CN100513739C

CN100513739C - 差平衡压力抽油机

Info

Publication number: CN100513739C
Application number: CNB2005101049463A
Authority: CN
Inventors: 陈德义; 张跃俭
Original assignee: CHEN DEYI ZHANG YUEJIAN
Current assignee: CHEN DEYI ZHANG YUEJIAN
Priority date: 2005-09-22
Filing date: 2005-09-22
Publication date: 2009-07-15
Anticipated expiration: 2025-09-22
Also published as: CN1743642A

Abstract

一种差平衡压力抽油机，包括主动轮、游梁，在所述的游梁上安装一直线电机，在该直线电机的动子上加装有平衡铁；所述的主动轮通过传动带与一稳速发电机轴上的飞轮轴心的从动轮传动连接。本发明克服了传统抽油机的弊端，改变了传统游梁抽油机的动力传动方式，改拉动为压动，取消减速机，采用单片机自动控制，可以根据油的粘稠度，以及液面、压力等工况自动改变冲次，自动调整平衡，对卡井，挂腊等现象作出反应，使故障得到及时处理，减少损失，具有运行费用低，使用方便，灵活，智能化程度高，机电一体，是电能转换为机械能，机械能转换为电能，使能量在运动中合理巧妙的重复相互利用得到了完美的体现的优点。

Description

差平衡压力抽油机

技术领域

本发明涉及一种石油开采设备，具体是一种差平衡压力抽油机。

背景技术

抽油机是石油生产的主要设备，目前应用最为广泛的是游梁式抽油机，其主要工作原理是：由电动机做为主要动力源，经减速机将电机输出的转速降低，把转矩提高后经摇臂、联杆把电机的旋转运动转变为往复直线运动，带动抽油泵工作，将原油抽出，该机有如下几个缺点：

1、游梁的中轴是支撑点，抽油机的平衡是游梁两端的重力的平衡，由于配重铁装在减速机输出轴的摇臂上，摇臂在做圆周运动时，使作用在游梁尾轴上的重力受到减速机输出轴的分解，不能在360℃内全部作用在尾轴上，同时存在着配重过重和配重过轻两个点，前者使电机产生发电制动，后者又使电机出力过大，使抽油机永远无法实现完全的重力平衡，电机与抽油机配套使用时就要留有足够大的余量，比如实际需要功率为5KW，配用电机的功率就必须是30KW或37KW，使电机长期工作在轻载状态，导致电机的功率因数和效率低下，占用了大量的无功功率，由于输电距离远，工作时间长，也消耗了大量的变损和线损，导致抽油机用电系统效率低，生产费用高。

2、由于井下工况的不同，抽油机应能根据井下工况随意调整冲次，改变冲次主要是改变驱动电机的转速，目前最常用的方法是采用有级调速电机和变频器，前者电机自身损耗大，效率和功率因数都很低，不能无级调速，后者投资大，成本高。

3、现代应用的抽油机技术含量较低，不能自动对井下工况进行采集、分析、处理或根据井况来自动调整平衡和冲次，也不能改变冲程。

发明内容

本发明的目的就是提供一种差平衡压力抽油机，以解决现有技术存在的抽油机无法实现完全的重力平衡，电机与抽油机配套使用时就要留有足够大的余量，电机的功率因数和效率低下，占用了大量的无功功率，由于输电距离远，工作时间长，消耗了大量的变损和线损，导致抽油机用电系统效率低，生产费用高；改变冲次采用有级调速电机和变频器，电机自身损耗大，效率和功率因数很低，不能无级调速，投资大，成本高；不能自动对井下工况进行采集、分析、处理或根据井况来自动调整平衡和冲次，也不能改变冲程的问题。

本发明的技术方案是：包括电动机、主动轮、摇臂、联杆、游梁、配重、驴头、抽油杆和井架，主动轮连接在电动机的输出轴上，摇臂径向连接在主动轮上，联杆的两端分别与摇臂的外端和游梁的放置配重的一端铰接；游梁的中部铰连在井架的顶端，位于游梁的另一端的驴头与抽油杆的上端铰连，其特征在于：在所述的游梁上安装一直线电机，在该直线电机的动子上加装有平衡铁；所述的主动轮通过传动带与一稳速发电机轴上的飞轮的从动轮传动连接。

还包括控制系统，该控制系统包括控制器以及与其各输入口连接的数据设定装置、油面传感器、管道压力传感器、位置传感器、直线电机动子驱动电路、稳速发电机的转速控制电路、电动机控制电路及其电压和转速反馈电路、清蜡及报警指示和卡井及报警指示电路，直线电机动子驱动电路的输出端与所述的直线电机连接。

所述的控制器可采用单片机或可编程控制器PLC。

所述的直线电机定子铁芯采用汝铁硼永磁体单边或双边型结构，动子采用三相步进式结构；该直线电机有两路供电电源，其中一路经50HZ工频电源整流滤波后供给该直线电机和所述的稳速发电机的励磁磁场，另一路将稳速发电机发出的三相交流电整流滤后经电压调整器同时反馈供给该直线电机。

采取上述技术方案后，本发明克服了传统抽油机的弊端，改变了传统游梁抽油机的动力传动方式，改拉动为压动，取消减速机，采用单片机自动控制，可以根据油的粘稠度，以及液面、压力等工况自动改变冲次，自动调整平衡，对卡井，挂腊等现象作出反应，使故障得到及时处理，减少损失，由于能量是守恒的，该机合理巧妙的利用了能量间的相互转换和相互利用，使电能转换为机械能，机械能又可以转换为电能。综上所述，该机运行费用低，使用方便，灵活，智能化程度高，机电一体，是电能转换为机械能，机械能转换为电能，使能量在运动中合理巧妙的重复相互利用得到了完美的体现。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图；

图2是图1中A向视图；

图3是本发明的直线电机的轴向剖视示意图；

图4是图3中加装平衡铁的结构示意图；

图5是本发明的控制系统电路框图。

具体实施方式

参见图1～图5，本发明包括电动机12、主动轮11、摇臂10、联杆9、游梁5、配重6、驴头1、抽油杆7、井架8、直线电机2和稳速发电机17。主动轮11连接在电动机12的输出轴上，摇臂10径向连接在主动轮11上，联杆9的两端分别与摇臂10的外端和游梁5的放置配重6的一端铰接。游梁5的约中部铰连在井架8的顶端，位于游梁5的另一端的驴头1与抽油杆7的上端按常规方法连接。在所述的游梁5上固定安装直线电机2，在该直线电机的动子23上加装有平衡铁3。在直线电机2和平衡铁3外安装有防护罩4。所述的主动轮11通过传动带13与稳速发电机17轴上的飞轮14轴心的从动轮16传动连接。

所述的直线电机2为永磁直线电机，其定子铁芯21采用汝铁硼永磁体的单边或双边型结构，动子23采用三相步进式结构。该直线电机2有两路供电电源，其中一路经50HZ工频电源整流滤波后供给该直线电机和所述的稳速发电机的励磁磁场，另一路将稳速发电机发出的三相交流电整流滤后经电压调整器同时反馈供给该直线电机。

参见图5，本发明配置有控制系统，该控制系统包括控制器(CPU)以及与其各输入口连接的冲程和冲次数据设定键盘A和B、油面传感器C、管道压力(回压)传感器D、位置传感器19、直线电机动子驱动电路F、稳速发电机速控制电路G、电动机控制电路E及其电压和转速反馈电路K、清蜡及报警指示电路L和卡井及报警指示电路M，直线电机动子驱动电路F的输出端与所述的直线电机动子23连接。位置传感器19安装在配重6的附近的游梁5上，用于检测平衡铁3移动的位置。

所述的控制器可采用单片机(CPU)或采用可编程控制器PLC直接与各传感器和控制对象连接构成。

本发明的工作原理如下：

一、机械运行系统原理：

增加或减少配重6的重量，使游梁5的两端平衡，根据要求使永磁直线电机2的动子23(即平衡铁3)向左或向右运动，根据冲次要求设定动子23的运行速度，当动子23自身重力打破游梁两端的重力平衡时，动子23所在一侧的游梁5则向下运动；如配重6的重力大于驴头1的重力，游梁5的配重端向下运动，驴头1带动抽油杆7向上运动，联杆9推动摇臂10向下旋转，由于摇臂10与主动轮11同轴且同步旋转，主动轮11上的传动皮带13则带动从动轮16高速旋转(一般选择主动轮11与从动轮16的转速比大于1∶10)，将此能量通过飞轮14储存起来，并使稳速发电机17制动发电稳速，发出的电能经整流后送给直线电机2。当驴头1即将到达上止点时，永磁同步直线电机2快速向相反方向移动，当摇臂达到下止点，驴头1达到上止点时，高速旋转的飞轮14经从动轮16、皮带13带动主动轮11继续运动(惯性作用)，把储存的能量回馈给主动轮。此时永磁直线电机2的动子23已达到驴头1一端，使驴头1端的重力大于配重一端，摇臂10越过下止点，驴头1带动抽油杆向下运行，摇臂10向上止点旋转，主动轮11又带动从动轮16旋转，并把能量继续传给飞轮14，飞轮14重新得到了能量，改变稳速发电机17的磁场强度，可以控制飞轮14的转速及返馈发电量，驴头1开始向下运动时，直线电机2的动子开始向配重端方向运动，当驴头1达到下止点时，系统重复上述工作过程，这样抽油机就开始运行起来。

二、压力抽油机的永磁直线电机及供电系统

其供电电源为两路供电，一路经50Hz工频电源整流滤波后供给直线电机2和稳速发电机17的励磁磁场。另一路将稳速发电机17发出的三相交流电整流滤后经电压调整器同时反馈供给直线电机2，使能量得到重复利用。直线电机2的定子21与动子23的滑道22一起固定在游梁5上，动子23上加装平衡铁3，经固定后在滑道22上往返运行。改变动子的运行速度和运行距离以及稳速发电机17的转速，可以改变抽油机的冲次。调整联杆9与摇臂10的联结点，可以改变冲程。稳速发电机17利用抽油机运行的惯性作用发出的三相多余电量可以用于井口加热，夜间照明等。

三、差平衡压力抽油机的控制系统及其工作原理

参见图5，本发明的控制系统采用单片机控制，该单片机有多路接口，可以将井下的油温、液面、油压、管道压力等信号按已编好的程序输给计算机(CPU)，使其能够根据井况的变化自动改变直线电机2运行折返点及运行速度，并能根据稳速发电机转速及输出电压来调整，控制磁场强度，从而决定抽油机的冲次，以及对卡井、挂腊等故障现象及时报警，并按已编好的程序自动控制、停机等。

1、当抽油机安装完毕后，将直线电机的动子23(调整铁3)置于中轴处(即游梁与井架连接处)，加减尾轴处(即游梁5有配重的一端)的配重铁使悬挂与尾轴尽量平衡。

2、根据冲程和冲次要求确定动子上加调整铁3的重量和设定动子的行程及折返点，冲程长动子行程应长是正比例关系，动子行程与加装调整铁重量为反比例关系，重量大，行程短，重量轻行程长，冲次与行程的关系为冲次高行程短，冲次低行程长，需要在现场调定。

3、抽油机电动机12的控制电路E可采用多种常规的控制方式，如可以采用三相步进电机的控制方式，也可采用无刷直流调压调速控制。

现以直流调压调速方式作以说明如下：游梁5在做往复运动时与支架8产生一定的夹角，根据冲程的不同，其上止点和下止点与支架8的角度是不同的，以游梁5水平线为零度。如果上止点为45°，则下止点即为—45°。控制器根据抽油机的冲次、冲程，以及抽油机的平衡状态，确定抽油机上行、下行时的游梁5所处位置确定直线电机2反向运动起始点。如果出现油稠、挂腊等现象会使上行时悬挂过垂，配重过轻，原来的平衡点将改变直线电机带动调整铁3向尾轴(即配重6一端)方向的运动行距离将延长。当尾轴侧重力大于悬挂侧，游梁5由下止点向上止点运动至位置传感器19处，后者向控制器18输出反向运动信号，控制器18控制直线电机2和动子(平衡铁3)反向运动。

挂腊现象要比油稠时的重力大得多。根据挂腊的允许程度，在直线电机2向尾轴侧运动距离上加装挂腊保护传感器20(参见图1)，并将此信号传给单片机。由单片机控制自动注水清腊。或采用加热清腊等措施，可设定自动清腊时间。达到时间后可自动开机运行。

卡井是指抽油泵或悬挂被卡死。平衡铁3运行到极限也不能使游梁5往复运动，直线电机2得不到反向运动信号的情况。游梁5上的动子(平衡铁3)运行距离位置传感器19将向控制器输出信号停机，同时以灯光或其他方式报警，使故障得到及时处理。

Claims

1.一种差平衡压力抽油机，包括电动机、主动轮、摇臂、联杆、游梁、配重、驴头、抽油杆和井架，主动轮连接在电动机的输出轴上，摇臂径向连接在主动轮上，联杆的两端分别与摇臂的外端和游梁的放置配重的一端铰接；游梁的中部铰连在井架的顶端，位于游梁的另一端的驴头与抽油杆的上端铰连，其特征在于：在所述的游梁上安装一直线电机，在该直线电机的动子上加装有平衡铁；所述的主动轮通过传动带与一稳速发电机轴上的飞轮轴心的从动轮传动连接；所述的直线电机为永磁直线电机，其定子铁芯采用汝铁硼永磁体单边或双边型结构，动子采用三相步进式结构；该直线电机有两路供电电源，其中一路经50HZ工频电源整流滤波后供给该直线电机和所述的稳速发电机的励磁磁场，另一路将稳速发电机发出的三相交流电整流滤后经电压调整器同时反馈供给该直线电机。

2.根据权利要求1所述的差平衡压力抽油机，其特征在于：还包括控制系统，该控制系统包括控制器以及与其各输入口连接的数据设定装置、油面传感器、管道压力传感器、位置传感器、直线电机动子驱动电路、稳速发电机的转速控制电路、电动机控制电路及其电压和转速反馈电路、清蜡及报警指示和卡井及报警指示电路，直线电机动子驱动电路的输出端与所述的直线电机连接。

3.根据权利要求2所述的差平衡压力抽油机，其特征在于：所述的控制器可采用单片机或可编程控制器PLC。