低产能机械抽油区块节能增效装置的制作方法

本实用新型涉及油田开发技术领域，具体为低产能机械抽油区块节能增效装置。

背景技术：

随着油田开发的不断深入，老油田加密井的设计钻采，使小区域地面高密度布井的油井分布模式更加普遍，而随着国家土地管理的不断严格，使多口数丛式同台井的新井布井模式成为常态，对于大部分抽油机来说，其负载特性有三个特点：1、实际工作负载功率远小于电机的额定功率，即负载率很低，属于典型的“大马拉小车”；2、负载是周期性变化的。在一个周期内，最大负荷和最小负荷交替变化，最小负荷常常小于零，即电机处于制动发电状态。3、负载情况随着井况的变化而变化较大，在某一时间段，可能效率较高，但经过一段时间的运行后，效率可能降低，需要调整抽油机参数，以保证抽油机的高效运行。另外目前国内的低产油井大部分仍然采用简单的刀闸开关控制方式，开机后不论是否有油一直处于工作状态，直到刀闸断电停机为止，抽油机才停止工作，这种控制方式造成了非常明显的几个缺点：1、较大的电能浪费，平均达到20-50%以上；2、在无油状态抽油增大了机械磨损，减少了机械寿命；3、管理人员必须亲临现场操作，加大工作难度和成本；4、较多的停机状态导致产油量降低。在这样的状况下，如何进一步优化单井单设备、单容量配置的抽油机拖动设备配置模式已与当前“降耗提质、降本增效”的高效生产资源配置、运行要求不匹配，对电网冲击较大，使变压器和抽油电机配置较大，即产生能耗较大效率较低的状况。油田蒙受极大的经济损失。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种低产能机械抽油区块节能增效装置，克服上述已有技术存在的问题。

本实用新型的技术方案是通过以下方式实现的：

一种低产能机械抽油区块节能增效装置，包括变压器、交直流整流柜、电网储能及保护器、开关磁阻电机控制器Ⅰ、开关磁阻电机控制器Ⅱ、后台控制器、流量传感器、开关磁阻电机Ⅰ、开关磁阻电机Ⅱ；其特征在于：变压器与相匹配的交直流整流柜相联，交直流整流柜正极线缆和负极线缆分别与配开关磁阻电机控制器Ⅰ、开关磁阻电机控制器Ⅱ的正极和负极相联，开关磁阻电机控制器Ⅰ、开关磁阻电机控制器Ⅱ分别与开关磁阻电机Ⅰ、开关磁阻电机Ⅱ和与后台控制器相联，后台控制器与电网储能及保护器相联，电网储能及保护器的正极和负极与分别与正极线缆和负极线缆相联；单井的流量传感器与后台控制器相联。

所述交直流整流柜是将50KVA变压器至100KVA变压器变成1140V交流电整流成514V直流电，成为低产能机械抽油区块的开关磁阻电机供电的直流电网，通过单井或多井电网储能及保护器把抽油机光杆下行时的开关磁阻电机零载荷所发的直流电储存或补偿给其它井光杆上行载荷下的开关磁阻电机进行电容补偿，使开关磁阻电机供电电网平衡、平稳。

所述变压器，经交直流整流柜整流后的50KVA变压器可带动两口油井的开关磁阻电机，75KVA的变压器可带动三口油井的开关磁阻电机，100KVA的变压器可带动四口油井的开关磁阻电机，构成低产能机械抽油区块的井组供电直流电网。

所述开关磁阻电机，整块低产能机械抽油区块采用短磁路6/8 或8/12的开关磁阻电机，通过开关磁阻电机控制器所得井口流量传感器传递的流量信息自动调节开关磁阻电机输出功率的大小，对油井生产参数在线及时采集、识别、分析、判断，自动调节成油井最优化的生产参数，并自动进行调整和再比对，对抽油机冲次和上下行速度参数进行优化调节，使电机处于高效运行状态。

所述后台控制器由微处理器ARM和调节电路组成，微处理器ARM型号为STM30F030C8T6，在开关磁阻电机运转时与开关磁阻电机控制器配合，对组网内的每台开关磁阻电机运转速度进行调节，错开电网峰值。

所述电网储能及保护器，电网储能部分由超级电容或铝电解电容或薄膜电容制成；保护部分采用5-10欧姆的波纹电阻制成，电阻总功率PR=PM/10，由网内的开关磁阻电机的总功率PM而定。

所述电网储能及保护器与后台控制器配合，可组成至少由两口井或多口井的开关磁阻电机控制器与开关磁阻电机配合的直流供电电网。

本实用新型具有以下优点：

1.、低产能机械抽油区块的抽油机电机，全部采用短磁路6/8 、8/12、开关磁阻电机；该电机可根据负载输出大小，自动调节输出功率的大小，使电机处于高效运行状态，解决了“大马拉小车”的问题；其次，在抽油机的制动状态，电机将制动产生的电能，转换为直流电，储存在直流储能装置中，当该抽油机处于拖动状态时，将储存的能量释放出来，从而实现了制动能耗的回收和再利用，节约了电能；第三，该系统通过对油井运行工况的时时采集、识别、分析、判断，自动生成油井最优化的运行工况参数，并自动进行调整和再比对，对抽油机冲次和上下行速度等参数进行优化调节，最终确保油井达到和保持最优的运行参数运行。

2、根据开关磁阻电机的特性调整抽油机电机供电网络，调整为供电互补、供电平衡、供电平稳的开关磁阻电机供电网络。

（1）降低井群整体变压器容量需求

开关磁阻电机启动扭矩较大，但启动电流很小，其启动电流仅为额定电流的30%，相对于普通三相异步电机的500~700%，降低了很多，所以，对变压器的容量要求降低了。其次，因为该系统具备回馈电能储存的特点，再生发电可以充分利用，也大幅度降低了变压器的容量需求。一般来讲，通过该方式，在电机总功率不变的情况下，变压器总容量可以降低至少30%以上。

（2）实现油井冲次的宽范围便捷调整。

本实用新型采用了目前已在油田成功推用的开关磁阻电机，该电机能够实现0-1500rpm的转速无级调整，从而实现油井冲次的宽范围便捷调整，更好的适应了油田生产油井精细化管理需求。

（3）实现了复生电的再利用，大幅提升了油井的节能提效水平。

从开关磁阻电机特性曲线图2上，可以看出，开关磁阻电机可以实现四象限运行。即：正向拖动，反向拖动，正向制动，反向制动。当处于拖动状态时，电机从直流母线吸收电流，当处于制动状态时，电机处于发电状态，发出直流电，并提供给直流储能装置，并保存起来。当抽油机处于拖动状态时，储存在直流储能装置中的复生电能就会释放，并提供给处于拖动状态的抽油机，这样，电能就在制动和拖动两种状态中流动并得到利用，从而实现了复生电的再利用。

（4）对油井机采油效率的实时跟踪调整，实现了油井自动最优化运行调整，确保油井运行效益的最大化。

3、本实用新型采用已有的开关磁阻电机控制器，通过对油井运行工况的时时采集、识别、分析、判断，自动生成油井最优化的运行工况参数，并自动进行调整和再比对，最终确保油井达到和保持最优的运行参数运行。同时系统为确保运行调整的安全性，设置了安全预警功能，在工况调整过程中，油井出现异常状况，系统将自动识别并采取快速调回原有运行参数的保护措施，确保系统的安全可靠性。

（1）、本实用新型的直流储能部分，为开关磁阻电机调速系统提供直流电源。开关磁阻电机电能的转化，为交-直-直转换类型，即三相交流输入控制器，通过内部硅整流，转换为直流，然后通过IGBT输出，逆变到电机。所以，从供电类型来说，开关磁阻电机控制器实际需要的是直流电源。

（2）、对于处于制动状态的抽油机，电机产生的制动能量会返回到直流储能部分进行储存，并提供给处于拖动状态的抽油机。这样，就对电机产生的制动能量进行了回收利用，大幅度节约了电能。

（3）、过压自动调节功能

油田电网电压变化范围很大，在某些地区，电压变化范围从AC330V~AC460V，对于电机来说，过宽的输入电压，一是造成了电机效率下降，增加了能耗，同时也对电机的寿命造成了很大的影响。

直流储能部采用自动稳压系统，输出的电压是非常稳定的直流电压。及时输入电压波动非常大，也不影响输入电压的稳定性。在某些时刻，电机制动能量较大时，直流柜控制系统会自动减小从电网上消耗的电流，以保证电压的稳定性。同时，该直流柜具备完善的保护功能。

（4）、在一定程度上，减小了抽油机不平衡带来的问题

抽油机的平衡度根据井况是变化的。在该直流系统内，通过对各抽油机参数的采集和集中控制调整，使系统内的每一台抽油机工作在一种能量互补状态，避免了同时吸收能量和同时储存能量。对于不平衡的油井，电机产生的制动能可以储存并被处于拖动状态的电机利用，进行了能量的转移，在一定程度上，解决了抽油机不平衡带来的效率降低问题，降低了对抽油机平衡度的要求。

（5）、采用单井液量的自动调速

基于单井液量的自动调速，通过流量传感器提供的流量信息时刻了解抽油机的运行状态、工况变化，通过调整工况、减少抽油机运行时间，达到节能降耗的目的。

4、本实用新型的特性

基于单井液量的自动调速装置用于国内的低产抽油机改造，对其实现智能化控制，其主要原理是：通过传感器跟踪出油状态，自主判断和控制抽油机开机工作，采用调速式抽油方式，在工作到抽油机油量降低时，可自动降低抽油机速度。

（1）可使低产油田节电20-50%；

（2）对比变频器控制柜可节约改造投资30-50%以上；

（3）对现场管理人员的素质要求和培训要求将大为降低；

（4）可有效延长抽油机设备使用寿命20-50%；

（5）降低技术人员和现场工人劳动强度，保证设备和人身安全。

附图说明

图1-本实用新型的结构及电路方框图

图2-开关磁阻电机性能曲线图

图中 1-变压器 2-交直流整流柜 3-开关磁阻电机控制器Ⅰ 4-开关磁阻电机Ⅰ 5-电网储能及保护器 6-后台控制器 7-开关磁阻电机控制器Ⅱ 8-开关磁阻电机Ⅱ 9-流量传感器 10-正极线缆 11-负极线缆。

具体实施方式

为进一步公开本实用新型的技术方案，下面结合说明书附图通过实施例作详细说明：

一种低产能机械抽油区块节能增效装置，包括变压器1、交直流整流柜2、电网储能及保护器5、开关磁阻电机控制器Ⅰ3、开关磁阻电机控制器Ⅱ7、后台控制器6、流量传感器9、开关磁阻电机Ⅰ4、开关磁阻电机Ⅱ8；其特征在于：变压器1与相匹配的交直流整流柜2相联，交直流整流柜2正极线缆10和负极线缆11分别与配开关磁阻电机控制器Ⅰ3、开关磁阻电机控制器Ⅱ7的正极和负极相联，开关磁阻电机控制器Ⅰ3、开关磁阻电机控制器Ⅱ7分别与开关磁阻电机Ⅰ4、开关磁阻电机Ⅱ8和与后台控制器6相联，后台控制器6与电网储能及保护器5相联，电网储能及保护器5的正极和负极与分别与正极线缆10和负极线缆11相联；单井的流量传感器9与后台控制器6相联。

本实用新型各部分组成：

直流供电电网由正极线缆10和负极线缆11组成，每条线缆材料为铜芯或铝芯，外部带金属屏蔽层，两条线缆绝缘等级符合国家标准。正极线缆10和负极线缆11两条直流电缆采用明显不同的颜色区分，一般情况下，正极线缆10颜色为红色，负极线缆11的颜色为黑色。

电网储能及保护器5部分的组成：储能部分采用超级电容或铝电解电容或薄膜电容制成。其容量计算公式为：C=550*P(UF)，其中，P为总电机功率，单位为kW, 550为该系统经验常数，C为储能器电容容量，单位为UF; 保护器由大功率电阻波纹电阻制成，其阻值为5~10欧姆，其功率由PR=PM/10计算确定, 其中，PR为电阻总功率，PM为该组网内电机的总功率。

后台控制器6由微处理器ARM为核心的控制板制成，ARM型号为STM30F030C8T6。该部分对开关磁阻电机控制器进行速度调整。

开关磁阻电机控制器Ⅰ3、开关磁阻电机控制器Ⅱ7与开关磁阻电机Ⅰ4、开关磁阻电机Ⅱ8，两者配对使用。开关磁阻电机控制器Ⅰ3、开关磁阻电机控制器Ⅱ7采用四相限工作方式。开关磁阻电机控制器和开关磁阻电机在直流供组网内不少于两对。

本实用新型的工作过程：

当开关磁阻电机Ⅰ4拖动负载时，通过开开关磁阻电机控制器Ⅰ3，从直流电网吸收电流，供给开关磁阻电机Ⅰ4，开关磁阻电机Ⅰ4处于拖动状态，带动抽油泵活塞上行，进行向地面管道抽油；当抽油泵活塞下行时，抽油杆杆柱和液柱重量拖动开关磁阻电机Ⅰ4运转时，开关磁阻电机Ⅰ4处于发电状态，通过开开关磁阻电机控制器Ⅰ3和电网储能及保护器5，对直流电网供电，并将多余的直流电能储存在电网储能及保护器5中。在井口的流量传感器9流量信息和后台控制器6的控制下，当开关磁阻电机Ⅰ4拖动负载时，通过对开关磁阻电机控制器Ⅱ7的速度调节，使开关磁阻电机Ⅱ8处于制动发电状态，此时的电能流向为开关磁阻电机Ⅱ8 流向开关磁阻电机控制器Ⅱ7 ，开关磁阻电机控制器Ⅱ7 流向电网储能及保护器5 ，电网储能及保护器5流向开开关磁阻电机控制器Ⅰ3 ，开开关磁阻电机控制器Ⅰ3流向开关磁阻电机Ⅰ4；当开关磁阻电机Ⅰ4制动发电时，在井口的流量传感器9流量信息和后台控制器6的控制下，通过对开关磁阻电机控制器Ⅱ7的速度调节，使开关磁阻电机Ⅱ8处于拖动负载的状态，此时的直流电能流向为开关磁阻电机Ⅰ4流向开开关磁阻电机控制器Ⅰ3 ，开开关磁阻电机控制器Ⅰ3 流向电网储能及保护器5 ，电网储能及保护器5流向开关磁阻电机控制器Ⅱ7 ，开关磁阻电机控制器Ⅱ7 流向开关磁阻电机Ⅱ8；在特殊情况下，当电网电压高于电网储能及保护器5的设定值是，保护器打开工作，将多余的电能通过电阻释放掉，以维持电网电压的稳定。