游梁式抽油机双反馈闭环变频调速节能控制装置制造方法
【专利摘要】本实用新型提出游梁式抽油机双反馈闭环变频调速节能控制装置。该装置包括设在抽油机游梁上的抽油机平衡度调节装置，抽油机平衡度调节装置的伺服电机电性连接变频器，变频器电性连接PLC控制器，PLC控制器电性连接功率采集模块、动液面测试仪和PC机，功率采集模块电性连接抽油机电机；抽油机平衡度调节装置的光杆固定连接，丝杠与左支撑和右支撑连接，丝杠连接伺服电机，光杆和丝杠与平衡块连接。游梁式抽油机双反馈闭环变频调速节能控制装置，最明显效果在于地层供液能力变化大、供液能力不足的抽油机井，节电效果明显，油井处于抽汲平衡，达到最佳工作状态；安全可靠，具有明显的经济效益和社会效益。
【专利说明】游梁式抽油机双反馈闭环变频调速节能控制装置
【技术领域】
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[0001]本实用新型涉及油田生产装备领域，具体涉及游梁式抽油机双反馈闭环变频调速节能控制装置。
【背景技术】
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[0002]电能是油田生产的重要动力，随着油田油气勘探开发的深入，用电量将不断增大，其中，抽油机是油田耗电大户，其用电量约占油田总用电量的40%，且总体效率很低，造成油井开采的电费成本居高不下，能源浪费十分严重。因此，减少电能在抽油机上的耗费，提高电能的利用效率，对于保证油田正常生产，提高油田经济效益有着十分重要的意义。而减少抽油机电耗必须提高系统效率，抽油机井系统效率又取决于地下效率和地面效率。提高泵效可以调高地下效率；保证平衡度可以提高地面效率。
[0003]抽油机的节能主要是优化调整油井参数，使抽油机运行贴近理想工况的目标值，使得抽油机系统效率最大化，从而达到节能的目的，因此参数调整是抽油机节能的关键，参数调整又涉及到油井当时的生产状况，即油井供排关系:该油井是供大于排还是供小于排或者是供排基本平衡。并以此为优化基础，即不降低产量，又提高泵效为原则。对油井生产参数进行优化，使油井的生产长期保持在合理的生产状态下。
[0004]深抽井大都供小于排，产液指数小、泵挂深度大。由于泵径对排量的调节余地和可选范围较小，应当充分发挥冲程、冲次对供排关系的调节作用，尽可能的做到冲程最大化、冲次最小化、泵径合理化，并且使井内的管柱尽可能的简单化。这样在做到降低理论排量的同时改善供排关系，保证了抽油泵在一定的沉没度下工作，来提高泵效。
[0005]在油井的供排关系中，反映供液能力是动液面的深度，泵挂深度决定着油井的生产压差(产能)在实际生产过程中，应根据动液面的变化情况，来确定油井合理的泵挂深度，保证深井泵处在合理的沉没度下工作。通过调整冲次参数，改变动液面深度，来建立油井合理的沉没度，因此，形成了调整油井电动机转速，来控制抽油机井抽汲参数冲程、冲次，进而控制动液面深度的反馈控制系统。
实用新型内容:
[0006]为了解决抽油机节能问题，本实用新型提供一种游梁式抽油机双反馈闭环变频调速节能控制装置，本实用新型从泵效和平衡度角度出发，达到油田生产节能增效的目的。
[0007]本实用新型的技术方案是:游梁式抽油机双反馈闭环变频调速节能控制装置，包括设在抽油机游梁上的抽油机平衡度调节装置和变频调速节能控制装置，变频调速节能控制装置的伺服电机电性连接变频器，变频器电性连接PLC控制器，PLC控制器电性连接功率采集模块、动液面测试仪、继电器和PC机,功率采集模块电性连接抽油机电机；抽油机平衡度调节装置包括左支撑和右支撑，左支撑和右支撑之间设有平行的光杆和丝杠，光杠固定连接，丝杠通过轴承与左支撑和右支撑连接，丝杠伸出右支撑的轴端通过联轴器连接伺服电机，平行的光杆和丝杠与平衡块连接，其中，平衡块通过固定在平衡块内孔的光孔铜套与光杆间隙配合连接，平衡块通过固定在平衡块的另一平行的内孔的丝母铜套与丝杠梯形螺纹连接。
[0008]本实用新型具有如下有益效果:游梁式抽油机双反馈闭环变频调速节能控制装置，最明显效果在于地层供液能力变化大、供液能力不足的抽油机井，通过安装本系统前后系统效率对比，明显提升了抽油机井节能增效效果，主要表现在:(I)抽油机井始终保持较高的泵效和最低的吨液耗电，同时保持较高的机采系统效率。节电效果明显，平均节电率达16.7% ,平均系统效率可提高3.0%以上。并且频率越低，节电效果越好；(2)宽范围调频，在10?80Hz之间任意可调；变频高次谐波低，和抽油机电机匹配能保证长时间稳定运转。在供液变化剧烈或者供液能力不足均可以连续、任意调整冲次，使油井处于抽汲平衡，达到最佳工作状态；(3)通过对平衡度的实时调节，保证了生产的安全可靠，提升了系统节能增效。(4)具有明显的经济效益和社会效益，按照设备稳定、连续运行5年计算，平均每台抽油机每年投入7600元，年创经济效益328500元。具有客观的节能增效效益。
【专利附图】
【附图说明】
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[0009]附图1是本实用新型的结构示意图；
[0010]附图2是动液面深度自适应变频调速控制装置；
[0011]附图3是抽油机变频控制图。
[0012]图中1-抽油机平衡度调节装置，11-左支撑，12-平衡块，13-丝杠，14-光杆，15-光孔铜套，16-丝母铜套，17-右支撑，18-伺服电机，2-变频器，3-PLC控制器，4-功率采集模块，5-PC机，6-动液面测试仪，7-抽油机电机。
【具体实施方式】
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[0013]下面结合附图对本实用新型作进一步说明:
[0014]由图中所示，游梁式抽油机双反馈闭环变频调速节能控制装置，包括设在抽油机游梁上的抽油机平衡度调节装置I和变频调速节能控制装置，变频调速节能控制装置的伺服电机18电性连接变频器2，变频器2电性连接PLC控制器3，PLC控制器3电性连接功率采集模块4、动液面测试仪6、继电器和PC机5，功率采集模块4电性连接抽油机电机7 ;抽油机平衡度调节装置I包括左支撑11和右支撑17，左支撑11和右支撑17之间设有平行的光杆14和丝杠13，光杆14固定连接，丝杠13通过轴承与左支撑11和右支撑17连接，丝杠13伸出右支撑17的轴端通过联轴器连接伺服电机18，平行的光杆14和丝杠13与平衡块12连接，其中，平衡块12通过固定在平衡块12内孔的光孔铜套15与光杆14间隙配合连接，平衡块12通过固定在平衡块12的另一平行的内孔的丝母铜套16与丝杠13梯形螺纹连接。
[0015]由于光杆对平衡块转动的限制，电动机带动丝杆转动时，平衡块做直线运动，从而实现抽油机平衡力臂和力矩的变化。
[0016]平衡度自动调节装置安装在抽油机游梁上，在抽油机初始平衡块调节平衡度状态下，通过加装自动平衡装置调节抽油机的平衡度，实时、在线控制抽油机平衡度。以平衡度为控制对象，通过功率法检测平衡装置的功率输出，再由变频调速给出频率，控制平衡装置的电机运行转速，进而达到调节平衡度的目标。
[0017]变频调速节能控制装置控制抽油机电机运行转速，通过对动液面深度的调节达到提高泵效、增加系统效率、高效节能的目的。
[0018]给定平衡度和平衡度计算比较后，差值送给PLC控制器，PLC控制器经过数据处理后形成输出频率，控制平衡度调节的伺服电机运行转速，使抽油机在满足平衡度的条件下生产。给定动液面深度与动液面检测仪比较，差值和差值的变化率模糊化，经过模糊控制、去模糊形成精确量送给PLC控制器，PLC控制器经过数据处理后控制变频调速器形成相应的频率，输入给抽油机电机，电机带动抽油机工作。经过自适应模糊控制处理后的抽油机，改变了冲次抽汲参数，达到优化参数目标，使抽油机在合理的工作制度下运行，提供系统效率。
[0019]PLC控制器通过设定内、外环标志参数，判断区别动液面深度和平衡度两个反馈环节，进而驱动变频调速器输出不同端口数据，来执行对抽油机电机的调节或者平衡装置电机的调节，使整个系统协调、一致工作，进而达到了地下效率和地面效率的同时提升。
[0020]平衡度调节装置的变频调速控制采用西门子PLC1214C控制器和西门子MM420变频器，实现的主要功能有:抽油机平衡度的实时监测、抽油机平衡状况的判别、电动机运转的控制等，PLC控制器采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC控制器的主要作用:与功率采集模块通信，计算上、下冲程的平均功率，求得抽油机的平衡度；根据平衡度控制伺服系统执行相应的旋转，利用丝杆带动配重在游梁上移动。
[0021]PLC控制器根据平衡度的值判断抽油机的平衡状况，若平衡度在0.8?1.1之间，则抽油机处于平衡状态，不需要移动平衡块；若平衡度小于0.8，则抽油机处于过平衡状态，平衡块应沿着减小平衡力矩的方向移动；若平衡度大于1.1，则抽油机处于欠平衡状态，平衡块应沿着增大平衡力矩的方向移动。这样，根据平衡度的范围，PLC控制器就会发出不同的信号来指导电动机沿不同的方向转动或不运转。
[0022]由于抽油机在欠平衡和过平衡2种状态下，电动机的转动方向是相反的，相应的就需要电动机能够双向转动。另外，考虑到装置的安全性和稳定性，平衡块在游梁上直线移动的速度应尽可能慢。这样在装置动力系统方面使用了可以正反向寸动、转速可以自由调节的伺服电机。
[0023]如图2所示，在系统运行中，PC机主管与PLC控制器通讯，并进行系统编程和组态人机界面。首先PLC控制器通过控制变频器(西门子MM420变频器)的输出频率来控制抽油机驱动电机的正向转动、正向的加减速和反向转动、反向的加减速；然后，驱动电机通过减速装置减速后带动滚筒实现抽油杆的上下直线运动，从而实现抽油过程。为了实现动液面反馈控制，在抽油机井安装了动液面测试仪MW-DYM-01，测试的动液面深度反馈给PLC控制器，然后与预定值比较，在完成模糊控制算法后进行闭环控制，本系统中自适应模糊控制主要体现在PC机matlab2012b的编程软件中，通过调用matlab2012b模糊控制工具箱完成动液面给定值与检测值差值的模糊算法，再经过PC机和PLC控制器的RS232通讯，将数据传回PLC控制器，PLC控制器编程实现频率输出，控制变频器，最后实现自适应模糊闭环控制，动液面测试仪检测抽油机井的动液面深度，它以模拟量方式向PLC控制器反馈抽油机的运行的工况。
[0024]继电器的主要作用:控制抽油机的刹车抱闸，它连接在抽油机的刹车装置上，当抽油机出现故障或者运行到行程开关需要反向运行时，则可以通过PLC控制器来控制抽油机的刹车抱闸。
[0025]变频器的主要作用:作为执行机构，通过改变频率来实现对电动机转速的控制。其中它与PLC控制器相连的端口有数字量和模拟量，数字量的I/O模块主要控制电动机的正反转，点动，复位等。模拟量的I/O模块主要是通过控制变频器的输出频率。
[0026]通过PLC控制器送出指令给动液面测试仪，测试仪开始采集数据，根据工作制度定时、定参，并将数据返回力控组态实时数据库中，实时数据库将动液面数据传给matlab变量进行模糊控制算法实现；电流采集子程序完成功率平衡计算，在满足抽油机平衡度和系统效率情况下，程序最后给出频率输出参数。
【权利要求】
1.一种游梁式抽油机双反馈闭环变频调速节能控制装置，包括设在抽油机游梁上的抽油机平衡度调节装置(I)和变频调速节能控制装置，其特征在于:变频调速节能控制装置的伺服电机(18)电性连接变频器(2)，变频器⑵电性连接PLC控制器(3)，PLC控制器(3)电性连接功率采集模块⑷、动液面测试仪(6)、继电器和PC机(5)，功率采集模块(4)电性连接抽油机电机⑵； 抽油机平衡度调节装置(I)包括左支撑(11)和右支撑(17)，左支撑(11)和右支撑(17)之间设有平行的光杆(14)和丝杠(13)，光杆(14)固定连接，丝杠(13)通过轴承与左支撑(11)和右支撑(17)连接，丝杠(13)伸出右支撑(17)的轴端通过联轴器连接伺服电机(18)，平行的光杆(14)和丝杠(13)与平衡块(12)连接，其中，平衡块(12)通过固定在平衡块(12)内孔的光孔铜套(15)与光杆(14)间隙配合连接，平衡块(12)通过固定在平衡块(12)的另一平行的内孔的丝母铜套(16)与丝杠(13)梯形螺纹连接。
【文档编号】E21B43/00GK204002732SQ201420500307
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月2日 优先权日:2014年9月2日
【发明者】刘明, 马彦力, 路起明, 张忠华, 薛东雪 申请人:大庆明达韦尔信息系统服务有限公司