遗传算法的机采井电气设备配置优化设计研究

第 1 章 前 言

1.1 课题研究背景
在国有企业不断改革的深化中，及我国加入国际世贸组织所受环境的影响，降低生产成本，提高生产效益最大化是每个企业共同追求的目标。而且，努力降低电力消耗，是企业降低生产成本的最有效措施之一。大庆油田经过近 50 年的开发建设，初步建成全国最大的企业配电网，油田在用的机采井大约有 30000 多口。据近些年统计来看，油田电力消耗约占原油生产的 30﹪左右，由此可见油田虽然是能源生产的大单位，但同时它又消耗了大量能源。为了提高配电设备的效率、减少设备的能量损耗，在油田配电网中使用了大量的机采井节能配电设备，但通过多年的机采井实际运行发现，节能的配电设备在彼此配合协同工作时所消耗的能量大于最初的设备产品设计的目标值，这样使得节能产品的功效、节能产品的使用中没有得到充分的发挥和利用。
经过设备的改进和技术的革新，这些节能配电设备尽管单独运行时都具有损耗小、效率高的优点，但它们构成的配电系统联合运行时的实际运行工作点往往不能同时满足每个设备都运行在损耗最小、效率最高的工作点，这样使得油田配电系统总的电能损耗不是最小值。换句话说，在机采井中由于变压器、电动机、配电控制箱以及抽油机这些节能用电设备的组合方式不合理，造成了节能设备的节能效果不理想[1]。为了实现油田可持续发展的战略目标，降低开采成本，提高油田开发的经济效益。
近年来，研究人员和抽油机及辅助设备的制造厂家针对油田开发的现状，以节能降耗为目的，在抽油机节能特性、电机特性和电控技术等方面开展了大量的研究，研制生产出了各种类型的节能抽油机、节能电机和控制箱。其中，节能抽油机方面:继偏置式抽油机后，推出了双驴头抽油机、下偏杠铃式抽油机、摆杆式抽油机等新型节能游梁式抽油机；节能电机方面:在原有 Y 系列电机的基础上，开发出高、中转差率电机、双速双功率电机、三速三功率电机、稀土永磁电机及油田专用交流伺服电机等。随着节能降耗工作在油田的推广，节能设备在油田的实际应用中逐渐形成了一定的规模，并且在使用数量上有逐渐超过常规抽油设备的趋势。这样为油田工程技术人员在编制采油方案时在节能产品的选型和应用上造成困难。针对某一油田的特定井况，哪一种节能抽油机适合此种井况，哪一种节能电机又与此种井况相匹配或者是节能抽油机与节能电机的某一种匹配方式更适合此种井况，此类问题已成为困扰采油工程人员的难题[2]。
而现在役的有杆抽油系统中，由于投产前按照常规方法选配抽油设备，留有较大提液稳产的载荷余地，但随着生产层主次矛盾的变化，许多油井采取了堵水等控水措施，产液量大幅度降低，出现了“大马拉小车”现象，系统效率下降，致使抽油系统耗电量增大，因此有必要对这类抽油系统日耗电量进行定期检测，出现增长幅度较大时，就需要更换电机以适应现有工作状态，使抽油设备工作在最佳节能状态，此种情况下也需要研究抽油机与电机之间的匹配问题。综上所述，无论是油田采油工程方案的设计，还是老井的节能改造，都必须针对油田的井况特点，合理的选择匹配抽油机与电机，以使整个抽油系统处于最佳的节能状态。对节能抽油机与节能电机的优化选配问题进行了研究。进行节能抽油机与节能电机的优化选配方法研究主要有三种方法:理论计算方法、试验研究方法和计算机仿真。本文的研究工作采用了理论计算和计算机仿真相结合的方法[3]。

1.2 课题研究目的和意义
截止到目前机采井电气设备仍是油田最主要的能耗产品，但现有的电气设备还存在许多问题，还有许多工作要做。电气设备的机械性能得不到很好发挥，没有达到最好工作状态，电气设备部分型号使用寿命短，设备老化严重，产品更新困难，各个配电设备在运行过程中，抽油机、电气设备等系统效率低下，造成了很多的浪费， 和其他国家电气设备相比，还存在一定的差距。造成机采井电气设备系统效率的低下的主要原因是电气设备的选择不当。但是由于油田机采井配电网中电气设备的种类较多，各种电气设备的组合方式繁多，如何从众多的组合方式中选出一种最佳方式的组合是设备选型及购置决策中的难点之一，由此可见，重视机采井电气设备电气性能评价和优化选优工作，对提高现有机采井的系统效率很有必要。为解决这一问题，本课题开发了一套对油田机采井电气设备进行设备选型优化管理系统，为油田设备应用选型提供技术支持。

1.3 目前国内外的研究现状
迄今为止，国内外诸多专家学者在降低油田电能损耗、减小投资费用、提高设备工作效率方面做了深入的研究分析，积累了大量的宝贵知识和工作经验。也有很多从事电气人员和石油工作者对机采井电气评价和设备选优工作进行了深入研究，他们有的从机采井局部电气性能方面进行比较，有的从抽油机设备技术适应性角度展开研究，还有的从定性理论数据方面和实际应用方面分析[4,5]。并在某一方面取得了不少成绩。然而不同的机械采油方式，对电气设备的电气特性要求也有所不同，电气设备适应性也各有不同，兼容性也不能达到预期的效果。根据大量的文献调研来看，对油田配电网络、配电设施的节能降耗的研究主要体现在如下几个方面:
1.3.1 新型抽油机的使用
目前抽油机仍是机械采油设备应有的最主要的设备，也是油田所有设备中主要的耗电设备，它的耗电量约占油田设备总用电量约 40﹪，系统效率不高，根据调研数据统计大约在 30﹪左右。大庆油田经过近 50 年的发展，抽油机设备的老化问题比较严重，据统计目前大庆油田使用在 15 年以上的抽油机有 6000 多台，大约占抽油机总井数的 20﹪，由于设备的老化造成设备能耗大、利用率低、后期维护费用高。
 
   1.4 课题研究思路及主要内容 .....................13-15
第2章 电气设备电气性能评价 .....................15-26
    2.1 机采井电气性能评价原理 .....................15-16 
    2.2 电气设备节能特点 .....................16-19
    2.3 评价电气性能的数学模型 .....................19
    2.4 电气设备的数学模型 .....................19-25
    2.5 本章小结 .....................25-26
第3章 优化算法理论分析 .....................26-30
    3.1 优化算法的介绍 .....................26-27
    3.2 建立优化计算的数学模型 .....................27-29
    3.3 本章小结 .....................29-30
第4章 基于遗传算法的优化设计 .....................30-36
    4.1 遗传算法的基本结构及流程 .....................30-33
    4.2 优化计算软件设计 .....................33-35
    4.3 本章小结 .....................35-36
第5章 软件设计与电气性能测试 .....................36-45
    5.1 设计的基本思想 .....................36
    5.2 程序设计的流程图 .....................36-37
    5.3 建立配电设备数据参数文件的软件设计 .....................37-38
    5.4 各部分电气设备运行试验 .....................38-43 
    5.5 本章小结 .....................43-45
第6章 管理系统软件设计说明 .....................45-55
    6.1 软件运行环境要求 .....................45
    6.2 数据文件及存放的地址 .....................45-46
    6.3 软件运行操作 .....................46-47
    6.4 优化计算软件的运行 .....................47-51
    6.6 本章小结 .....................54-55

总 结

通过研究分析认为，机采井电气设备的组合不合理是造成系统效率降低的主要原因。电气设备在彼此配合协同工作时所消耗的能量大于最初的设备产品设计的目标值，这样使得节能产品的功效、节能潜能在产品的使用中没有得到充分的发挥和利用。为此提高配电设备的效率、减少设备的能量损耗是研发设计人员们的共同追求。本课题在前人的研究成果基础之上，对机采井电气设备进行电气特性分析、优化算法理论分析、系统优化设计等方面的深入研究，取得了以下研究成果:
(1)根据电气性能评价的原理及机采井各配电设备的电气性能，建立电气性能评价的数学模型，其中包括各电气设备的数学模型和评价组合电气性能的数学模型。通过分析抽油机和电气设备的常用数据及机采井电气设备系统动参数，使用用此机采井电气设备优化控制系统进行现场模拟测试，通过对运行参数进行控制调节组合，使机采井抽油机系统整体处于最佳优化组合的工作状态，提高机采井抽油机系统效率。
(2)根据机采井运行情况，建立优化系统的数学模型，确定目标函数，结合通过标准井测量的配电设备的运行功耗及机采井示功图，对系统运行状况进行系统分析的基础上，按独立进行节能改造或实施节能措施的原则，将整个机采井系统分解为抽油机、电机、变压器以及控制柜等单元模块，通过对各模块的节能原理和节能特性进行理论与试验研究，建立了优化系统经济运行多目标优化数学模型。

参考文献

[1] 赵玉华，王洁，白晓东等．大庆老油田节能较好技术[J]．石油规划设计．2000，3．
[2] 赵鹏飞．油田抽油机节能方式综述及解决方案[J]．科技资讯，2007，10:96-67．
[3] 李强，王艳松．节能型配电变压器在油田电网的节能效果分析[J]．电气时代，2008，3:62-63．
[4] 武卫东，王群凝，金东明等．大庆油田抽油机节能潜力分析[J]，石油规划设计．2007，1:25-26．
[5] 张要强，于传聚，刘晓东等．油田油井高效节能供电方案研究[J]．电力需求侧管理，2006，8:410-413．
[6] 陈丕章．电动机节能技术．北京:科学出版社，1989:186-224．
[7] 李强，王艳松．节能型配电变压器在油田电网的节能效果分析[J]．电气时代，2008，3:62-63
[8] 邵争艳，机械采油方式优选综合评价研究[D]．哈尔滨:哈尔滨工程大学，2004．
[9] 于蓝，胜坨油田机械采油方式优选研究[D] ．华东:中国石油大学，2007．
[10]杨海涛．新型节能抽油机的设计[J]．机械电子，2006(11) :71－73．