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摘要
由于动载荷和复杂的机械联系，在采油系统节能方法的发展过程中，很难精确分析束流抽油机系统（BPMS）的能耗特征。为了解决这个问题，本文建立了一个实用的模型，该模型结合了感应电动机的标准微分方程，抽油杆的曲柄运动方程和波形方程，低压和高压电源线的损耗方程以及用于BPMS能耗分析的配电变压器。利用该实用模型，可以分析包括负载波动，平衡度和动态液位在内的各种因素对BPMS的电损耗特性的影响。研究了由37kW感应电动机驱动的具有不同动态液位和平衡度的Type-12BPMS的电损耗的变化，并分析了在油田中五个典型负载条件下每个损耗分量的分布特性。结果表明，铁损的比例约为总电损的40％。通过将计算结果与标准油井的测量数据进行比较，验证了模型的正确性。此外，基于该模型获得的理论结果的节能设备可在油田实际应用中实现显着的节能效果。
关键字：束流抽油机系统（BPMS），能耗，节能，实用模型
Abstract
Due to the dynamic load and the complex mechanical link, it is difficult to precisely analyze the characteristics of the energy consumption of beam pumping motor systems (BPMSs) in the development of energy-saving approaches in oil production systems. To solve this problem, this paper establishes a practical model that combines the standard differential equation of an induction motor, the crank movement equation and the wave equation of sucker rod, the loss equations of the low- and high-voltage supply lines, and distribution transformers for energy consumption analysis of BPMSs. With this practical model, the influence of different factors, including the load fluctuation, balance degree, and dynamic liquid levels, on the electrical loss characteristics of BPMSs can be analyzed. The variation of the electrical loss in a Type-12 BPMS driven by a 37-kW induction motor with different dynamic liquid levels and balance degrees is studied, and the distribution characteristic of each loss component under five typical load conditions in oilfields is also analyzed. It is revealed that the proportion of iron loss is about 40% of the total electrical loss. The correctness of the model is verified by comparing the calculated results with the measured data for a standard oil well. In addition, the energy-saving devices based on the theoretical results obtained by the presented model achieve a significant energy-saving ration the practical application at oil fields.
Keywords：Beam pumping motor system (BPMS), energy consumption, energy saving, practical model.
目录
第一章 引言
由于结构简单，性能稳定，因此光束泵电机系统（BPMS）广泛用于石油生产系统中。BPMS由电动机，平衡重，四连杆机构，马头和油泵组成。通过马头的线性运动将地下油液泵出，通过四连杆机构将其转换为电动机的旋转运动。与恒定负载的普通电动机系统相比，分析BPMS的能耗更为复杂。在先前的研究中也讨论了这些问题。基本模拟是通过电动机，平衡重，马头，四连杆机构的组合建模并考虑机械振动来实现的[1]-[3]。在[4]中建立了考虑抽油杆的波动和磁饱和的电动机模型，并开发了驱动伺服电动机的四象限变频器的数学模型，以实现在不同动态负载条件下的仿真[5]。用时步有限元法（T-SFEM）研究了可变负载条件下电动机内部磁场的动态特性和电动机的启动性能[6]，[7]。此外，建立了一个实用的BPMS能耗分析模型[8]，通过它可以分析不同因素对BPMSs的电损耗特性的影响。当前对电动机和系统的节能研究主要集中在高效率电动机[9]和在一定负载条件下的最佳能量控制[10]，[11]。为了开发在复杂的BPMS负载条件下的节能技术，系统地分析了BPMS的负载特性，并提出了间歇性电源[12]，[13]。提出了分段式的频率和电压调节器控制策略[14]；还介绍了双脉冲宽度调制频率转换器[15]和线性电磁泵浦单元[16]。
上述论文讨论了BPMS的机械系统和电机模型。但是，在研究BPMS的总能耗方面仍然存在困难。
（1）在系统建模的中间阶段，通常使用等效电路方法对电动机进行建模。但是，当使用等效电路模拟负载快速波动的束流泵浦电机（BPM）时，会出现明显的误差。尽管T-S有限元与机械波动方程结合可以相对准确地分析BPMS的稳态和瞬态性能。昂贵的仿真开销限制了它们在实践中的应用。
（2）在能耗分析方面，以前的研究集中在电机的总体能耗上。没有详细分析影响BPMS中总电能消耗的机械因素，例如摩擦，以及由于负载特性变化而导致的电机损耗变化。
为了分析整个BPMS的能耗，本文建立了BPMS能耗的实用模型。使用此模型，可以分析各种不同因素（例如负载波动，平衡程度和动态液位）对整个BPMS能耗的影响。研究了由37kW感应电动机驱动的Type-12BPMS的损耗随动态液位和平衡度的变化，在五个典型载荷条件下，每个损耗分量的分布特性为：还分析了。通过将计算结果与标准油井的测量数据进行比较，可以验证模型的正确性。此外，基于该模型获得的理论结果的节能装置在油田实际应用中实现了显着的节能效果。
第二章 BPMS的能耗特征
2.1 BPMS的指令
在典型的周期性和潜在负载下，如果给出了泵送冲程，齿轮箱比，电动机容量和其他参数，则BPMS的运行周期基本上是恒定的。图1（a）显示了BPMS的基本结构；电动机的旋转运动通过齿轮和由曲柄，连杆和横梁组成的四连杆机构转换为往复运动。图1（b）显示了由装有FLUKE-43B进行测量的37kW感应电动机驱动的BPMS的典型输入功率曲线。可以看出，这通常是周期性负载。在运行周期内，负载曲线既包含重负载也包括轻负载，甚至是发电机模式。此外，由于需要高启动转矩，因此安装的电机的额定功率通常比平均功率高四到六倍。
2.2 BPMS的能耗特性
在上冲程期间，抽油杆和油液向上移动，并且在电动机模式下电动机在重负载下运行；在下降冲程中，抽油杆和油液向下移动，并且由于势能转换，即使在发电机模式下，电动机也以轻载运行。BPMS的功率如图2所示，其中Pin和Pout分别是BPMS的总输入和输出功率。Pb-in，Pc-in和Pm-in分别是配电变压器的输入功率，低压电源线的输入功率和电动机的输入功率。pg，pb，pc和pm分别是高压电源线的损耗，配电变压器的损耗，高压电源线的损耗和感应电动机的损耗。
（a）
（b）
图1 BPMS简介（a）基本结构（b）使用37kW感应电动机的BPMS的测得的负载曲线
图2 BPMS的功率流
第三章 BPMS能耗分析的实用模型
3.1 考虑动态负载的感应电动机损耗模型
由于BPMS的输入功率随运行周期中的负载条件而动态变化，因此当稳态T型等效电路可能会出现明显的误差用于分析电机性能。因此，本文采用具有抗铁损性的暂态方程建立电动机模型。该模型可以真实地反映动载荷条件。图3显示了考虑铁损[17]–[19]的dq帧中的等效电路。对应于该电路的电流方程为
（1）
其中idm和iqm分别是d轴和q轴上的励磁电流，ids和iqs分别是d轴和q轴上的定子电流，idr和iqr分别是d轴和q轴上的转子电流，iFed和iFeq分别是d轴和q轴的等效铁损电阻电流。
图3考虑铁损的等效电路（a）d轴（b）q轴。
flux连锁方程由下式给出
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