抽油機(jī)動(dòng)態(tài)模型仿真

中國石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：抽油機(jī)動(dòng)態(tài)模型仿真抽油機(jī)動(dòng)態(tài)模型仿真摘要課題主要通過對(duì)抽油機(jī)電機(jī)及其負(fù)載轉(zhuǎn)的研究來分析了油田應(yīng)用較多的游梁式抽油機(jī)電機(jī)一個(gè)沖程內(nèi)的工作狀態(tài)，并利用Matlab軟件對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行仿真。本文主要從以下兩部分展開分析。第一部分就是建立異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型并仿真，即分析異步電機(jī)運(yùn)行時(shí)的電壓、磁鏈、轉(zhuǎn)矩等之間關(guān)系，用數(shù)學(xué)表達(dá)式來模擬電機(jī)運(yùn)行各能量關(guān)系；第二部分是建立抽油機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的數(shù)學(xué)模型并仿真，分析抽油機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、曲柄輸出扭矩、懸點(diǎn)載荷與抽油機(jī)各參數(shù)之間的關(guān)系，得到抽油機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩。在MatlabSimulink上分別搭建異步電機(jī)模型和抽油機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩模型，并進(jìn)行仿真，利用電流、功率仿真曲線分析工常工作時(shí)的抽油機(jī)工作狀態(tài)。關(guān)鍵詞：游梁式抽油機(jī)；異步電機(jī)；抽油機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩；懸點(diǎn)載荷

DynamicModelingofthepumpingunitAbstractThethesismainlyresearchesandanalysistheworkingconditionsofbeampumpingunitwhichisappliedalotontheoilfield.Mathematicalmodelofthepumpingunitanditsloadisestablished.AnditsmodelingandsimulationarebasedonMATLAB.Thispaperincludesthefollowingtwoparts.Thefirstpartistoestablishamathematicalmodelofinductionmotorsimulation,whichanalyzesthevoltageasynchronousmotorisrunning,flux,torqueandsotherelationshipbetweenmathematicalexpressionstosimulatethemotorisrunningalltheenergyrelationship;Thesecondpartistocreatesmokegeneratorloadtorqueofthemathematicalmodelandsimulation,analysispumpingoutputtorque,outputtorqueofthecrank,andthepumpingrodloadrelationshipbetweenparametersobtainedpumpingloadtorque.WerebuiltontheMatlabSimulinkmodelandpumpinginductionmotorloadtorquemodelandsimulation,theuseofcurrent,powersimulationcurveanalysisworknormallywhenthepumpingoperation.Keywords：Beampumpingunit；asynchronousmotor；pumpingloadtorque；rodload

目錄第1章引言 i2=4.664；從電動(dòng)機(jī)到曲柄的傳動(dòng)效率：η=0.85。抽油桿柱及油田參數(shù)：抽油桿柱長度：L1=903.8m；沖程s=1.8m；沖次：n=8次/分；抽油桿柱密度：ρs=7850kg/m4；抽油桿橫截面積：fr=2.85cm2；汲取原油的密度：ρI=0.934kg/m2；抽油桿柱的質(zhì)量：qr=2.3kg/m；活塞截面積：fp=24.63kg/m2。得到仿真曲線如下：圖3-10抽油機(jī)驢頭懸點(diǎn)加速度圖3-11抽油機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線由圖3-10和圖3-11可見，抽油機(jī)是一種周期性變負(fù)荷的負(fù)載，在一個(gè)周期內(nèi)存在發(fā)電的電動(dòng)兩種工況。因此，如何減小發(fā)電狀態(tài)的能耗問題，對(duì)抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)的節(jié)能具有非常重要的意義。3.5抽油機(jī)動(dòng)態(tài)模型仿真將第二章所建立的異步電動(dòng)機(jī)模型與圖3-9中的抽油機(jī)負(fù)載模型結(jié)合，即對(duì)抽油機(jī)動(dòng)態(tài)模型的仿真此處采用2.2kW的異步電機(jī)數(shù)據(jù)，仿真模型如下所示：圖3-12抽油機(jī)動(dòng)態(tài)模型仿真模型得到抽油機(jī)動(dòng)態(tài)過程的仿真曲線：圖3-13抽油機(jī)功率曲線圖3-14抽油機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩曲線圖3-15抽油機(jī)轉(zhuǎn)速曲線圖3-16抽油機(jī)電流曲線由圖3-13~3-16可知，抽油機(jī)在一個(gè)工作周期內(nèi)，電機(jī)功率、電磁轉(zhuǎn)矩、工作電流會(huì)出現(xiàn)兩小部分是小于0的，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速都大于同步轉(zhuǎn)速，即電機(jī)此時(shí)處于發(fā)電狀態(tài)，倒發(fā)電狀態(tài)一般發(fā)生在下沖程快到下死點(diǎn)位置時(shí)。3.6本章小結(jié)本章首先對(duì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行了細(xì)致的受力分析，求解驢頭懸點(diǎn)加速度，在驢頭懸點(diǎn)最大、最小載荷間的基礎(chǔ)上利用與懸點(diǎn)加速度的線性關(guān)系求出懸點(diǎn)載荷，再根據(jù)杠桿原理，將抽油機(jī)各部分的力矩轉(zhuǎn)化到曲柄處，再考慮到皮帶、減速器便得到抽油機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩。在MATLAB軟件上建立抽油機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩模型，并進(jìn)行仿真，基本符合要求。與第二章相結(jié)合，利用MATLABSIMULINK工具，對(duì)帶抽油機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的異步電機(jī)進(jìn)行仿真，即抽油機(jī)的動(dòng)態(tài)仿真，得到的仿真曲線與實(shí)際工況大致相吻合，因此本章得到的抽油機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩模型基本滿足要求。第4章結(jié)論第4章結(jié)論4.1結(jié)論論文深入分析和研究了抽油機(jī)電機(jī)運(yùn)行規(guī)律，根據(jù)動(dòng)力學(xué)及電機(jī)學(xué)相關(guān)知識(shí)，對(duì)抽油機(jī)電機(jī)建立數(shù)學(xué)模型，并利用MATLAB工具進(jìn)行仿真。本課題對(duì)抽油機(jī)的動(dòng)態(tài)模型研究主要從異步電機(jī)和抽油機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩兩方面著手。在對(duì)異步電機(jī)模型建立仿真模型時(shí)，考慮到常規(guī)A、B、C三相坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型較為復(fù)雜，一方面不利于分析求解，另一方面加大了在MATLBASIMULINK上搭建模型的復(fù)雜性，為此，將A、B、C三相坐標(biāo)等效成α、β靜止坐標(biāo)，由此便可得到簡化后的數(shù)學(xué)模型。對(duì)比三相坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型，兩相坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)方程首先在矩陣方程的維數(shù)上降低下來，簡化了數(shù)學(xué)模型，便于分析求解，其次簡化后的數(shù)學(xué)模型更容易上MATLABSIMULINK創(chuàng)建仿真模型。在對(duì)抽油機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的求解上本文采用的間接求解法，利用抽油機(jī)懸點(diǎn)加速度與抽油機(jī)驢頭載荷有著一定的線性關(guān)系這一切入點(diǎn)。傳統(tǒng)的求解方法主要是分析抽油桿柱的振動(dòng)規(guī)律以及曲柄的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，接著利用牛頓差分方程求解方法解波動(dòng)方程，從而求得懸點(diǎn)載荷。傳統(tǒng)方法在準(zhǔn)確度上較高，但其分析求解較為復(fù)雜，本文所采用的方法在計(jì)算量上得到大量減少，雖然準(zhǔn)確度相對(duì)于傳統(tǒng)的比較低，但在要求不是很嚴(yán)格的情況下，完全能夠較準(zhǔn)確的分析抽油機(jī)的工作狀態(tài)。4.2展望由于時(shí)間有限，對(duì)于論文所做的對(duì)抽油機(jī)動(dòng)態(tài)模型仿真的工作還有很多可以研究和完善的地方。一、完善電機(jī)。本文研究的電機(jī)模型是經(jīng)過假設(shè)簡化后的理想電機(jī)模型，未考慮線性因素對(duì)電機(jī)的影響，包括激磁電電抗的飽和效應(yīng)及磁滯；漏電抗是個(gè)變值，本文未考慮這種變化，僅將其看作一定值。另外，如果能考慮諧波磁場，電機(jī)將得到進(jìn)一步完善。二、本文搭建的抽油機(jī)負(fù)載模型是假設(shè)后簡化的模型，在計(jì)算抽油機(jī)驢頭懸點(diǎn)載荷上做了很大的簡化，通過驢頭懸點(diǎn)加速度間接求解懸點(diǎn)載荷。未考慮抽油泵沉沒壓力和排出壓力、抽油桿柱的縱向振動(dòng)、液柱和油管柱的振動(dòng)，如果能建立抽油機(jī)負(fù)載的多維模型會(huì)使仿真結(jié)果更加精確。中國石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)致謝大學(xué)四年的學(xué)習(xí)生活即將結(jié)束，在此，我要感謝所有曾經(jīng)教導(dǎo)過我的老師和關(guān)心過我的同學(xué)，他們?cè)谖页砷L過程中給予了我很大的幫助。本文能夠成功的完成，要特別感謝我的導(dǎo)師張麗霞副教授的關(guān)懷和教導(dǎo)，祝愿張老師工作順利，萬事如意，桃李滿天下。參考文獻(xiàn)[1]董世民．有桿抽油系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)的計(jì)算機(jī)仿真[M].北京：石油工業(yè)出版社，2003,11~13.[2]S.G.Gibbs.Predictingthebehaviorofsuckerrodpumpingsystems.ShellDevelopmentCo.，HoustonTexas,J.P.T.,July1963.[3]S.S.Gibbs.Ageneralmethodforpredictingrodpumpingsystemperformance.SPE6850,1977.[4]S.S.Gibbs.Areviewofmethodfordesignandanalysisofrodpumpinginstallations.NablaCorp.J.P.T.，December1982.[5]Jun.Xu.Anewapproachtotheanalysisofdeviaterod–pumpedwells．SPE28697，1994.[6]陶景明等．有桿抽油示功圖的預(yù)測[J].大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)，1986,2.[7]張少南等．有桿泵抽油井計(jì)算機(jī)預(yù)測技術(shù)[J].石油鉆采工藝，1986,4.[8]姚春冬等.高轉(zhuǎn)差電機(jī)驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)的預(yù)測技術(shù)[J].石油礦場機(jī)械，1991,2.[9]余國安等．有桿泵抽油井的三維振動(dòng)[J].石油學(xué)報(bào)，1989,10(2).[10]鄧建國．考慮主磁路瞬時(shí)飽合時(shí)異步電機(jī)的仿真模型[J].防爆電機(jī)，2003,6(2)4~7.[11]程靖．基于Matlab/Sinulink的交流電機(jī)建模與仿真[J].測控技術(shù)，2003,22(2).[12]王鴻勛等．采油工藝原理[M].北京：石油工業(yè)出版社，1989.90-109.[13]崔臣君，王平等．多功能電表在油田電能計(jì)量中的改進(jìn)技術(shù)研究[J].[14]黃安貽，李海亮．油梁式抽油機(jī)工作系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真分析[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010(3):168-169.[15]肖寧，雙凱等