一种油田抽油机节能矢量控制柜的制作方法

本发明涉及抽油机领域，尤其涉及一种油田抽油机节能矢量控制柜。

背景技术：
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近些年来，统计油田油井现场测试的相关数据：抽油机井电机平均功率利用率23.5%，平均功率因数为0.53，系统效率仅为23.5%，系统效率低，提升空间大，分析影响系统效率的因素很多，归纳起来主要有2个方面，即设备因素和技术管理水平。

抽油机运动特点是带负荷启动，启动力矩大，为了满足最大转矩的需求，同时为保证在结蜡、出砂和抽油机不平衡时有一定宽裕度，抽油机必须配备较大功率的电机、减速箱和变压器，但是正常生产时抽油机驴头承受的是周期性脉动负荷，最大负荷与最小负荷差值大，在一个过程中相当长的时间轻载运行，大部分井运行功率仅是电机装机功率20%-30%，即所谓的“大马拉小车”，使电机效率低，地面效率低，抽油机以常规四连杆机构为主，常规型抽油机尽管有种种优点，但缺点也尤为突出，常规型抽油机载荷拨动系数和悬点加速度大，配套电机功率大，平衡效果差，即使在平衡效果较好的情况下，减速箱峰值扭矩仍较大，常规型抽油机由于其几何尺寸和启动力矩需求，配套电机功率大，而运行时均值功率却不大，节能电机少，常规电机多，交流异步电机的效率和功率因数在额定值附近达到最大值，常规抽油机运动特性决定电机长期运行在低效区，电机电能利用差，造成了较低的功率因数和电能的浪费，而且很多电机多次维修和严重老化，使电机效率低，网损、铜损严重，无功功耗大。

技术实现要素：
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为了解决上述问题，本发明提供了一种结构原理简单、设计新颖，能够降本增效，节约能耗，提高抽油机抽油系统的机采效率的技术方案：

一种油田抽油机节能矢量控制柜，主要包括柜体1，柜体前端设有柜门，柜门上设有触摸显示屏，柜体内中央位置设置矢量变频器，矢量变频器包括整流部分、中间直流环节、逆变部分和控制部分，整流部分为三相桥式不可控整流器，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，控制部分为DSP处理器。

作为优选，柜体内还设有制动装置、防雷模块，柜体顶端和底部设有大功率轴流风扇，柜体两侧及后侧设有条状散热孔，条状散热孔上设有散热铝片，柜体内部上端、下端、左侧、右侧以及后端连通为散热通道，散热通道上下两端面和左右两侧侧及后端面上设有通孔，通孔与条状散热孔以及轴流风扇位置相对应，通孔上设有防风纱网罩。

作为优选，柜体高1800mm，宽1300mm，厚1000mm。

作为优选，散热通道两侧与柜体两侧间距离为200mm，散热通道后端面与柜体后端面之间距离为100mm。

作为优选，矢量变频器的输入功率与抽油机运行关系有以下公式：

其中：n₁表示抽油机电机运转效率；n₂表示抽油机电机皮带轮传动效率；n₃表示抽油机减速箱传动效率；n₄表示抽油机四连杆机构传动效率；k₁表示减速箱输出轴平均扭矩系数；k₂表示平均系数；W_max、W_min表示抽油机悬点承受的最大和最小载荷。

作为优选，抽油机悬点的运动速度有如下公式：

其加速度有如下公式：

，其中。

作为优选，抽油机抽油杆柱引起的最大惯性载荷为F_iru:

F_iru =

上冲程时液柱引起的最大惯性载荷为F_ilu：

则上冲程时悬点最大惯性载荷F_iu:

F_iu=

下冲程时抽油杆柱引起的最大惯性载荷F_ird：

其中，W_r表示抽油杆柱重量；W_l表示液柱重量；r表示曲柄半径；l表示连杆长度；表示油管过流断面扩大引起液柱加速度降低的系数。

本发明的有益效果在于：

（1）本发明结构原理简单、设计新颖，采用的矢量变频器不仅带有变频功能，同时也能把能量回馈给电网，供其他设备应用，达到进一步节能，不会造成电网污染。

（2）本发明实现了抽油机电动机的软启动，对电网无冲击，能够提高功率因数，减轻了电网及变压器的负担，降低了线损，可以实现油井节电，增效和增产，从而提高整个抽油系统的机采效率。

附图说明：

图1为本发明的外形结构图；

图2为本发明的内部局部示意图。

具体实施方式：

为使本发明的发明目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

如图1、图2所示，一种油田抽油机节能矢量控制柜，主要包括柜体1，柜体1高1800mm，宽1300mm，厚1000mm。所述柜体1前端设有柜门2，柜门2上设有触摸显示屏3，柜体1内中央位置设置矢量变频器4，矢量变频器4包括整流部分、中间直流环节、逆变部分和控制部分，整流部分为三相桥式不可控整流器，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，控制部分为DSP处理器，工频交流电源通过整流部分转换成直流电源，然后再把直流电源转换成不同频率的交流电供给抽油机电动机，使抽油机电动机获得无极调速所需要的电压电流和频率，柜体1内还设有制动装置5、防雷模块6，柜体1顶端和底部设有大功率轴流风扇7，柜体1两侧及后侧设有条状散热孔8，条状散热孔8上设有散热铝片9，柜体1内部上端、下端、左侧、右侧以及后端连通为散热通道10，散热通道10上下两端面和左右两侧侧及后端面上设有通孔11，通孔11与条状散热孔8以及轴流风扇位置相对应，通孔11上设有防风纱网罩12，散热通道两侧与所述柜体两侧间距离为200mm，所述散热通道后端面与所述柜体后端面之间距离为100mm。此设计能够提高柜体的散热效果和防雷性能，同时还具有较高的防尘、防雨等级。

为了满足抽油机上下冲程的连续工作，变频器必须配有能耗制动单元，使抽油机的配重块在某一状态拖动电机发电时，让其发出的电能消耗掉，避免变频器的直流母线电压泵升过高而停止运行，这样一部分能量就以热的方式给消耗掉，浪费能量。

本发明的矢量变频器2的输入功率与抽油机运行关系有以下公式：

其中：n₁表示抽油机电机运转效率；n₂表示抽油机电机皮带轮传动效率；n₃表示抽油机减速箱传动效率；n₄表示抽油机四连杆机构传动效率；k₁表示减速箱输出轴平均扭矩系数；k₂表示平均系数；W_max、W_min表示抽油机悬点承受的最大和最小载荷。

影响输入功率大小的关键因素是冲程和冲次乘积，也就是光杆运行速度，其它参数不变，油井能耗与抽取速度成正比，冲次将随着电源频率的改变而改变，而且两者的变化为正比关系，因此调低频率，油井输入功率降低。

本发明中，抽油机悬点的运动速度有如下公式：

其加速度有如下公式：

，其中。

抽油机的电源频率发生改变，从而导致了电机转数在上下冲程的改变，最终改变了抽油机曲柄运转的角速度，使抽油机悬点运动规律发生改变，在上冲程过程中，悬点运动的速度、加速度减小，在下冲程过程中，悬点运动的速度、加速度增大。

本发明中，抽油机抽油杆柱引起的最大惯性载荷为F_iru:

F_iru =

上冲程时液柱引起的最大惯性载荷为F_ilu：

则上冲程时悬点最大惯性载荷F_iu:

F_iu=

下冲程时抽油杆柱引起的最大惯性载荷F_ird：

其中，W_r表示抽油杆柱重量；W_l表示液柱重量；r表示曲柄半径；l表示连杆长度；表示油管过流断面扩大引起液柱加速度降低的系数。

抽油机在采用变频矢量调速后，改变了上下冲程过程中的悬点加速度，导致上冲程过程中液柱惯性载荷和抽油杆柱惯性载荷都减小，而在下冲程过程中，只引起抽油杆柱惯性载荷的增大，最终的结果是引起悬点最大载荷比变频前有明显的下降，而悬点最小载荷比变频前稍有增大。

油井的冲数越高，抽油杆使用的年限越短，如果井下偏磨或腐蚀，抽油杆使用寿命会大大降低，调低矢量变频器的频率后，降低冲数，减少循环次数，抽油杆使用寿命延长，进一步变频，采用上慢下快的抽油方式，使悬点最大载荷减小，最小载荷增大，改变了井下抽油杆的循环特性，降低应力幅度，延长了抽油杆的使用寿命，矢量变频器可以下调冲次，减小杆柱轴向作用力，降低甚至避免偏磨的发生。

对于供油充足的油井，在保证合理沉没度即动液面的情况下，增大电源频率调高冲次，提高油井的产液量，发挥油井的生产潜力和增大有效功率；对于供油不足的油井，由于影响油井供液不足的原因一是地层本身的供液能力差，二是油井抽油参数的相对偏大，因油井地层能量低，而抽油参数又相对偏大，抽油泵在吸液过程中还未来得及充满就转入了排液过程，造成了抽油泵充满程度低，使得抽油井实际被举升的液量少，泵效低，这样就造成了抽油井的有效功率小，系统效率低，对于这样的抽油井应调小电源频率，降低冲次，针对油井生产状况，利用上下冲程电源频率调整的技术，调整上下冲程抽取速度，上慢下快，提高泵的充满程度，上快下慢，减少泵的漏失。

低冲次采油后，油井抽油速度降低，产出液在油管内流速降低，结蜡速度增大，洗井周期缩短，洗井返排时间延长，使用变频器后，洗井前手动按钮提高频率，冲次由2—3次每分提高到6-7.3次每分，理排提高2倍-3.65倍，含水恢复期和影响产油量大幅度下降，效果明显，当含水正常后再调回原来的频率和冲次。

本发明解决了机械采油系统功率因数低、电机启动转矩大、负载率低、能耗大的问题，电机启动性能良好、功率因数提高到0.98，本发明结构还具有原理简单、设计新颖，采用的矢量变频器不仅带有变频功能，同时也能把能量回馈给电网，供其他设备应用，达到进一步节能，不会造成电网污染，同时减轻了电网及变压器的负担，降低了线损，可以实现油井节电，增效和增产，从而提高整个抽油系统的机采效率。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。