一种游梁式抽油系统频率与电压柔性同步协调优化方法

1.本发明涉及油气开采技术领域，具体而言，尤其涉及一种游梁式抽油系统频率与电压柔性同步协调优化方法。


背景技术：

2.随着油气开采深入及原油产出，地层供给能力不足以支持油井自喷，为提高石油开采效率，人工举升设备已得到越来越广泛的应用。目前人工举升设备主要包括：抽油机、电潜泵、螺杆泵、高压气举等举升工艺，游梁式抽油机因结构简单、性能可靠且价格低廉，占据着主要的市场份额。游梁式抽油机主要由抽油泵、抽油杆、光杆、四杆机构、减速箱、皮带和电动机组成。电动机通过皮带和减速箱的减速增扭作用，驱动曲柄做旋转运动，四杆机构将旋转运动转化为杆柱的直线运动。根据杆柱运动方向，抽油机运行过程被分为上冲程和下冲程。在上冲程，位于油管内及游动阀上端的液体被举升，且当固定阀打开后，套管内液体会被吸入泵筒内；在下冲程，当游动阀打开后，泵筒内流体被排出，且位于游动阀上端的液体载荷转移并作用到固定阀，抽油杆柱卸载。这种“上吸下排”的抽油方式结合曲柄摇杆机构的运动特性及平衡重的综合作用，导致了游梁式抽油系统地面负载呈“双驼峰”式双向波动。周期性波动负载不仅影响机械系统平衡度及可靠性，且为满足波峰扭矩需求，增大了所需电动机额定功率，导致电动机大部分时间在低负载区运行，电动机功率利用率低，能耗浪费严重，尤其是局部时间段产生的负扭矩，拖动电动机倒发电，降低了能量传动效率且污染电网，造成电网供电不稳和能耗浪费。
3.近年来，随着自动化设备成本的降低及数字化油田的建设，基于变频调压控制技术的游梁式抽油系统在油田得到了广泛应用。特别是柔性变频调压控制技术可在保证抽油设备冲次恒定的同时，根据周期内系统负载波动实时变频调速、变压调磁，利用惯性载荷的重新分配降低系统负载波动，消除倒发电，实现节能降耗。
4.然而，目前柔性变频调压控制技术还存在不足，其先优化频率后优化电压的分步优化方案未考虑柔性变频与柔性调压耦合作用，限制了频率与电压优选范围，降低了节能效果。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的在于提出一种游梁式抽油系统频率与电压柔性同步协调优化方法，在考虑柔性变频与柔性调压耦合作用的情况下，扩大了频率与电压优选范围，提高了节能效果。解决了现有技术因未考虑柔性变频与柔性调压耦合作用，从而降低节能效果的问题。
6.本发明采用的技术手段如下：
7.一种游梁式抽油系统频率与电压柔性同步协调优化方法，包括如下步骤：
8.考虑电动机时变驱动频率与电动机时变驱动电压对游梁式抽油系统动态特性及能耗影响，分别将频率权重系数与电压权重系数作为优化设计变量；
9.将一个周期内游梁式抽油系统电动机时变驱动频率与时变驱动电压用傅里叶变换表示成周期函数形式，并以决定时变频率与时变电压变化形态的傅式变换系数作为优化设计变量；
10.将所述时变驱动频率函数和时变驱动电压函数通过傅里叶变换展开成傅式级数，得到频率权重系数、电压权重系数、频率傅里叶系数和电压傅里叶系数；
11.对所述频率权重系数、电压权重系数、频率傅里叶系数和电压傅里叶系数进行敏感度分析，得到系数优选范围；
12.建立游梁式抽油系统频率与电压柔性模型；
13.采用可同时优化离散与连续变量且具有良好全局搜索能力的算法对系数优选范围进行优化，得到优化后的优选范围，
14.将所述优化后的优选范围带入至游梁式抽油系统频率与电压柔性同步协调优化模型中，得到最优系数，根据所述最优系数调节游梁式抽油系统的频率与电压，完成游梁式抽油系统频率与电压动态优化。
15.进一步地，对所述频率权重系数、电压权重系数、频率傅里叶系数和电压傅里叶系数进行敏感度分析，得到系数优选范围，具体包括：
16.根据抽油系统负载变化调节频率权重系数、电压权重系数、频率傅里叶系数和电压傅里叶系数，当负载增大时，电动机驱动频率降低，电动机驱动电压增大；当负载降低时，电动机驱动频率增大，电动机驱动电压降低；根据油田现场电控装置输出能力分别确定频率与电压变化范围，进而确定系数优选范围，初始频率范围为20hz～80hz，电压范围为0v～220v。
17.进一步地，建立游梁式抽油系统频率与电压柔性模型，具体包括：
18.以频率与电压权重系数和傅里叶系数为设计变量，以系统能耗最低为优化目标，根据油井流入特性曲线和抽油泵流出特性曲线设定产量不变约束、周期内平均电动机转速设定冲次恒定约束、变频器调节能力及电动机承载能力设定频率与电压幅值界限约束、地面传动机构各节点承载能力设定扭矩约束、抽油杆柱抗拉强度设定疲劳断裂约束、上下行程电动机输入功率波峰比值设定平衡度约束。
19.进一步地，可同时优化离散与连续变量且具有良好全局搜索能力的算法包括遗传算法、狼群算法、粒子群算法和鸟群算法。
20.进一步地，所述遗传算法具体包括：
21.在确定的系数优化范围内，随机生成2n个时变驱动频率函数作为初始群体p1(0)；2个时变驱动电压函数作为初始群体p2(0)，将频率权重系数、频率傅里叶系数、电压权重系数、电压傅里叶系数作为基因变量输入；
22.在每次迭代中都保留一组候选解，并按抽油系统负载波动较小的指标从解群中选取较优的个体，利用遗传算子对这些个体进行组合，产生新一代的候选解群，重复此过程，直到满足抽油系统负载波动最小的收敛指标为止，最终输出使得抽油系统负载波动最小的群体p1(n)和群体p2(m)。
23.进一步地，所述时变驱动频率函数展开成的傅式级数为：
24.25.所述时变驱动电压函数展开成的傅式级数为：
[0026][0027]
其中：a0为频率权重系数，c0为电压权重系数，aj、bj、cj、dj为傅里叶系数，t为抽油系统的一个周期。
[0028]
本发明还提供了一种存储介质，所述存储介质包括存储的程序，其中，所述程序运行时，执行上述任一项所述的游梁式抽油系统频率与电压柔性同步协调优化方法。
[0029]
本发明还提供了一种电子装置，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器通过所述计算机程序运行执行上述任一项所述的游梁式抽油系统频率与电压柔性同步协调优化方法。
[0030]
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0031]
本发明依托变频调速与变压调磁原理，针对抽油系统周期性波动负载，同时以周期内时变频率与时变电压为优化变量，以电动机输入功率最低为优化目标，综合考虑抽油系统各机械构件承载能力约束及电动机输出能力与负载匹配关系，采用遗传算法，完成频率与电压动态优化，实现降低抽油系统负载波动及节能降耗的目的。
附图说明
[0032]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0033]
图1为本发明频率与电压柔性同步协调优化方法流程图。
具体实施方式
[0034]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0035]
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0036]
如图1所示，本发明提供了一种游梁式抽油系统频率与电压柔性同步协调优化方法，包括如下步骤：
[0037]
考虑电动机时变驱动频率与电动机时变驱动电压对游梁式抽油系统动态特性及
能耗影响，分别将频率权重系数与电压权重系数作为优化设计变量；
[0038]
将一个周期内游梁式抽油系统电动机时变驱动频率与时变驱动电压用傅里叶变换表示成周期函数形式，并以决定时变频率与时变电压变化形态的傅式变换系数作为优化设计变量；
[0039]
将所述时变驱动频率函数和时变驱动电压函数通过傅里叶变换展开成傅式级数，得到频率权重系数、电压权重系数、频率傅里叶系数和电压傅里叶系数；
[0040]
所述时变驱动频率函数展开成的傅式级数为：
[0041][0042]
所述时变驱动电压函数展开成的傅式级数为：
[0043][0044]
其中：a0为频率权重系数，c0为电压权重系数，aj、bj、cj、dj为傅里叶系数，t为抽油系统的一个周期。
[0045]
对所述频率权重系数、电压权重系数、频率傅里叶系数和电压傅里叶系数进行敏感度分析，得到系数优选范围；
[0046]
根据抽油系统负载变化调节频率权重系数、电压权重系数、频率傅里叶系数和电压傅里叶系数，即当负载增大时，电动机驱动频率降低，但电动机驱动电压增大，而当负载降低时，电动机驱动频率增大，但电动机驱动电压降低，最终根据油田现场电控装置输出能力分别确定频率与电压变化范围，进而确定以上系数优化范围，初始频率范围为20hz～80hz，电压范围为0v～220v。
[0047]
建立游梁式抽油系统频率与电压柔性模型；
[0048]
以频率与电压权重系数和傅里叶系数为设计变量，以系统能耗最低为优化目标，根据油井流入特性曲线和抽油泵流出特性曲线设定产量不变约束、周期内平均电动机转速设定冲次恒定约束、变频器调节能力及电动机承载能力设定频率与电压幅值界限约束、地面传动机构各节点承载能力设定扭矩约束、抽油杆柱抗拉强度设定疲劳断裂约束、上下行程电动机输入功率波峰比值设定平衡度约束。
[0049]
采用可同时优化离散与连续变量且具有良好全局搜索能力的算法对系数优选范围进行优化，得到优化后的优选范围，可同时优化离散与连续变量且具有良好全局搜索能力的算法包括遗传算法、狼群算法、粒子群算法和鸟群算法。
[0050]
所述遗传算法具体包括：
[0051]
在确定的系数优化范围内，随机生成2n(n＝1,2,3
…
)个时变驱动频率函数作为初始群体p1(0)；2个时变驱动电压函数作为初始群体p2(0)，将频率权重系数、频率傅里叶系数、电压权重系数、电压傅里叶系数作为基因变量输入；
[0052]
在每次迭代中都保留一组候选解，并按抽油系统负载波动较小的指标从解群中选取较优的个体，利用遗传算子(选择、交叉和变异)对这些个体进行组合，产生新一代的候选解群，重复此过程，直到满足抽油系统负载波动最小的收敛指标为止，最终输出使得抽油系统负载波动最小的群体p1(n)和群体p2(m)。
[0053]
将所述优化后的优选范围带入至游梁式抽油系统频率与电压柔性同步协调优化模型中，得到最优系数，根据所述最优系数调节游梁式抽油系统的频率与电压，最后实现抽油系统“高负载低频高压，低负载高频低压”，对负载扭矩“削峰填谷”，降低负载波动，完成游梁式抽油系统频率与电压动态优化。
[0054]
本发明还提供了一种存储介质，所述存储介质包括存储的程序，其中，所述程序运行时，执行上述任一项所述的游梁式抽油系统频率与电压柔性同步协调优化方法。
[0055]
本发明还提供了一种电子装置，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器通过所述计算机程序运行执行上述任一项所述的游梁式抽油系统频率与电压柔性同步协调优化方法。
[0056]
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
[0057]
在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
[0058]
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0059]
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
[0060]
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0061]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。