CN103061715A - 抽油机的泵抽空控制方法和抽油机控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及抽油机(pumpjack)的泵抽空控制方法和抽油机控制装置。具体为即使因泵抽空(pumpoff)发生而使抽油机速度降低，也不会因过负荷异常、原油凝固等原因停机，能够使油井进行连续生产，而且，即使泵抽空时也能够防止生产能力降低。此外，检测出泵抽空条件后，使抽油机上冲程时的行速由正弦波状变为矩形波状，或者以变换器的运转中进行转矩限制的同时进行上冲程动作。

Description

抽油机的泵抽空控制方法和抽油机控制装置

技术领域

本发明涉及抽油机(pumpjack)驱动的梁式泵的泵抽空(pumpoff)控制方法和抽油机控制装置。 

背景技术

在梁式泵油井(Beam pumped wells)中，泵抽空控制的传感器从液面、压力检测器(Downhole fluid level or pre-ssure indicators)、流量传感器(Flow and no-flow sensors)、振动传感器(Vibration sensors)、以及马达电流传感器(Motor current sensors)发展为最近的能够进行泵杆负荷的解析、记录等的现代的示功图法(Dynagraph card methods)。 

但是，对于应用这些现有方式的传感器的方法，因精度上的问题基本上没有进行实用。而示功图法即使满足精度，但需要检测抽油杆负载的传感器、及其检测信号处理装置等，因此具有复杂·高价的缺点。 

此外，泵抽空控制的不使用各种传感器的方法提出了检测抽油机的泵抽空且检测出以后使抽油机的速度降低至泵抽空消除的状态的控制方法。(例如，参照专利文献1) 

图4中，1是抽油机驱动用感应电动机，2是与感应电动机1直接连接并检测感应电动机1速度的速度检测器，3是具有电流内环的矢量控制变换器，4a是泵抽空控制装置。 

矢量控制变换器3具有直线指令器31、速度调节器32、电流调节器33、PWM控制器34、变流器35和矢量运算器36。直线指令器31具有在内部设定的加速度的限制下将泵抽空控制装置4a输出的速度基准Np变换为感应电动机1的速度基准Ns的作用。将速度基准Ns与由速度检测器2检测出的实际速度Ni相比较，其偏差由速度调节器32放大并输出二次电流指令I2q。 

电动机电流由变流器35检测出，由矢量运算器36仅检测出其二次电流成分I2，并与二次电流指令I2q进行比较。此外，其偏差由电流调节器33放大，由PWM控制器34调节电压的脉冲宽度以供给驱动负荷所需的二次电流给感应电动机1。如此矢量控制变换器3自动调节电动机速度以使实际速度Ni与速度基准Np相等。 

泵抽空控制装置4a的泵抽空控制以例如图5所示的框图来进行。图5中，泵抽空控制装置4a具有运算器41、二次电流基准发生器42、比较器43、输出继电器44、顺序控制器45a、速度指令函数发生器46、抽油机的主速度设定器47、速度指令切换器48及速度指令器49。运算器41具有运算及存储对应抽油机的每个下冲程时间的二次电流的瞬时值的平均值(或者有效值)的功能，并对应于感应电动机1的实际速度Ni检测出I2AV(或者I2RMS)。二次电流基准发生器42设定泵抽空没有发生的正常运转中的二次电流的平均值基准I2AV*(或者有效值基准I2RMS*)，并对应抽油机的实际速度Ni来调节其设定值。 

实际检测出的二次电流的瞬时值的平均值I2AV(或者有效值I2RMS)由比较器43与设定值I2AV*(或者I2RMS*)进行比较，如果I2AV＞I2AV*(或者I2RMS＞I2RMS*)则检测出泵抽空发生，相反如果I2AV≤I2AV*(或者I2RMS≤I2RMS*)则检测出泵抽空解除。 

顺序控制器45a具有集中控制泵抽空顺序的功能及对应泵抽空的发生和解除发出用于抽油机速度减速·提速的速度指令的功能，并自动判断出运转中的抽油机速度段，以此控制速度指令函数发生器46使其仅低1段速度、仅高1段速度。 

主速度设定器47对应当时的油井状况以例如Nps＝100％的速度、Nps＝80％的速度来设定最高速度。 

因此，以此设定速度的运转中检测出泵抽空后，由速度指令函数发生器46仅对速度进行1段强制减速。因此，抽油机速度为将ΔNpn设定为ΔNp1并使Np等于Nps-ΔNp1，等待泵抽空条件的消除。继续检测出泵抽空后，例如以ΔNp2等于2×ΔNp1来仅再进行1段减速。 

但是，Nps-Npn≤0时抽油机停止。此时，速度指令切换器48切换至 速度指令器49侧。 

速度指令器49生成用于检验泵抽空条件有无的低速指令。此切换完成后，因泵抽空而停止的抽油机经一定时间后强行再启动，进行低速运转，在低速运转中检验泵抽空条件的有无。 

此低速运转中检测出泵抽空解除时，速度指令切换器48切换至主速度设定Nps侧。由此，抽油机以Nps-ΔNpn＝Np的速度被再次控制，依次确认泵抽空条件的解除，并自动进行升速，复原为设定的初始速度Nps。 

如上所述泵抽空控制装置4a运算并存储感应电动机1的二次电流的瞬时值的平均值(或者有效值)，通过与基准值相比较来检测出泵抽空或泵抽空解除。 

将吐出时吐出阀的时间延迟视为二次电流的上升时间的泵抽空的发生或解除的检测，按图6所示的第2泵抽空控制装置4b的泵抽空控制的框图来进行。 

图6中，IPCAL块51运算、检测对应抽油机的每个下冲程时间的二次电流瞬时值的最大值I2P，二次电流达到I2P后将逻辑信号“1”给予AND逻辑元件62。 

SIGMA块61在泵抽空检测继电器DET71的ON期间，积算时标脉冲发生器60发生的时间脉冲Δt。AND逻辑元件62在“1”期间，在每个二次电流取样时间将SIGMA块61的积算结果写入存储元件64。因此，根据IPCAL块51检测出的I2P将逻辑信号“1”给予AND逻辑元件62时，此时刻为止积算的Δt时间即∑Δt的值存储于存储元件64。如此检测出的下行程时的∑Δt如果为Tp1(sec)，此值由基准周期运算器(CTCAL)66的输出Tctr(sec)来进行除算得到tP1(p.u.)。 

存储元件52存储用于与此tP1进行比较的设定基准时间tPR(p.u.)。此时，Tpr有通过AND逻辑元件69进行设定的手动设定，和通过AND逻辑元件63对给予存储元件65的值由Tctr进行除算的值tPR进行设定的自动设定的两种情况。即实际的二次电流最大值时间tP1(p.u.)与上述任意一种方法设定的设定基准时间tPR(p.u.)相比较，将其差值输入比较器43，比较器43如下切换输出继电器44。 

tP1＞tPR(泵抽空发生)时，输出继电器44切换至“DN”侧，相反tP1≤tPR(泵抽空解除)时，输出继电器44切换至“UP”侧。 

由于顺序控制器45b、速度指令函数发生器46的动作与图5的动作一样，因此在此省略。 

此外，基准周期运算器(CTCAL)66读入抽油机速度Ni，由此速度和设定为机械常数的减速比运算1/2行程时间(＝TS/2)，将运算值作为基准周期Tctr输出。此外，将抽油机正常运转时的基准二次电流最大值时间作为设定基准时间存储于存储元件52。 

由此，抽油机以Nps-ΔNpn＝Np的速度被再次控制，依次确认泵抽空条件的解除，并自动进行升速，复原为对应初始油井状况的最高速度。 

如此，现有的使用速度可调的感应电动机的抽油机，采用的是由吸入时的二次电流的平均值(或有效值)，或者将吐出时吐出阀的时间延迟作为二次电流的上升时间来检测泵抽空的发生或解除，使抽油机的速度降低至没有泵抽空的状态的手法。 

[专利文献1]国际公开第00/66892号小册子 

发明内容

现有的泵抽空控制方法中，检测出因油井的浮游气体等导致的泵抽空发生时，由于采用降低马达回转数的手法，因此对于适用于石蜡多、粘度高并混有砂子的容易凝固的原油的抽油机，即使降低速度还是有不易脱离泵抽空状态的问题。此外，由于抽油机与速度无关负荷一定，因此检测出泵抽空后降低马达回转数以低速运转时，特别是马达构造为全封闭外扇时，马达容易过负载异常，此外，由于间歇运转中强制再起动发生在一定时间后，因此具有停机时间过短则马达过负载异常而无法运转，相反过长时间停机则原油凝固而无法再起动的问题。 

本发明为解决以上问题而进行，目的是提供一种即使因泵抽空发生降低速度也不会因过负载异常、原油凝固等停机，能够进行油井的连续生产，而且，即使泵抽空时也能够尽可能防止生产能力降低的抽油机的泵抽空控制方法和泵抽空控制装置。 

为了解决上述问题，本发明是如下构成的。 

根据这些本发明者的见解、研讨，根据本发明的抽油机的泵抽空控制方法，使用交流电动机由可变电压、可变频率电源变换器驱动，根据抽油机每个循环的下冲程期间的前述交流电动机的二次电流的平均值或有效值，或者根据从各下冲程基准点到前述交流电动机的二次电流的最大值为止的延迟时间，检测出泵抽空条件的抽油机的泵抽空控制方法；检测出前述泵抽空条件后，使抽油机上冲程时的行速由正弦波状变为矩形波状，或者以前述变换器的运转中进行转矩限制的同时进行上冲程动作。根据前述的本发明的抽油机的泵抽空控制方法，检测出前述泵抽空条件后，使其运转为抽油机的下冲程平均速度比上冲程平均速度大。 

根据本发明的抽油机的泵抽空控制方法，能够使使用的交流电动机、变换器等的能力最大限地进行运转。此外，该泵抽空控制方法的优选方式，能够在活塞的吐出侧挽回抽油机周期的减小。 

此外，此种泵抽空控制的软件如果搭载于为了抽油机速度控制而使用的矢量控制变换器，则可以提供不需使用由泵杆负载传感器和微型计算机构成的昂贵的示功图系统，既廉价而且泵抽空时，能够尽量防止抽油机生产能力降低的抽油机控制装置。 

附图说明

图1是表示本发明实施例表示的抽油机控制装置的构成的框图。 

图2是表示实施例的泵抽空控制的框图。 

图3是表示在实施例中使用的矩形波状速度设定例。 

图4是表示现有的抽油机控制装置的构成的框图。 

图5是表示现有的第1泵抽空控制的框图。 

图6是表示现有的第2泵抽空控制的框图。 

符号说明 

1    感应电动机 

1’  交流电动机 

2        速度检测器 

3、3’  矢量控制变换器 

4a、4b、4b”  泵抽空控制装置 

20    行程位置传感器 

31    直线指令器 

32    速度调节器 

33    电流调节器 

34    PWM控制器 

35    变流器 

35’  电流检测器 

36    矢量运算器 

37    过负荷检测器 

41    运算器 

42    二次电流基准发生器 

43    比较器 

44    输出继电器 

45a、45b、45a’、45b’、45b”  顺序控制器 

46    速度指令函数发生器 

47    主速度设定器 

48    速度指令切换器 

49    速度指令器 

51    IPCAL块 

52    存储元件 

60    时标脉冲发生器 

61    SIGMA块 

62、63    AND逻辑元件 

64、65    存储元件 

66    基准周期运算器(CTCAL) 

69    AND逻辑元件 

71    泵抽空检测继电器 

73    行程位置切换器 

74    基准点信号发生器(RPOSG) 

具体实施方式

以下根据图对本发明方法的具体实施例进行说明。 

实施例 

图1是表示本发明的实施方式的抽油机控制装置的构成的框图。图1中，在图4所示的现有图上对泵抽空控制装置4的功能进行部分追加并记为4b”，由于其他的部分与图4所示的现有图相同，因此省略其说明。此外，感应电动机1记为交流电动机1’，虽然构成相同但变流器35记为电流检测器35’。 

图2是表示实施例的抽油机控制装置的泵抽空控制的框图。图2中，将图6所示的现有图的速度指令函数发生器46记为能够将速度指令的模式由正弦波状切换为矩形波状的速度指令函数发生器46’，通过行程位置切换器73，将检测输出的抽油机行程位置的行程位置传感器20或软件处理的基准点信号发生器74中的任意一个输入连接到速度指令函数发生器46’，此外，对顺序控制器45b的涉及集中控制泵抽空顺序的功能动作进行部分变更并记为45b”。与图6所示的现有图相同的构成赋予相同符号，并省略重复说明。 

以下对其动作进行说明。 

由比较器43的输出检测出泵抽空的发生后，顺序控制器45b”控制速度指令函数发生器46’，使抽油机的行速在上冲程时由正弦波动作变为矩形波状(等速)动作。 

速度指令函数发生器46’根据主速度设定器47的输出即对应于当时油井状况的最高速度Nps和顺序控制器45”的输出即泵抽空的发生状况，对速度设定Npn进行运算。 

首先，通过行程位置切换器73根据参照输出的抽油机的行程位置而得到的曲柄转角θ来判断是上冲程动作还是下冲程动作。 

其次，如果是上冲程动作，速度设定Npn为{0.637×(Nps-ΔNpn)/K-Δ}×K/sin(θ+180°)，如果是下冲程动作，速度设定Npn为2×(Nps-ΔNpn)+K×Δ/0.637，如果上下时的平均速度下降则进行对其补偿的输出。 

此外，2/π＝0.637是行程平均速度为正弦波状时使平均速度不产生变化的系数，ΔNpn是检测出泵抽空并降低的速度，K是由抽油机联杆机构的机械常数(机械设计诸要素)决定的行速和马达速度的变换系数，Δ是矩形波状速度调节用的值。 

如此，给予行速为矩形波状的马达的速度设定。 

泵抽空解除并恢复为初始速度时，速度指令函数发生器46’将主速度设定器47的输出值Nps作为速度设定Npn输出。 

此外，速度设定Npn由马达规格限制了上限，通过速度指令切换器48作为速度基准Np输出至矢量控制装置3。 

图3是如上所述而得到的速度设定例，以曲柄转角θ为横轴，表示上冲程动作和下冲程动作的马达速度、行速和行程位置的各信号。 

上冲程时的行速被比通常时的正弦波状指令值的峰值小的规定值限制的同时，在曲柄转角θ的0和-180度附近基本上呈阶梯状变化。由此，马达速度被马达规格的最高速度限制，在受到用于以电动机、变换器等的最大电流、井下泵和抽油杆系统等为主的机械保护的转矩限制的状态进行运转。 

因此，实际的行速为梯形波状，抽油机以驱动系统的最大能力进行运转。如此，能够使吐出时的最高速度降低，即使活塞部的吐出平均速度降低时，也能够通过提高吸入速度来实现周期的减小。 

此外，作为速度模式的变形例，下冲程动作时与上冲程时一样，行速也可以为矩形波状。 

以下对曲柄转角θ的检测方法进行说明。 

为了检测曲柄转角，在抽油机上设置机械、磁性或光学行程位置传感器20，从由此得到的抽油机的行程位置能够求得曲柄转角θ。 

此外，由机械构造上的制约等很难设置行程位置传感器20时，也可以由基准点信号发生器74求得下冲程开始和上冲程开始信号后，由行速进行 运算推定。此外，由于与作为现有技术列举的专利文献1所述的下冲程开始信号一样对上冲程开始信号进行运算就可以，因此此处省略其说明。 

由此构成，根据本实施方式，能够在检测出泵抽空条件后抑制抽油机的上冲程(吸入动作)的最高速度，且实施平均速度不变的运转。 

此外，上述实施例中，虽然说明了具有速度检测器，但也可以适用于没有速度检测器的矢量控制装置。 

此外，由于最近电动机控制的进步，实现了V/f固定控制的同时加有转矩限制，或将交流电动机的二次电流以其他手法进行运算。也可以使用此种电动机控制装置以应用本发明。 

此外，不言自明，本发明所适用的电动机也可以是以感应电动机、同步电动机为主的其它交流电动机。 

Claims (2)

1.一种抽油机的泵抽空控制方法，使用交流电动机由可变电压、可变频率电源变换器驱动，根据抽油机每个循环的下冲程期间的前述交流电动机的二次电流的平均值或有效值，或者根据从各下冲程基准点到前述交流电动机的二次电流的最大值为止的延迟时间，检测出泵抽空条件的抽油机驱动系统的泵抽空控制方法；

其特征为：检测出前述泵抽空条件后，使抽油机上冲程时的行速由正弦波状变为矩形波状，或者以前述变换器的运转中进行转矩限制的同时进行上冲程动作。

2.如权利要求1所述的抽油机的泵抽空控制方法，其特征为：检测出前述泵抽空条件后，使其运转为抽油机的下冲程平均速度比上冲程平均速度大。 

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