專利名稱：抽油機變頻調(diào)速智能控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
涉及領(lǐng)域本實用新型涉及油田專用的采油地面設(shè)備，特別是機械采油井的一種抽油機變頻調(diào)速智能控制裝置。
針對以上問題，中國專利98201005.2“能調(diào)節(jié)沖次的抽油機”提供了一種利用載荷及位移傳感器與控制器配用動態(tài)調(diào)節(jié)抽油機沖次以提高效率的抽油機，因其采用了較多電子電力元器件，增加了設(shè)備制造及現(xiàn)場維護費用。又如中國專利00211530.1“一種智能抽油機”介紹了一種采用直接重力平衡方式利用計算機控制變頻器帶動調(diào)速電機運行的長沖程抽油機，雖提高了采油效率，但其采用的壓力傳感器及較多的計算機控制元器件卻增加了該抽油機的制造及維護費用。又如中國專利96201939.9“游梁式抽油機智能控制裝置”利用電流、電壓傳感器間接檢測工況并通過可編程控制器(PLC)及變頻器自動控制異步電機工作頻率，也能節(jié)電及提高抽油系統(tǒng)效率，但同樣存在成本與維護技術(shù)難度大等問題。由于抽油井井下實際工況千變?nèi)f化，無法通過電流、電壓、載荷傳感器等元器件間接測得，甚至不同井工況差別更大，許多油井參數(shù)只能通過專用儀表現(xiàn)場測得，因此上述幾種抽油機及裝置通過間接手段實現(xiàn)的閉環(huán)自動控制無法在現(xiàn)場推廣應(yīng)用，而其高的制造成本及維護費用更不易為用戶所接受。
本實用新型的目的用如下方法實現(xiàn)包括抽油機1、電動機2、開關(guān)3、變頻器4、時間繼電器5、電位器6、制動電阻7、斷路器8、時鐘控制器9、電鈴10、傳感器11、單片機12，抽油機1上安裝3開關(guān)，并與變頻器4控制端連接，制動電阻7與變頻器4制動端連接，時間繼電器5連在變頻器4的控制端，電位器6與電鈴10均連接變頻器4的控制端，斷路器8外接交流電與時鐘控制器9輸入端連接，時鐘控制器9輸出端連接變頻器4電源端，變頻器4輸出端與電動機2連接；本實用新型還采用如下技術(shù)內(nèi)容變頻器4內(nèi)置電抗器41，串聯(lián)在變頻器4電源端，內(nèi)置制動斬波器42，連在變頻器4直流端子上。
流量傳感器11安裝在單井出油管上，其信號輸出端與單片機12相連，單片機12輸出端連接變頻器4控制端，單片機12內(nèi)預(yù)設(shè)多個抽油機沖次和上、下沖程速度比。
變頻器4預(yù)留外部通訊模塊4.3接口。
變頻器可設(shè)置兩套加/減速時間，一套控制電動機軟啟動減少電流沖擊，另一套使變頻器利用接近開關(guān)檢測的抽油機上、下沖程死點位置信號快速變頻改變抽油機上、下沖程速度比以提高泵效；變頻器還對電動機的運行頻率、轉(zhuǎn)速、電流、功率、扭矩等參數(shù)具有動態(tài)檢測并在控制面板顯示的功能，同時對電動機實現(xiàn)欠過壓、過流及過載保護及故障自恢復(fù)功能，減少電機故障率；變頻器還可利用對轉(zhuǎn)矩的檢測功能對電動機實現(xiàn)閉環(huán)控制實現(xiàn)抽油機節(jié)電的目的；電位器可以隨時在一定范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)電動機頻率進而設(shè)定抽油機上、下沖程的不同運行速度；由時間繼電器實現(xiàn)兩套加/減速時間的切換；制動電阻自動泄放電動機反發(fā)電產(chǎn)生的負(fù)功率；裝置來電自啟動前及電動機故障后起由電鈴起報警作用；斷路器外接380V交流電經(jīng)時鐘控制器輸入為整套裝置供電；時鐘控制器控制間隙抽油井自動開、斷電源。
加裝流量傳感器和單片機實現(xiàn)閉環(huán)自動控制其性能更為完善，優(yōu)點更突出，安裝在單井出油管上的流量傳感器其信號輸出端與單片機輸入端相連，單片機輸出端連接變頻器控制端，單片機預(yù)設(shè)多個抽油機沖次和上、下沖程速度比，直接根據(jù)所檢測的流量傳感器的信號自動計算運行沖次下的泵效和噸油耗電并進行比較，自動控制抽油機在最佳沖次下工作，動態(tài)調(diào)節(jié)抽油機的工作制度，使井中的動液面保持在設(shè)定深度附近，保證抽油機時刻處在最佳工作狀態(tài)，提高機采系統(tǒng)效率更高，節(jié)電更顯著。
本實用新型的優(yōu)點該裝置可以根據(jù)油井產(chǎn)液量變化情況自動調(diào)節(jié)抽油機沖次及上下沖程速度比，減少泵閥漏失提高泵效，保證抽油機的抽汲能力不斷與變化的井底流入條件相匹配，實現(xiàn)抽油機節(jié)能及提高機采系統(tǒng)效率的目的；由于沒有使用電流、電壓及載荷等傳感器，而僅采用了少量開關(guān)順序電路，裝置的故障率減少50％以上，同時大大減少了維護費用；由于可以降低電機及變壓器等設(shè)備的裝機容量減少初期投資，同時除變頻器外其他控制元器件均為國產(chǎn)，智能控制裝置改造的成本也大大降低，全套設(shè)備投資基本與原投資相當(dāng)，而性價比很高。
具體實施如


圖1所示，本實用新型是用油田常用的游梁式抽油機1、普通三相異步電動機2、電感式接近開關(guān)3、智能化變頻調(diào)速器4、時間繼電器5、電位器6、制動電阻7、斷路器8、時鐘控制器9、電鈴10等組成。其工作過程以自動控制檔為例進行說明首先合上斷路器8，時鐘控制器9接通(非間歇抽油情況下)，裝置來電自啟動，電鈴10報警，時間繼電器5開始工作，變頻器4按第一套加/減速時間軟啟動，若干秒后時間繼電器5切換，變頻器4采用第二套加/減速時間實現(xiàn)上、下沖程的快速頻率切換，根據(jù)接近開關(guān)3檢測的抽油機1上、下沖程死點位置信號控制電動機2帶動抽油機1在不同的工作制度下運行，上、下沖程的運行頻率隨時可通過裝置控制面板上的電位器6任意調(diào)節(jié)，制動電阻7隨時泄放電動機2反發(fā)電產(chǎn)生的負(fù)功率，電動機2任何故障均有電鈴10報警功能，對電動機2欠過壓、過流等故障變頻器4具有故障自恢復(fù)功能，預(yù)設(shè)時間間隔內(nèi)自動恢復(fù)運行，連續(xù)多次故障電鈴10才持續(xù)報警等待修復(fù)。安裝有流量傳感器11的油井在工作一定時間后流量傳感器11自動采集油井產(chǎn)液量信號并反饋給單片機12，單片機12根據(jù)所工作的沖次自動計算抽油機1的泵效及噸油耗電，如此連續(xù)計算不同沖次下的泵效優(yōu)選其中最大值后控制抽油機1在此時的工作制度下工作，間隔較長時間后再重復(fù)優(yōu)選抽汲參數(shù)，一直保持單井較高的泵效及較低的噸油耗電，保證抽油機1抽汲能力不斷與變化的井底流入條件相匹配，提高機采系統(tǒng)效率。若為間歇抽油井時鐘控制器10暫不通電待時間到達后自動通電重復(fù)以上操作。
變頻器4對電動機2運行參數(shù)具有動態(tài)檢測功能，而由于抽油機1的工作特點，電動機2轉(zhuǎn)矩的波動范圍很大，可以通過變頻器4對電動機2實際扭矩的實時檢測功能，利用“轉(zhuǎn)矩跟隨”功能動態(tài)調(diào)節(jié)電動機2轉(zhuǎn)速(頻率)，在電動機2扭矩較小時加速運轉(zhuǎn)，而在扭矩較大時低速運行(慢爬坡)，減少電動機2扭矩及輸入功率的波動范圍，減少熱損耗，實現(xiàn)抽油機1節(jié)電的目的；同時由于可以控制抽油機1在上、下沖程死點位置換向時使電動機2低速運行，也減少了對抽油桿突然拉壓產(chǎn)生的慣性載荷，減少了沖程損失，增大了抽油泵柱塞行程，實現(xiàn)提高抽油機1泵效和提高單井系統(tǒng)效率的目的。由于抽油機1自身的地面功率損耗要比井下功率損耗多，而電動機2的扭矩波動范圍又大，一部分時間電動機2為空載或負(fù)發(fā)電運行，根據(jù)變頻器4對電動機2運行參數(shù)的動態(tài)檢測及閉環(huán)控制，可以利用變頻器4的“運轉(zhuǎn)啟動”功能，當(dāng)變頻器4自動檢測電動機2扭矩較小時變頻器4自行給電動機2斷電，僅靠電動機2的慣性作用運行數(shù)秒后再由變頻器4給正在慣性運轉(zhuǎn)的電動機2供電，靠變頻器4先對電動機2施加一個較小的轉(zhuǎn)矩并搜尋電動機2運行速度的頻率，然后再加速到設(shè)定的輸出頻率(仍為軟啟動對電機無沖擊)，達到減少電動機2帶電實際運行時間的目的，可以起到明顯的節(jié)電效果。
對于采用閉環(huán)自動控制的采油井，安裝在單井出油管上的流量傳感器11其信號輸出端與單片機12輸入端相連，單片機12輸出端連接變頻器4控制端，單片機12預(yù)設(shè)多個抽油機1沖次和上、下沖程速度比，直接根據(jù)所檢測的流量傳感器11的信號自動計算運行沖次下的泵效和噸油耗電并進行比較，自動控制抽油機1在對應(yīng)泵效最高或噸油耗電最低的沖次下工作，動態(tài)自行調(diào)節(jié)抽油機1的工作制度，使井中的動液面保持在設(shè)定深度附近，保證抽油機1時刻處在最佳工作狀態(tài)，提高機采系統(tǒng)效率更高，節(jié)電更顯著。
在變頻器4內(nèi)預(yù)置與電源端串聯(lián)的交流電抗器4.1可有效防止電網(wǎng)電壓波動對變頻器4的影響，保證變頻器4的使用壽命，由于變頻器4不能接受負(fù)電流，內(nèi)置與變頻器4直流端子連接的制動斬波器4.2外接制動電阻7，制動電阻7可實時泄放電動機2反發(fā)電產(chǎn)生的負(fù)功率保證變頻器4的正常使用，變頻器4內(nèi)預(yù)留外部通訊模塊4.3遵循modbus通訊協(xié)議可隨時與終端機連接實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸，對單井或區(qū)塊井進行遙測、遙控。
本實用新型的抽油機1除了游梁式抽油機外還可用于無游梁式抽油機(鏈條機、直線往復(fù)式抽油機等)，電動機2還可采用雙功率電動機、超高轉(zhuǎn)差電動機等節(jié)能電動機，安裝于抽油機1上的接近開關(guān)3還可采用紅外線光電開關(guān)、霍爾開關(guān)等其他位置傳感器，變頻器4上預(yù)留的外部通訊模塊4.3接口還可遵循Interbus、Profibus等遠(yuǎn)程通訊協(xié)議，根據(jù)油井產(chǎn)液量信號自動計算泵效和噸油耗電的單片機12也可采用可編程控制器PLC或其他高級算法設(shè)備。
權(quán)利要求1.一種抽油機變頻調(diào)速智能控制裝置，包括抽油機(1)、電動機(2)、開關(guān)(3)、變頻器(4)、時間繼電器(5)、電位器(6)、制動電阻(7)、斷路器(8)、時鐘控制器(9)、電鈴(10)、傳感器(11)、單片機(12)，其特征在于抽油機(1)上安裝開關(guān)(3)，并與變頻器(4)控制端連接，制動電阻(7)與變頻器(4)制動端連接，時間繼電器(5)連在變頻器(4)的控制端，電位器(6)與電鈴(10)均連接變頻器(4)的控制端，斷路器(8)外接交流電與時鐘控制器(9)輸入端連接，時鐘控制器(9)輸出端連接變頻器(4)電源端，變頻器(4)輸出端與電動機(2)連接；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種抽油機變頻調(diào)速智能控制裝置，其特征在于變頻器(4)內(nèi)置電抗器(41)，串聯(lián)在變頻器(4)電源端，內(nèi)置制動斬波器(42)，連在變頻器(4)直流端子上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種抽油機變頻調(diào)速智能控制裝置，其特征在于流量傳感器(11)安裝在單井出油管上，其信號輸出端與單片機(12)相連，單片機(12)輸出端連接變頻器(4)控制端，單片機(12)內(nèi)預(yù)設(shè)多個抽油機沖次和上、下沖程速度比。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種抽油機變頻調(diào)速智能控制裝置，其特征在于變頻器(4)預(yù)留外部通訊模塊(43)接口。
專利摘要一種抽油機變頻調(diào)速智能控制裝置，主要由變頻器、電位器及其他開關(guān)等組成，抽油機1與變頻器4控制端連接，制動電阻7與變頻器4制動端連接，時間繼電器5連在變頻器4的控制端，電位器6與電鈴10均連接變頻器4的控制端，時鐘控制器9輸出端連接變頻器4電源端，變頻器4輸出端與電動機2連接，可以根據(jù)油井產(chǎn)液量變化自行調(diào)節(jié)抽油機沖次及上、下沖程速度比，提高泵效及降低噸油耗電，使抽油機的抽汲能力不斷與變化的井底流入條件相匹配，達到提高機采系統(tǒng)效率和節(jié)能的目的，該裝置可以降低電動機及變壓器等設(shè)備裝機容量，采用少量的開關(guān)順序電路不僅減少了裝置故障率，同時也降低了成本及維護費用，結(jié)構(gòu)簡單合理，性價比很高。
文檔編號E21B43/12GK2568810SQ0224353
公開日2003年8月27日 申請日期2002年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月26日
發(fā)明者姜建勝, 劉先剛, 劉甦, 丁建林, 顧文濱, 韓永勝 申請人:中國石油化工股份有限公司江蘇油田分公司石油工程技術(shù)研究院