基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的抽油機(jī)節(jié)能調(diào)節(jié)算法研究

姚興宏（大慶油田有限責(zé)任公司儲(chǔ)運(yùn)銷售分公司）

1 現(xiàn)狀

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展和生產(chǎn)力水平的逐漸提高，國(guó)內(nèi)企業(yè)應(yīng)擺脫過去粗獷式的經(jīng)營(yíng)發(fā)展模式，向節(jié)能減排，減員增效的方向發(fā)展。在國(guó)有大型企業(yè)中，這種發(fā)展趨勢(shì)越發(fā)明顯。某油田有著數(shù)以萬計(jì)的油井和抽油機(jī)進(jìn)行24 h不間斷的生產(chǎn)作業(yè)，每座抽油機(jī)的日耗電量在20～180 kWh，如果能夠降低抽油機(jī)的耗電量將節(jié)省大量的電力資源。研究發(fā)現(xiàn)，造成耗電量差別巨大的原因主要有，抽油機(jī)的型號(hào)、磨損度、所處區(qū)塊的地質(zhì)環(huán)境等，都會(huì)造成抽油機(jī)耗電量的差別。為了有效可行的實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)的減耗節(jié)能，考慮通過調(diào)節(jié)抽油機(jī)平衡塊來降低抽油機(jī)能耗[1]。抽油機(jī)平衡塊的調(diào)節(jié)，主要是利用機(jī)械設(shè)備的杠桿原理，調(diào)節(jié)抽油機(jī)曲柄上的曲柄平衡塊，使抽油機(jī)運(yùn)行時(shí)，減小機(jī)械系統(tǒng)的多余的運(yùn)行損耗，以達(dá)到抽油機(jī)節(jié)能的目的[2]。抽油機(jī)平衡塊的調(diào)節(jié)，都是憑借前線工人的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

從大數(shù)據(jù)的角度出發(fā)，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的快速收斂和重復(fù)訓(xùn)練等特性，針對(duì)抽油機(jī)平衡塊調(diào)節(jié)，研發(fā)一個(gè)可以定量分析快速收斂的算法是可行的。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為最常用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型之一，在多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上計(jì)算的一種算法[3]（圖1）。該算法是一種計(jì)算偏導(dǎo)數(shù)的有效方法，算法由一個(gè)輸入層、一個(gè)輸出層及若干個(gè)隱藏層構(gòu)成[4]。每一個(gè)輸入對(duì)應(yīng)于訓(xùn)練元素的一個(gè)屬性，輸入模式從輸入層經(jīng)隱藏層單元層逐層處理，并轉(zhuǎn)向輸出層，每一層神經(jīng)元的狀態(tài)只影響下一層神經(jīng)元的狀態(tài)[5]。

圖1 多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

3 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的油井節(jié)能調(diào)節(jié)算法

3.1 問題提出

抽油機(jī)的平衡，就是指抽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，抽油機(jī)整體耗能最小時(shí)即為平衡。對(duì)于平衡的檢驗(yàn)，以往采用的是電流法，即采取抽油機(jī)在上、下沖程中的電流峰值的比(Ni)是否平衡來判斷。顯然，它不能全面反映抽油機(jī)的能耗情況，對(duì)抽油機(jī)平衡的判斷也是相對(duì)片面的，這在生產(chǎn)實(shí)踐中已得到了證實(shí)。現(xiàn)在，利用大數(shù)據(jù)分析和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法設(shè)計(jì)一種多參數(shù)輸入，整體考量的平衡塊調(diào)節(jié)方法。

抽油機(jī)運(yùn)行時(shí)，有大量參數(shù)參與配合，通過對(duì)傳統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)總結(jié)和抽油機(jī)運(yùn)行原理進(jìn)行分析，總結(jié)平衡塊調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 平衡塊調(diào)節(jié)參數(shù)

要解決的問題是：

1）若NI=I下/I上，通過調(diào)整Z上和Z下，讓NI=1。

2）若NP=P下/P上，通過調(diào)整Z上和Z下，讓NP=1。

3）根據(jù)以上分析，設(shè)N=NP，最終讓Q值達(dá)到最小。

3.2 算法目標(biāo)

基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的平衡塊調(diào)節(jié)算法的最基本目標(biāo)是在保證抽油機(jī)日常工作量的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)耗能降低。在理想情況下，抽油機(jī)平衡塊只有恒處于最佳工作位置時(shí)，抽油機(jī)機(jī)械系統(tǒng)會(huì)處于平衡狀態(tài)，抽油機(jī)整體耗能會(huì)降到最低[6]。而在平衡塊的實(shí)際調(diào)節(jié)過程中，很難將平衡塊一直處于最佳平衡位置，同時(shí)，影響平衡塊最佳位置的因素有很多，比如，不同的運(yùn)行環(huán)境，相同的抽油機(jī)最佳平衡位置可能不同。

相同的抽油機(jī)，在大致相似的環(huán)境中，其最佳平衡位置可能也存在較大差異[7]。想要更加好地發(fā)揮平衡塊的調(diào)節(jié)作用，需要在抽油機(jī)耗能增大時(shí)，準(zhǔn)確調(diào)整抽油機(jī)平衡塊位置，使平衡塊長(zhǎng)時(shí)間保持在最佳工作位置，即平衡位置，以實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)節(jié)能[8]。需要注意的是，平衡塊的調(diào)節(jié)都是冷調(diào)節(jié)，不是熱調(diào)節(jié)，也就是說，平衡塊的調(diào)節(jié)都是需要抽油機(jī)停機(jī)后，利用專用工具進(jìn)行平衡塊移動(dòng)，所以，算法中強(qiáng)調(diào)的準(zhǔn)確定量就非常必要，如果能在1～2次調(diào)節(jié)就將抽油機(jī)調(diào)節(jié)平衡，那節(jié)省大量時(shí)間和人力，并且由于減少停機(jī)次數(shù)，也會(huì)增加生產(chǎn)效率。

經(jīng)以上分析，可將問題分解為兩部分：

1）當(dāng)N＞1時(shí)，平 衡 塊 移 動(dòng) 距 離Δt=t平-t0＜0，推動(dòng)方向?yàn)閮?nèi)推。

2）當(dāng)N＞1時(shí)，平 衡 塊 移 動(dòng) 距 離Δt=t平-t0＞0，推動(dòng)方向?yàn)橥馔啤?/p>

若要使抽油機(jī)的耗電量達(dá)到最小，就需要根據(jù)不同情形求解出不同的t平，初始位置t0作為已知參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，而不同情況下NI和NP常常不會(huì)同時(shí)為1，這樣需要一個(gè)指標(biāo)來衡量不同計(jì)算結(jié)果的優(yōu)劣，以確保算法最終收斂。

3.3 算法設(shè)計(jì)

3.3.1 衡量?jī)?yōu)劣的指標(biāo)

由于抽油機(jī)工作時(shí)的負(fù)荷是交變的，所以，抽油機(jī)上沖和下沖時(shí)抽油機(jī)的整體狀態(tài)是不同的。在上沖程中，驢頭懸點(diǎn)需要提起抽油桿桿柱和液柱，電動(dòng)機(jī)必須消耗大量電能才能使驢頭上行；而下沖程中，由于抽油桿可以靠其自身重量下落，這時(shí)如果調(diào)整好抽油機(jī)的平衡，電動(dòng)機(jī)可以耗費(fèi)很少電能，或者幾乎不耗費(fèi)電能[9]。所以，調(diào)整平衡塊使抽油機(jī)整體達(dá)到平衡狀態(tài)，從定性分析上是可以達(dá)到節(jié)能的目的。

設(shè)t0為平衡塊當(dāng)前初始位置，t平為平衡塊移動(dòng)到平衡位置時(shí)的位置。我們的目標(biāo)是找到t平的位置，并使：E平=Min(E0，E1…)，式中E平為平衡位置時(shí)的耗電量，kWh；E0位初始位置耗電量，kWh。

記T1為抽油機(jī)上行時(shí)間，T2為抽油機(jī)下行時(shí)間，對(duì)于抽油機(jī)總體耗能有：

式中：E為總體耗電量，kWh；a和b是單位時(shí)間內(nèi)抽油機(jī)的耗能系數(shù)函數(shù)，規(guī)定單位時(shí)間為s；γ是抽油機(jī)每次行程開始和結(jié)束時(shí)的瞬時(shí)額定損耗。由于在實(shí)際運(yùn)行中T1≈T2，所以式（1）簡(jiǎn)化為：

根據(jù)抽油機(jī)機(jī)械原理，綜合上述分析，我們可以將平衡比N作為衡量平衡塊平衡的標(biāo)準(zhǔn)，平衡比越趨近于1，抽油機(jī)整體越平衡，反之則抽油機(jī)越不平衡。為了簡(jiǎn)化模型，可以定義效益函數(shù)：

3.3.2 計(jì)算方法

由于涉及到一系列調(diào)節(jié)策略，最佳平衡位置一直是動(dòng)態(tài)變化的，無法通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)得到一個(gè)確定的解，所以，只能依靠計(jì)算機(jī)程序的方式得出數(shù)值解的近似解。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，雖然最佳平衡位置在變化，但是，在抽油機(jī)正常運(yùn)行和磨損狀態(tài)下，平衡位置變化非常緩慢，在短時(shí)間內(nèi)可以認(rèn)為平衡位置不動(dòng)。這就為進(jìn)一步研究算法提供理論基礎(chǔ)和研究方向。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是有監(jiān)督、非線性的大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，它可以直接從要進(jìn)行測(cè)試的數(shù)據(jù)樣本中進(jìn)行學(xué)習(xí)，也可以使用已經(jīng)訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)試數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)，且所需時(shí)間相對(duì)較短。這種方式非常符合抽油機(jī)平衡塊調(diào)節(jié)的訓(xùn)練要求，大大提高了平衡塊調(diào)節(jié)的效率，算法學(xué)習(xí)的精度和收斂的速度。常用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型有ART網(wǎng)絡(luò)、hofield網(wǎng)絡(luò)、kohonen網(wǎng)絡(luò)及BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[10]。采用3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來實(shí)現(xiàn)該調(diào)節(jié)算法，算法結(jié)構(gòu)見表2。

將抽油機(jī)平衡塊調(diào)節(jié)的歷史數(shù)據(jù)運(yùn)行作為數(shù)據(jù)集，并將數(shù)據(jù)集分成2個(gè)部分，并對(duì)這2部分?jǐn)?shù)據(jù)分別進(jìn)行如下處理：

1）對(duì)數(shù)據(jù)集1進(jìn)行處理。隨機(jī)抽取1 000個(gè)位置點(diǎn)，作為平衡塊調(diào)節(jié)的位置點(diǎn)；運(yùn)用網(wǎng)格搜索的方法在初始位置與曲柄端點(diǎn)之間找到最合適的平衡位置t‘，使得t‘耗能比最小。

2）對(duì)數(shù)據(jù)集2進(jìn)行處理。求解出抽油機(jī)在結(jié)束位置ts下的耗電量Qs；在t0和ts之間，找到比這個(gè)耗電量更小的位置點(diǎn)，隨機(jī)選取1 000個(gè)位置點(diǎn)；通過網(wǎng)格搜索的方式，在結(jié)束位置與曲柄端點(diǎn)間找到合適的平衡位置t‘’，使得該位置的抽油機(jī)耗能最小。

3）當(dāng)平衡塊平衡位置大于t’，就用數(shù)據(jù)集1所對(duì)應(yīng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)去訓(xùn)練。

4）當(dāng)平衡塊平衡位置小于t‘’，就用數(shù)據(jù)集2所對(duì)應(yīng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)去訓(xùn)練。

5）將第3步和第4步預(yù)測(cè)的值作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用得到數(shù)據(jù)集1、數(shù)據(jù)集2的標(biāo)簽。

4 測(cè)試評(píng)估

對(duì)大約近十年的200口油井抽油機(jī)的平衡塊調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，并將得到的數(shù)學(xué)模型應(yīng)用到9口實(shí)際運(yùn)行的油井中，平衡比曲線調(diào)整前后變化見圖2、日耗電量曲線調(diào)整前后變化見圖3。

圖2 平衡比曲線調(diào)整前后變化

圖3 日耗電量曲線調(diào)整前后變化

1）調(diào)整后平衡比總體趨于平衡（趨近于1），但每口井趨近幅度不一致。

2）調(diào)整后耗電量總體趨于下降，但每口井下降幅度不同。

抽油機(jī)日耗電量見表3，定量分析如下：

1）耗電量：?jiǎn)尉疁p少2～13 kWh，平均減少5.8 kWh，減少中位數(shù)5.22 kWh。

2）省電比：省電比從1.92%～14.26%，平均省電比為6.47%。

表3 抽油機(jī)日耗電量

表2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法結(jié)構(gòu)

從實(shí)際操作的調(diào)節(jié)井?dāng)?shù)據(jù)來看，已經(jīng)達(dá)到節(jié)能的目的。需要說明的是，由于上井調(diào)節(jié)屬于驗(yàn)證性實(shí)踐，主要查看調(diào)節(jié)算法的準(zhǔn)確性，快速性，并定性和定量分析節(jié)能效率。受限于調(diào)節(jié)樣本的數(shù)量，種類以及規(guī)模，后續(xù)研究可能需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

5 結(jié)語

通過對(duì)抽油機(jī)平衡塊調(diào)節(jié)方面的研究，利用原有歷史調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)，使用大數(shù)據(jù)分析和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，計(jì)算出一個(gè)調(diào)節(jié)平衡塊的算法模型。該調(diào)節(jié)算法在不降低抽油機(jī)工作量的前提下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)抽油機(jī)平衡塊的定量調(diào)節(jié)，相比傳統(tǒng)憑經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)，該調(diào)節(jié)方法調(diào)節(jié)快速準(zhǔn)確。經(jīng)過實(shí)際上井調(diào)節(jié)檢驗(yàn)，驗(yàn)證了該算法的準(zhǔn)確性，可行性和實(shí)用性。通過調(diào)節(jié)前后抽油機(jī)的日耗電量對(duì)比，該調(diào)節(jié)算法具有一定的節(jié)能性能，后續(xù)可以進(jìn)行深入研究，進(jìn)一步優(yōu)化算法，提高節(jié)能效率。