专利名称：降低装机功率的变频液压抽油机的制作方法
所属技术领城本发明涉及从井中开采流体的装置，尤其涉及一种降低装机功率的变频液压抽油机。
背景技术：
有杆抽油机是目前油田开发中普遍使用的一种机械抽油设备，分为游梁式抽油机和无游梁式抽油机。游梁式抽油机由于其经久耐用、元件可靠、维修方便等特点，在油田得到了广泛的应用。但在游梁式抽油机的长期使用过程中，暴露了不少问题1)装机功率大，能耗高、效率低抽油机体积庞大、结构复杂，装机功率大。目前陆上油田的一台抽油机的装机容量平均为32.6KW以上，我国陆上油田有杆抽油机的年耗电量约为67.6亿千瓦时。由于其巨大的平衡块、减速器、四联杆机构和皮带传动方式，在运行过程中，耗费了大量的能量。此外，电动机不能根据抽油机上、下运行行程的负载变化而自动调节其输出功率，因此抽油机的系统效率很低，仅为26％左右。
2)无法根据复杂多变的油井工况要求实现自动控制目前的机械式游梁抽油机无法实时调节其运动规律来满足油井不同冲程、冲次的工况工艺要求，同时游梁式抽油机也无法解决抽油机的供液不足、泵效降低等问题。
游梁式抽油机不能根据油井工况的变化而自动调节其工作规律，从而不能对油井故障进行自动诊断和控制，因此许多故障(如抽油杆或抽油泵断脱等)无法及时发现和避免，从而影响产量并造成不必要的浪费。
在抽油机上应用液压技术，容易实现抽油机的长冲程、低冲次，可使抽油机的整机重量和占地面积都大大降低。液压抽油机参数调节方便，容易实现无级调速，能很好地适应井况的变化。近年来，随着我国油田越来越多地需要长冲程、低冲次的抽油机来提高产液量，人们研究了多种节能型的液压抽油机，这些抽油机在改善抽油机的运行参数，提高抽油机的效率方面有了一定的进步，但由于设计的液压系统只是单纯地从如何回收抽油机下冲程的能量角度出发，并没有充分地利用电机和液压泵的效率，同时抽油机自适应能力差，导致系统效率低、抽油机节能效果不明显，因而也就没有得到有效推广。
发明内容
本发明的目的是提供一种降低装机功率的变频液压抽油机。通过采用变压变频技术来控制三相交流异步电动机的转速，从而控制定量液压泵输出流量，达到按一定规律控制液压缸进而控制液压抽油机运行速度；通过采用蓄能器配重的方式来降低液压系统的装机功率。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是包括机械系统、液压系统、由交流矢量变频器和控制器组成的检测控制系统。
1)机械系统包括抽油机光杆一端接采油树，抽油机光杆另一端的钢丝绳经滚轮与液压缸的柱塞连接，柱塞侧面装有速度位置传感器，柱塞顶端安装挡铁；2)液压系统包括液压泵经电磁开关阀、限速阀、与液压缸的有杆柱塞腔相连；蓄能器经电磁开关阀与双向泵/马达相连；补油装置与双向泵/马达相连；手动泵与液压缸的有杆柱塞腔相连；电动机一端接电机轴的测速光电编码器，电动机一端经连轴器与液压泵刚性同轴连接；手动下降阀与液压缸的有杆柱塞腔相连；3)检测控制系统包括控制器分别与抽油机速度位置传感器、电磁开关阀、电磁开关阀信号线连接，控制器还经交流矢量变频器分别与电动机和与电机轴的测速光电编码器信号线连接。
本发明与背景技术相比，具有的有益的效果是①采用蓄能器配重的平衡方式，降低了抽油机的装机功率，简化了液压缸结构；②本设计采用数控技术来控制液压抽油机。通过微机控制单元控制，可使抽油杆、抽油泵的运行速度达到理想的最佳曲线。
③通过调节变频调速器输出电源的频率，改变电动机转速，利用液压容积调速原理可无级调节抽油机冲次、冲程。根据电动机上、下冲程的不同，实时调节电动机的功率，使电动机始终工作在最佳状态，可使抽油机—抽油杆—抽油泵能动态协调，增产、节能明显。
④由于使用变频调速器，使电动机启动电流大幅降低，从而延长了电机和液压泵的寿命。功率因数大幅度提高；同时启动电流平稳，对电网冲击小。
⑤由于采用数字控制的变频技术，使抽油系统实现了软停、软启，匀速提升排液和匀速下降进液，整机工作平稳，运行冲击载荷减小。
⑥具有过载、过电流、过电压、瞬时失速等多种较强的保护功能。
⑦液压抽油机变频调速控制系统采用传感器矢量闭环控制技术。
总之，它将液压技术和变频技术、控制技术集成为一体，根据油井工况来动态调节液压抽油机的工作状态，变频液压抽油机结合了当代的液压容积调速技术、计算机技术、变频控制技术，软硬件资源丰富，系统控制灵活，使其具有结构简单、节能效果显著、自适应性强等优点。本变频液压抽油机具有连续的无级调速、调冲程功能，具有过载、断载、过电流、瞬时失速等多种较强的自保护功能。
图1是降低装机功率的变频液压抽油机结构原理图；图2是液压抽油机系统工作原理图。
图中1机械系统，2液压系统，3检测控制系统，4是底座，5侧支架，6基架加强筋，7上基板，8滚轮支架，9钢丝绳，10滚轮，11导轨，12速度位置传感器，13挡铁，14悬绳器，15光杆，16采油树，17油管，18柱塞，19液压缸，20管路，21、22分别为油缸柱塞下、上极限位置的保护行程开关，23交流矢量变频器，24控制器到变频器的输出信号，25抽油机速度、位置传感器到控制器的输出信号，26管路，27手动泵，28油箱，29限速切断阀，30电动机光电编码器到变频器的输出信号，31电机轴的测速光电编码器，32电动机，33联轴器，34电磁开关阀，35控制器到电磁开关阀34的输出信号，36控制器，37控制器到电磁开关阀43的输出信号，38管路，39双向泵/马达，40、41为管路，42补油装置，43电磁开关阀，44管路，45蓄能器，46变频器23到电动机32的输出信号，47安全阀，48管路，49补油泵，50单向阀，51联轴器，52补油电机，53管路，54手动下降阀，55管路。
具体实施例方式
由图1和图2可知，变频液压抽油机是由机械系统1、和液压系统2、检测控制系统3组成的，其中1)机械系统1包括4底座，侧支架5，基架加强筋6，上基板7，滚轮支架8，钢丝绳9，滚轮10，导轨11，速度位置传感器12，挡铁13，悬绳器14，光杆15，采油树16，油管17，柱塞18，液压缸19，管路20；抽油机光杆15一端经采油树16接油管17，抽油机光杆15另一端的钢丝绳经滚轮10与液压19的柱塞18连接，柱塞18侧面装有速度位置传感器12，柱塞18顶面装有挡铁13；
2)液压系统2包括液压泵39通过管路38、电磁开关阀34、限速阀29、管路20与液压缸19的有杆柱塞腔相通；蓄能器45通过管路44、电磁开关阀34与双向泵/马达39相连；补油装置42通过管路41与双向泵/马达39相连；手动泵27经管路26与管路20相连。电动机32通过连轴器33与液压泵39刚性同轴连接，手动下降阀54通过管路55与管路20相通。
3)检测控制系统3包括控制器36分别与抽油机速度位置传感器12、电磁开关阀34、电磁开关阀43信号线连接，控制器36还经交流矢量变频器23分别与电动机32和与电机轴的测速光电编码器31信号线连接。
所说的补油装置42中，补油电机52通过联轴器51与补油泵49相连通，补油泵49通过单向阀50与管路41相通；安全阀47通过管路48与管路41相通，通过管路53与油箱28相连。
本发明的工作原理如下A)上行抽油机上冲程时，控制器36给变频器23输出控制信号24，驱动电动机32低速运转；同时控制器36输出控制信号35、37，将电磁开关阀34、电磁开关阀43打到上位；电动机32通过联轴器33驱动液压泵39，将蓄能器45内的高压油经过电磁开关阀43的上位、管路40、41、38，再经电磁开关阀34上位、限速切断阀29、打入液压缸19的有杆腔；从而推动柱塞18下行，带动抽油杆15上行。在运行过程中，控制控制器36实时检测速度、位移传感器12输出的信号25，并计算出此时抽油机的运行速度和位移；变频器23检测光电编码器31输出的信号30，算出此时电动机33的转速。在控制器36内，将输入的位移信号与预先设定的冲程相比较，将输入的速度信号与理想运行速度曲线相对比后，不断输出控制信号24到变频器23，使变频器不断输出信号46来调节电动机32的转速，改变进入液压缸19的油液流量，进而不断调节抽油杆15的运行速度，将其运行在最理想的工作状态下。当抽油杆的位移接近设定冲程时，控制器36发出控制信号24，变频器23降低电动机25的转速，使抽油泵39的供油减少，直至电动机32转速变为0，液压泵39无流量输出，同时电磁开关阀34、43失电，抽油杆15速度变为0。抽油杆15到达上冲程死点后，按理想速度曲线要停留一段时间，将抽油杆15的变形能释放掉。
b)下行抽油机下冲程时，控制器36给变频器23输出控制信号24，驱动电动机32低速运转；同时控制器36输出控制信号35、37，将电磁开关阀34、电磁开关阀43打到上位；电动机32通过联轴器33驱动液压泵39，将油液由柱塞缸19中的有杆腔经过管路20、限速切断阀29、电磁开关阀34，打入管路38，再经双向泵/马达39、管路41、40、电磁开关阀43，管路44，打入蓄能器45，将油液储存在蓄能器45内；随着油缸有杆腔内油液的减少，柱塞18在抽油杆15的拉力下向上运行，抽油杆15下行。在运行过程中，控制器36实时检测速度、位移传感器12输出的信号25，并计算出此时抽油机的运行速度和位移；变频器36检测光电编码器31输出的信号30，算出此时电动机32的转速。在控制器36内，将输入的位移信号与预先设定的冲程相比较，将输入的速度信号与理想运行速度曲线相对比后，不断输出控制信号24到变频器23，使变频器不断输出信号46来调节电动机32的转速，改变输出液压缸19内的油液流量，进而不断调节抽油杆15的运行速度，将其运行在最理想的工作状态下。当抽油杆的位移接近设定冲程时，控制器36发出控制信号24，变频器23降低电动机32的转速，使液压泵39的吸油量减少，直至电动机32转速变为0，液压泵39无流量输出，同时电磁开关阀34、43失电，抽油杆15速度变为0。抽油杆15到达下冲程死点后，按理想速度曲线要停留一段时间，使抽油泵的添满系数达到最佳。
在抽油机上、下运行过程中，抽油机速度、位置信号实时反馈给控制器36并记录下来，通过与控制器36内设定的理想运行曲线相比较，构成抽油机速度反馈大闭环，从而对抽油机速度进行实时调节控制，使其达到最佳的采油状态。在抽油机的运行过程中，电动机能够根据负载的变化，不断地调节其输出功率，进而节省了大量能量。
将所需要的抽油机冲程和冲次数输入到控制器36，控制器36会自动调节流入、流出液压缸19的油液流量，从而调节抽油机的冲次；同时自动设置、检测抽油机的位置传感器，从而自动调节抽油机的冲程。
系统其它组成部件中，限速切断阀29安装在靠近液压缸的管路20上。在抽油机工作的过程中，抽油机由于断载会导致使液压缸19与液压泵39间的管路20或38压力突然升压，此时限速切断阀29、快速进入工作状态，切断液压缸19油路，使抽油机安全制动。在抽油机的上行程中，由于超载，会使液压泵39的出口压力上升，此时安全阀47迅速打开，将压力保持在工作压力上限，防止其继续上升。
和安全阀47一样，手动泵27、手动下降阀54在系统处于正常状态时，不参与工作。当系统失电或变频器-电机-泵动力环节出现故障时，手动泵27、手动下降阀54能将抽油机上升或下降至期望位置。
当油缸柱塞18由于以外事故而冲出其规定行程时，其端部挡铁13将接触油缸柱塞杆18上、下极限位置的保护行程开关21、22，迫使系统断电，实现断电保护。
权利要求
1.一种降低装机功率的变频液压抽油机，包括机械系统、液压系统、由交流矢量变频器和控制器组成的检测控制系统；其特征在于1)机械系统(1)包括抽油机光杆(15)一端接采油树(16)，抽油机光杆(15)另一端的钢丝绳经滚轮(10)与液压缸(19)的柱塞(18)连接，柱塞(18)侧面装有速度位置传感器(12)，柱塞(18)顶端安装挡铁(13)；2)液压系统(2)包括液压泵(39)经电磁开关阀(34)、限速阀(29)、与液压缸(19)的有杆柱塞腔相连；蓄能器(45)经电磁开关阀(34)与双向泵/马达(39)相连；补油装置(42)与双向泵/马达(39)相连；手动泵(27)与液压缸(19)的有杆柱塞腔相连；电动机(32)一端接电机轴的测速光电编码器(31)，电动机(32)一端经连轴器(33)与液压泵(39)刚性同轴连接；手动下降阀(54)与液压缸(19)的有杆柱塞腔相连；3)检测控制系统(3)包括控制器(36)分别与抽油机速度位置传感器(12)、电磁开关阀(34)、电磁开关阀(43)信号线连接，控制器(36)还经交流矢量变频器(23)分别与电动机(32)和与电机轴的测速光电编码器(31)信号线连接。
2.根据权利要求1所述的一种降低装机功率的变频液压抽油机，其特征在于所说的补油装置(42)中，补油电机(52)通过联轴器(51)与补油泵(49)相连，补油泵(49)经单向阀(50)和安全阀(47)与双向泵/马达(39)相连；安全阀(47)的另一端接油箱(28)。
全文摘要
本发明公开了一种降低装机功率的变频液压抽油机。包括机械系统、液压系统、由交流矢量变频器和控制器组成的检测控制系统。采用变压变频技术来控制三相交流异步电动机的转速，从而控制定量液压泵的输出流量，驱动液压缸控制抽油机的运行速度。同时，利用蓄能器配重的平衡方式，降低了抽油机的装机功率，并能有效地利用抽油机下冲程的势能，节能效果十分明显。本抽油机采用数字变频控制技术，可使抽油机的运行速度曲线达到最佳的理想状态，从而使抽油机系统效率达到最高。本变频液压抽油机具有连续的无级调速、调冲程功能，具有过载、断载、过电流、瞬时失速等多种较强的自保护功能。
文档编号E21B43/00GK1544796SQ200310108820
公开日2004年11月10日 申请日期2003年11月21日 优先权日2003年11月21日
发明者徐兵, 欧阳小平, 平, 徐 兵 申请人:浙江大学