本發(fā)明屬于機(jī)采系統(tǒng)數(shù)字化設(shè)備領(lǐng)域，具體涉及一種抽油機(jī)曲柄擺動(dòng)控制裝置及方法。

背景技術(shù)：

對(duì)于低產(chǎn)低效井，采用油井遠(yuǎn)程自動(dòng)間抽控制存在一定問題：一是液面波動(dòng)較大，影響產(chǎn)量。目前間抽井動(dòng)液面波動(dòng)范圍一般控制在100～200米，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，影響產(chǎn)量在10％以內(nèi)，動(dòng)液面波動(dòng)范圍控制越小產(chǎn)量影響越小。二是易造成井筒結(jié)蠟過載卡井，抽油桿上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)防止油管內(nèi)結(jié)蠟，油井抽吸的過程也是刮蠟的過程，停抽后容易在油管內(nèi)壁結(jié)蠟。三是存在安全隱患，抽油機(jī)停止工作再次啟動(dòng)時(shí)，設(shè)備自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)容易造成人員和牲畜的傷害。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種抽油機(jī)曲柄擺動(dòng)控制裝置及方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)中的問題，避免液面波動(dòng)范圍大、起到一定的刮蠟和安全警示作用，本發(fā)明通過控制抽油機(jī)曲柄擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)油井間抽控制，使抽油機(jī)工作制度處于最佳工作狀態(tài)。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種抽油機(jī)曲柄擺動(dòng)控制裝置，包括依次電連接的控制器、變頻裝置、電動(dòng)機(jī)和抽油機(jī)，所述電動(dòng)機(jī)上連接有轉(zhuǎn)速傳感器和電參采集模塊，所述抽油機(jī)上連接有載荷傳感器、位移傳感器以及曲柄位置傳感器，所述轉(zhuǎn)速傳感器、電參采集模塊、載荷傳感器、位移傳感器以及曲柄位置傳感器均連接至控制器。

進(jìn)一步地，所述載荷傳感器安裝于抽油機(jī)的懸繩器和方卡子之間，當(dāng)抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)傳感器承受抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷，造成內(nèi)部應(yīng)變片發(fā)生變形，最終轉(zhuǎn)化成為抽油機(jī)光桿的載荷變化。

進(jìn)一步地，所述位移傳感器安裝于抽油機(jī)的游梁下方。

進(jìn)一步地，所述曲柄位置傳感器安裝于抽油機(jī)的曲柄位置上。

進(jìn)一步地，所述轉(zhuǎn)速傳感器、載荷傳感器、位移傳感器和曲柄位置傳感器與控制器之間均通過無線傳輸數(shù)據(jù)。

一種抽油機(jī)曲柄擺動(dòng)控制方法，包括以下步驟：

步驟一：通過載荷傳感器、位移傳感器以及曲柄位置傳感器采集抽油機(jī)載荷、位移及曲柄位置數(shù)據(jù)，同時(shí)通過轉(zhuǎn)速傳感器和電參采集模塊采集電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和電參數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)抽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)監(jiān)控；

步驟二：控制器根據(jù)步驟一所測(cè)參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算，自適應(yīng)調(diào)整曲柄擺動(dòng)的工作制度，計(jì)算電機(jī)運(yùn)行及停止時(shí)間、電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速分布和電流頻率分布，并將計(jì)算得到的參數(shù)發(fā)送給變頻裝置；

步驟三：變頻裝置控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，進(jìn)而控制抽油機(jī)曲柄擺動(dòng)。

進(jìn)一步地，步驟二中具體包括：

(a)通過載荷及位移數(shù)據(jù)得到載荷與時(shí)間、位移與時(shí)間曲線，進(jìn)而得到井口光桿示功圖，根據(jù)光桿示功圖得到該井的沖程損失，沖程損失大小即為光桿運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度，滿足抽油桿上下運(yùn)動(dòng)而抽油泵停止工作，由光桿運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度折算到曲柄最大擺動(dòng)幅度，初步確定曲柄擺動(dòng)位置和曲柄擺動(dòng)幅度；有一個(gè)明顯擺動(dòng)跡象的角度<曲柄擺動(dòng)幅度<沖程損失折算曲柄擺動(dòng)角度；

(b)控制器根據(jù)曲柄擺動(dòng)位置和曲柄擺動(dòng)幅度以及實(shí)時(shí)采集的曲柄位置數(shù)據(jù)，給變頻器發(fā)送指令，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和驅(qū)動(dòng)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)曲柄擺動(dòng)初步控制；

(c)在擺動(dòng)過程中，控制器通過采集電參數(shù)據(jù)計(jì)算電動(dòng)機(jī)功率，并根據(jù)擺動(dòng)過程中功率最小值得到曲柄最佳驅(qū)動(dòng)位置，然后折算到電機(jī)運(yùn)行及停止時(shí)間、電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速分布和電流頻率分布，并將計(jì)算得到的參數(shù)發(fā)送給變頻裝置，確保能耗最小，僅為正常運(yùn)行的10-15％。

進(jìn)一步地，每個(gè)沖程周期內(nèi)等時(shí)間間隔測(cè)取數(shù)據(jù)組點(diǎn)數(shù)不少于200個(gè)。

進(jìn)一步地，步驟(a)中初步確定曲柄擺動(dòng)位置為上死點(diǎn)位置。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：

本發(fā)明裝置為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的擺動(dòng)運(yùn)行，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速、曲柄位置和運(yùn)行電參進(jìn)行同步采集，通過電機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、曲柄位置傳感器和電參采集模塊來實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行狀態(tài)的信號(hào)采集，同時(shí)采用控制器對(duì)整周運(yùn)行與擺動(dòng)運(yùn)行切換控制，在擺動(dòng)運(yùn)行時(shí)對(duì)運(yùn)行功率、速度的分布進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)擺動(dòng)運(yùn)行設(shè)計(jì)通過變頻器進(jìn)實(shí)時(shí)調(diào)整運(yùn)行速度，通過能耗對(duì)比找到曲柄擺動(dòng)幅度及最佳驅(qū)動(dòng)位置，實(shí)現(xiàn)最小的能耗控制曲柄擺動(dòng)，避免常規(guī)油井間抽過程中，由于停井帶來的油井液面波動(dòng)、井筒結(jié)蠟和安全隱患問題等。

本發(fā)明方法應(yīng)用曲柄擺動(dòng)控制代替常規(guī)間抽中停機(jī)等待的過程，很好的避免了停井帶來的井筒結(jié)蠟和安全隱患問題，實(shí)現(xiàn)了井場(chǎng)自動(dòng)、安全、無人值守間抽運(yùn)行，解決了現(xiàn)場(chǎng)人工間抽管理難度大、費(fèi)時(shí)費(fèi)力的問題，另外地面不停機(jī)井下間歇采油，能夠根據(jù)油井液面恢復(fù)速度確定和調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，停泵時(shí)間短，根據(jù)功圖充滿度閉環(huán)控制電機(jī)運(yùn)行速度，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)不停機(jī)間抽運(yùn)行，所采用系統(tǒng)具備工頻和變頻兩種控制模式，且可實(shí)現(xiàn)工頻和變頻之間自動(dòng)切換，設(shè)備損壞不影響正常生產(chǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明控制方法示意圖；

圖2為本發(fā)明控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明控制裝置的詳細(xì)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為曲柄擺動(dòng)角度計(jì)算流程圖；

圖5為最佳驅(qū)動(dòng)位置計(jì)算流程圖；

圖6為沖程損失折算曲柄擺動(dòng)幅度示意圖；

圖7為電參數(shù)據(jù)曲線圖；

圖8為曲柄運(yùn)行與時(shí)間關(guān)系圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述：

參見圖1至圖3，抽油機(jī)曲柄擺動(dòng)控制裝置包括電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器和電參采集模塊，抽油機(jī)載荷傳感器、位移傳感器和曲柄位置傳感器，以及變頻裝置和RTU控制器。

載荷傳感器、位移傳感器、曲柄位置傳感器等采集抽油機(jī)載荷、位移、曲柄位置數(shù)據(jù)，電機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、電參采集模塊同時(shí)同步采集電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和電參數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)抽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)監(jiān)控。

RTU控制器是抽油機(jī)不停機(jī)間抽控制的大腦中樞，RTU根據(jù)這些采集參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算，自適應(yīng)調(diào)整抽油機(jī)正常運(yùn)行和不停機(jī)曲柄擺動(dòng)的工作制度，計(jì)算電機(jī)運(yùn)行及停止時(shí)間、電機(jī)轉(zhuǎn)速和電源頻率分布。實(shí)現(xiàn)對(duì)抽油機(jī)運(yùn)行參數(shù)的采集、智能分析及參數(shù)調(diào)整。

變頻器是實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的主要部件,接收RTU發(fā)送的控制指令，通過控制電源頻率、工作時(shí)間從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)不停機(jī)間抽功能，變頻調(diào)速技術(shù)可實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動(dòng),對(duì)電網(wǎng)無沖擊。具有過電壓保護(hù)、欠電壓保護(hù)、過電流保護(hù)、電機(jī)過載保護(hù)、變頻器過熱保護(hù)和外部故障保護(hù)等保護(hù)功能。

本發(fā)明采集抽油機(jī)載荷、位移、曲柄位置數(shù)據(jù)，同時(shí)同步采集電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和電參數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)抽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)監(jiān)控，控制器根據(jù)這些參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算，自適應(yīng)調(diào)整曲柄擺動(dòng)的工作制度，計(jì)算電機(jī)運(yùn)行及停止時(shí)間、電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速ω分布和電流頻率f分布。并將參數(shù)發(fā)送給變頻裝置，變頻裝置通過控制電流頻率、工作時(shí)間等控制電機(jī)運(yùn)行，達(dá)到控制曲柄擺動(dòng)的目的。具體過程如下：

1.通過安裝在井口懸繩器上的載荷傳感器和游梁下方的位移傳感器，對(duì)抽油機(jī)井抽油桿載荷和位移進(jìn)行測(cè)量，采集載荷與時(shí)間、位移與時(shí)間曲線，一個(gè)沖程周期內(nèi)等時(shí)間間隔測(cè)取數(shù)據(jù)組點(diǎn)數(shù)不少于200個(gè)。采集數(shù)據(jù)發(fā)送至控制器，通過控制器RTU計(jì)算獲得井口光桿示功圖，根據(jù)光桿示功圖可以得到該井的沖程損失，沖程損失等于抽油桿和油管的變形量之和，沖程損失大小即為光桿運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度，該長(zhǎng)度滿足抽油桿上下運(yùn)動(dòng)而抽油泵停止工作。再由光桿運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度折算到曲柄擺動(dòng)幅度，初步確定擺動(dòng)位置為上死點(diǎn)位置和曲柄擺動(dòng)幅度。

2.在抽油機(jī)曲柄位置安裝曲柄位置傳感器，同步采集曲柄位置，通過無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至控制器RTU。已知擺動(dòng)位置為上死點(diǎn)位置和曲柄擺動(dòng)幅度，RTU根據(jù)實(shí)時(shí)采集曲柄位置數(shù)據(jù)，給變頻器發(fā)送指令，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和驅(qū)動(dòng)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)曲柄擺動(dòng)初步控制。在電機(jī)軸輸出端安裝轉(zhuǎn)速傳感器，同步采集電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速，反饋給控制器RTU。

3.還安裝有電能采集模塊，在擺動(dòng)過程中，通過電壓和電流采集電路對(duì)抽油機(jī)電機(jī)的三相電流、電壓進(jìn)行同步采集，采集電參數(shù)據(jù)發(fā)送至三相電能質(zhì)量分析芯片計(jì)算電機(jī)功率，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至控制器RTU，RTU對(duì)比尋找擺動(dòng)過程中功率最小值，確定出最佳驅(qū)動(dòng)位置，最終折算到電機(jī)運(yùn)行及停止時(shí)間、電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速ω分布和電流頻率f分布。并將參數(shù)發(fā)送給變頻裝置，變頻裝置通過控制電流頻率、工作時(shí)間等控制電機(jī)運(yùn)行，達(dá)到控制曲柄擺動(dòng)的目的。

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明：

參見圖4，為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的擺動(dòng)運(yùn)行，對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、曲柄位置和運(yùn)行電參進(jìn)行同步采集，通過電參采集模塊、電機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、曲柄位置傳感器來實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行狀態(tài)的信號(hào)采集，同時(shí)智能控制器對(duì)整周運(yùn)行與擺動(dòng)運(yùn)行切換控制，在擺動(dòng)運(yùn)行時(shí)對(duì)運(yùn)行功率、速度的分布進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)擺動(dòng)運(yùn)行設(shè)計(jì)通過變頻器進(jìn)實(shí)時(shí)調(diào)整運(yùn)行速度。

參見圖6，首先根據(jù)光桿示功圖計(jì)算油井的沖程損失，再根據(jù)沖程損失折算曲柄擺動(dòng)角度。如一個(gè)周期實(shí)際沖程是2.5m，沖程損失為0.5m，沖程損失大小即為光桿運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度，則光桿運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度不得大于0.5m，只有抽油桿在該長(zhǎng)度下運(yùn)動(dòng)才能滿足抽油泵停止工作。光桿示功圖代表一個(gè)沖程，包括上沖程和下沖程，一個(gè)沖程對(duì)應(yīng)光桿運(yùn)行5m，曲柄旋轉(zhuǎn)一周360度，沖程損失0.5m對(duì)應(yīng)光桿運(yùn)行0.5m，曲柄單向最大擺動(dòng)角度為36度。

參見圖7，通過電參采集模塊中的電壓和電流采集電路對(duì)抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)的三相電流、電壓進(jìn)行同步采集，采集電參數(shù)據(jù)發(fā)送至三相電能質(zhì)量分析芯片計(jì)算電機(jī)功率，對(duì)比尋找擺動(dòng)過程中功率最小值，一般出現(xiàn)在上死點(diǎn)位置，初步確定擺動(dòng)位置為上死點(diǎn)位置和曲柄擺動(dòng)幅度。

參見圖5，按初步確定擺動(dòng)位置為上死點(diǎn)位置和曲柄擺動(dòng)幅度，折算電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速和運(yùn)行及停止時(shí)間。由于每口井平衡狀態(tài)不同，擺動(dòng)過程中的最小功率值點(diǎn)不一定在上死點(diǎn)位置，需要進(jìn)一步精確判斷，再對(duì)比擺動(dòng)過程中功率最小值點(diǎn)，因此確定出最佳驅(qū)動(dòng)位置。

最終折算到電機(jī)運(yùn)行及停止時(shí)間、電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速ω分布和電流頻率f分布。并將參數(shù)發(fā)送給變頻裝置，變頻裝置通過控制電流頻率、工作時(shí)間等控制電機(jī)運(yùn)行，達(dá)到控制曲柄擺動(dòng)的目的。

變頻器控制三相異步電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速的原理如式(1)所示：

n＝(1-s)60f/p (1)

式1中，s為三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差率，p為電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)，f為電動(dòng)機(jī)定子電源頻率，當(dāng)p一定時(shí)，在轉(zhuǎn)差率的浮動(dòng)不大的情況下，對(duì)f進(jìn)行調(diào)節(jié)，n與其的變化成正相關(guān)變化。

運(yùn)行制度是以滿足動(dòng)液面波動(dòng)范圍小，對(duì)產(chǎn)量影響最小為目標(biāo)，結(jié)合實(shí)時(shí)采集的功圖數(shù)據(jù)，根據(jù)功圖充滿度，進(jìn)行短周期控制。如圖8所示，當(dāng)時(shí)間從0到t₁時(shí)，為曲柄整周運(yùn)行階段，電機(jī)加速運(yùn)行到轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速后開始減速到0，時(shí)間從t₁到t₂時(shí)，為曲柄擺動(dòng)運(yùn)行階段，電機(jī)開始加速達(dá)到某一設(shè)定值后減速，電機(jī)反轉(zhuǎn)開始加速達(dá)到某一設(shè)定值后減速，如此反復(fù)。到達(dá)t₂時(shí)刻開始下一個(gè)周期運(yùn)轉(zhuǎn)。

整周運(yùn)行：采用電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，確保電機(jī)效率最高。

擺動(dòng)運(yùn)行：曲柄擺動(dòng)運(yùn)行時(shí)，控制目標(biāo)為能耗最小，即通過控制曲柄擺動(dòng)角度和最佳擺動(dòng)位置，確保系統(tǒng)耗電量最低，同時(shí)要滿足曲柄有明顯擺動(dòng)跡象。