用户没有维修能力,这就造成使用维护费用居高不下,维修时间漫长。
4、有鉴于此,特提出本专利申请。
技术实现思路
1、本申请所述的共直流母线再生发电利用方法,在于解决现有技术存在的问题而提出2台及以上抽油机基于变频驱动系统的再生电能利用控制手段,以期根据油井驴头悬点运行的状态与位置实时地、连续地调节其运行相位,满足始终保持至少有一组抽油机工作相位相反、使得再生电能得以实时利用与回收的目的,从而达到节能增效的目的。
2、为实现上述设计目的,所述共直流母线再生发电利用方法,将2台及以上抽油机的独立变频器通过直流母线并联起来,将一台或多台抽油机产生的再生电能回馈到直流母线,处在耗电状态的电机将该能量消耗掉;任选两台独立带变频器控制的抽油机,使其工作冲次即电源频率相同,一台作为基准井,工作频率不变,另一台作为调节井,工作频率可调节;使两台抽油机的相位相反,即一台工作在上行程,一台工作在下行程。工作在耗电状态的抽油机将其余处于发电状态的抽油机反馈到直线母线的再生电能吸收利用;
3、调节并控制上述基准井位移的相位与调节井位移的相位差为180°,
4、θ1-θ2=180 (7)
5、在运行过程中,基准井的参数不变,只做参考;改变调节井的参数,使式(7)由一点扩为一个区域,即
6、θ1-θ2=180±δ (8)
7、6为基准井与调节井相位相反的允许误差,单位:°;
8、θ1为基准井位移的相位,单位:°;
9、θ2为调节井位移的相位,单位:°;
10、使控制过程更加稳定。
11、进一步地,基准井与调节井相位相反的调节过程如下,
12、设基准井的冲次为me,基准井悬点位移的工作周期为t,在抽油机实际运行时获取悬点位移y的相位θ及基准井与调节井上、下死点的时间;基准井与调节井的相位相反,则映射到上死点之间的时间间隔为t/2,依据基准井与调节井相位相反和再生电能吸收和利用的原则,允许调节井的相位角变化±6,映射到时间变化为±δt;
13、调节过程是以基准井的上死点为计时起点,以调节井的上死点为计时终点,计时为t,当t>t+δt时,调节井的工作频率设为f1=f+δf,使悬点位移曲线的上死点左移,计时t变小;
14、当t<t-δt时,调节井的工作频率设为f1=f-δf,使悬点位移曲线的上死点右移,计时t增大;
15、如此循环往复,使得调节井的下死点对应基准井的上死点来回摆动,摆动区间为±δt,摆角为±6即井场上始终有一台抽油机与其他抽油机的相位相反,其能够有效地吸收和利用其他抽油机产生的再生电能。
16、进一步地,依据悬点位移曲线,在某一时刻悬点位移是时间的单值函数,当时为上行程;当时,为下行程;当时为上死点或下死点;
17、当悬点位移的导数由大于“0”变为等于或小于“0”时,此时悬点处于上死点;当悬点位移的导数由小于“0”变为等于或大于“0”时,此时悬点处于下死点。
18、如上所述,本申请提出的共直流母线再生发电利用方法具有的优点是:
19、1、本申请针对丛井采油模式,基于变频驱动系统的共直流母线方法有效地解决了“倒发电”问题,使得产生的电能可以直接被相邻抽油机加以利用,从而避免了变频器共直流母线上的电压泵产生过电压、直流母线电压波动过大的问题,相应地提高了抽油机的可靠性和使用寿命、提升抽油机的电能效率。
20、2、基于本申请,能够保证运行数量多达2至12台以上抽油机之间的倒发电利用,有效地规避了相互干扰问题,控制精度与难度均显著地降低;
21、3、解决了现有技术采取制动电阻发热进行消耗的方式,再生电能得以充分利用,共直流母线节能特性得到充分地发挥和体现,节能效果特别突出。
1.一种共直流母线再生发电利用方法,其特征在于:将2台及以上抽油机的独立变频器通过直流母线并联起来,将一台或多台抽油机产生的再生电能回馈到直流母线,处在耗电状态的电机将该能量消耗掉;
2.根据权利要求1所述的共直流母线再生发电利用方法,其特征在于:基准井与调节井相位相反的调节过程如下,
3.根据权利要求2所述的共直流母线再生发电利用方法,其特征在于:依据悬点位移曲线,在某一时刻悬点位移是时间的单值函数,当时为上行程;