CN105007022A - 一种油田抽油机的变频补偿节能控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种油田抽油机的变频补偿节能控制装置，该装置是由电动机、传感器、数据采集单元和变频补偿控制单元组成；传感器和数据采集单元将采集的数据信号传送给变频补偿控制单元，由变频补偿控制单元通过间抽控制开关来控制电动机的关停或启动，通过变频调速来改变电动机的速度；变频补偿控制单元是通过闭环反馈系统控制，是由变频器、PLC、温度控制模块、位置检测模块、制动模块、操作面板和参数调节面板组成，通过变频补偿控制单元控制抽油机电动机的间抽和变频调速，实现节能效果。本发明的技术方案采用变频控制，保证电动机的输出功率与负荷需求精确匹配，并根据油井的实际供液能力，动态调整抽取速度，既节约电能，又增加原油产量，延长了设备的使用寿命。

Description

一种油田抽油机的变频补偿节能控制装置

技术领域

本发明属于油田抽油机控制领域，具体涉及一种油田抽油机的变频补偿节能控制装置。

背景技术

地层中开采石油的方法可以分为两大类：一类是利用地层本身的能量举升原油，称为自喷采油法；另一类是由于地层本身能量不足，必须人为地用机械设备给井内液体补充能量，才能将原油举升到地面，称为人工举升采油法或机械采油法。世界各国大都采用机械采油，而在机械采油中以游梁式抽油机所占的百分比最高。常规游梁式抽油机具有结构简单、制造容易、可靠性高、耐久性好、维修方便、适应现场工况等优点，在采油机械中占有举足轻重的地位。在今后相当长的时间内仍是油田的首选采油设备。

在油田开采过程中，通常电动机的装机功率较大：一是泵装置的设计能力按最大化的抽取要求选择，设计及选型阶段即存在能力过剩：二是随着油井由浅入深的抽取，泵装置的能力过剩随流体总量的减少而加大，产量越趋降低，泵装置的过剩能力就越严重；三是为保证抽油机的起动要求；四是保证在运行时有足够的过载能力。而电动机正常工作时以轻载运行，因此造成抽油机与电动机的荷载匹配不合理，即所谓“大马拉小车”。这种现象普遍存在于油田开采中。特别是在油田的开发后期，机采井的产量急剧下降，抽油机在工作中存在着不同程度的“泵空”和“干抽”情况，工作效率低。能耗大，无效行程增加。

目前，我国抽油机的保有量在10万台以上，电动机装机总容量在3500MW，每年耗电量愈百亿kWh。电动机的平均负荷率仅为20％~30％，部分电动机负荷率更低，造成能源的极9大浪费。另外，在采油成本中，抽油机电费占30％左右，年耗电量占油田总耗电量的20％-30％，为油田电耗的第二位，仅次于注水。如果一台抽油机节省一点能源消耗，则整个经济效益是相当惊人的。

多年来，全世界各油田都在节能降耗降低生产成本方面，投入大量技术力量进行研究，大量的节能装置投入使用，也确实不同程度地起到了节能作用。国内各油田也在部分油井上使用了节能装置，但始终没有一种产品被大面积推广使用，其原因主要是价格问题，效果好的产品往往价格高，收回成本周期太长，价格低的产品节能效果又不明显。

发明内容

本发明的目的在于提供一种油田抽油机的变频补偿节能控制装置，该变频补偿节能控制装置采用变频控制，保证电动机的输出功率与负荷需求精确匹配，并根据油井的实际供液能力，动态调整抽取速度，既节约电能，又增加原油产量，延长了设备的使用寿命。

为达到上述目的，本发明一种油田抽油机的变频补偿节能控制装置的技术方案是：一种油田抽油机的变频补偿节能控制装置，包括电动机，其特征是：该抽油机的变频补偿节能控制装置还包括传感器、数据采集单元和变频补偿控制单元；所述传感器和数据采集单元将采集的数据信号传送给变频补偿控制单元，由变频补偿控制单元通过间抽控制开关来控制电动机的关停或启动，通过变频调速来改变电动机的速度；

所述传感器用于采集油井负荷动态变化数据，并将油井负荷数据发送到变频补偿控制单元，向电动机发出间隙抽取原油的指令，控制电动机关停或启动；

所述数据采集单元用于采集油井的产能数据，并将数据信息发送给变频裣控制单元，根据油井的实际供液能力，动态调整电动机的抽取速度；

所述变频补偿控制单元是通过闭环反馈系统控制，是由变频器、PLC、温度控制模块、位置检测模块、制动模块、操作面板和参数调节面板组成；所述变频器的输入端与温度控制模块相连，其输出信号端分别与电动机和制动模块连接，所述PLC的通讯端和信号控制端分别与变频器的通讯端和信号控制端双向控制连接，所述位置检测模块、操作面板和参数调节面板的信号输出端分别与PLC的信号输入端连接；

所述变频器根据负载变化动态调节输入电机的电压和电流，保证电动机的输出功率与负荷需求精确匹配，用于对抽油机中电动机的转速进行调节，把转速控制细划为上冲程转速控制和下冲程转速控制，在上冲程电机提高转速，下冲程电机减低转速，实现电动机的软启动功能；

所述PLC是用于存贮根据不同井况而编写的程序，PLC根据随时调节的运行参数和位置检测模块输入的信号以及内部控制程序来决定其输出信号，在PLC内部完成抽油机的加减速时间和上下冲程运行频率计算，并与变频器进行实时通讯，将计算结果通过通讯传输上传到变频器，还可根据输入的信号产生相应的输出信号，用以控制变频器；

所述温度控制模块分别与变频器和PLC的输入端连接，用于调节变频器和PLC的温度，使其处于合适的温度，保证变频器和PLC正常工作；

所述位置检测模块用于在抽油机运行过程中，通过脉冲计数的形式检测抽油杆的位置，根据脉冲数自动减速和换向；

所述制动单元是在变频器控制下，使抽油机停在任意位置，方便检测和维修，在系统出现故障的情况下自动断电；

所述操作面板用于整机的自动运行指示和故障指示；

所述参数操作面板采用单片机控制，具有LED显示，用于用户调节抽油机的参数，与PLC进行实时通讯传输。

所述PLC的型号是采用LG MASTER的K120S，内置RS232和RS485通讯端口，支持多种通讯协议。

所述PLC是通过RS485通讯卡与变频器进行通讯传输。

所述参数调节面板与PLC之间的通讯传输是采用RS232通道。

在上述技术方案中，采用变频控制技术的抽油机，具有以下有益效果：第一，可根据油井的实际供液能力，动态调整抽取速度，即节约电能，又增加原油产量；第二，使用变频器后，电动机功率因数可由0.25~0.50提高到0.90以上，从而减轻了电网和变压器的负担，降低了线损；第三，通过参数调节面板对冲程、冲次任意调节，操作极为简单，无需复杂设定，不需停产调节速度，解决了因调速造成的停产，从而提高了生产效率；第四，通过变频对抽油机转速的调节，根据抽油机的特殊工况，把转速控制细划为上冲程转速控制和下冲程转速控制，在上冲程电机提高转速，下冲程电机减低转速，从而减少漏失，提高泵交；第五，变频器和制动单元配套使用，匹配性好，提高了整机的可靠性。

附图说明

图1是本发明一种油田抽油机的变频补偿节能控制装置的结构框图；

图2是本发明一种油田抽油机的变频补偿节能控制装置中变频补偿控制单元的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明一种油田抽油机的变频补偿节能控制装置作进一步详细说明。构成本申请的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

由图1、图2可见，本实施例的一种油田抽油机的变频补偿节能控制装置是由电动机、传感器、数据采集单元和变频补偿控制单元组成。本实施例中，传感器和数据采集单元将采集的数据信号传送给变频补偿控制单元，由变频补偿控制单元通过间抽控制开关来控制电动机的关停或启动，通过变频调速来改变电动机的速度；传感器是用于采集油井负荷动态变化数据，并将油井负荷数据发送到变频补偿控制单元，向电动机发出间隙抽取原油的指令，控制电动机关停或启动；数据采集单元是用于采集油井的产能数据，并将数据信息发送给变频裣控制单元，根据油井的实际供液能力，动态调整电动机的抽取速度；变频补偿控制单元是通过闭环反馈系统控制，是由变频器、PLC、温度控制模块、位置检测模块、制动模块、操作面板和参数调节面板组成；本实施例的变频补偿控制单元中的变频器的输入端与温度控制模块相连，其输出信号端分别与电动机和制动模块连接，PLC的通讯端和信号控制端分别与变频器的通讯端和信号控制端双向控制连接，位置检测模块、操作面板和参数调节面板的信号输出端分别与PLC的信号输入端连接；变频器根据负载变化动态调节输入电机的电压和电流，保证电动机的输出功率与负荷需求精确匹配，用于对抽油机中电动机的转速进行调节，把转速控制细划为上冲程转速控制和下冲程转速控制，在上冲程电机提高转速，下冲程电机减低转速，实现电动机的软启动功能；在本实施例中，变频器的容量是根据电动的额定功率选配的，当产生过大的冲击电流时，变频器产生过载保护动作。PLC是用于存贮根据不同井况而编写的程序，PLC根据随时调节的运行参数和位置检测模块输入的信号以及内部控制程序来决定其输出信号，本实施例中，PLC的型号是采用LG MASTER的K120S，内置RS232和RS485通讯端口，支持多种通讯协议，对设备能实现单独读写和连续读写，通讯协议采用专用通讯协议和用户自定义协议，PLC是通过RS485通讯卡与变频器进行通讯传输。在操作中，只需调节抽油机的冲程、冲次及上下冲程速度比，在PLC内部完成抽油机的加减速时间和上下冲程运行频率计算，并与变频器进行实时通讯，将计算结果通过通讯传输上传到变频器，还可根据输入的信号产生相应的输出信号，用以控制变频器。温度控制模块分别与变频器和PLC的输入端连接，用于调节变频器和PLC的温度，使其处于合适的温度，保证变频器和PLC正常工作，当温度高时，强迫冷却系统自动启动，将热量排出，使其适合在高温环境下使用，当冬天温度低时，自动加热，使变频器工作在理想的温度环境下。位置检测模块用于在抽油机运行过程中，通过脉冲计数的形式检测抽油杆的位置，根据脉冲数自动减速和换向，本实施例中，在抽油杆提升过程中，加计数，在下降过程中，减计数，当脉冲数减为零时换向，并重新计数。制动单元是在变频器控制下，使抽油机停在任意位置，方便检测和维修，在系统出现故障的情况下自动断电，保证了设备和人畜的安全。操作面板用于整机的自动运行指示和故障指示；参数操作面板采用单片机控制，具有LED显示，参数调节面板主要是用于用户调节抽油机的参数，单片机与PLC采用进行实时通讯传输，参数调节面板与PLC之间的通讯传输是采用RS232通道，采用单片机专用通讯协议。

本实施例适用于各类处于空载、轻载或变负载运行状态下抽油机电机节能，本实施例根据负载变化动态调节输入电机的电压和电流，在不改变电动机转速、不减少抽油量的前提下，保证电动机的输出功率与负荷需求精确匹配，在实现节能效果，本装置配备了软启动保护功能，可以大大降低电机的启动电流，减少冲击电流对电机绝缘的破坏、降低电机运行温度、减少电机的维护量、延长使用寿命。

以上所述，仅是本发明的实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效方法的变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (4)

1.一种油田抽油机的变频补偿节能控制装置，包括电动机，其特征是：该抽油机的变频补偿节能控制装置还包括传感器、数据采集单元和变频补偿控制单元；所述传感器和数据采集单元将采集的数据信号传送给变频补偿控制单元，由变频补偿控制单元通过间抽控制开关来控制电动机的关停或启动，通过变频调速来改变电动机的速度；

所述传感器用于采集油井负荷动态变化数据，并将油井负荷数据发送到变频补偿控制单元，向电动机发出间隙抽取原油的指令，控制电动机关停或启动；

所述数据采集单元用于采集油井的产能数据，并将数据信息发送给变频裣控制单元，根据油井的实际供液能力，动态调整电动机的抽取速度；

所述变频补偿控制单元是通过闭环反馈系统控制，是由变频器、PLC、温度控制模块、位置检测模块、制动模块、操作面板和参数调节面板组成；所述变频器的输入端与温度控制模块相连，其输出信号端分别与电动机和制动模块连接，所述PLC的通讯端和信号控制端分别与变频器的通讯端和信号控制端双向控制连接，所述位置检测模块、操作面板和参数调节面板的信号输出端分别与PLC的信号输入端连接；

所述变频器根据负载变化动态调节输入电机的电压和电流，保证电动机的输出功率与负荷需求精确匹配，用于对抽油机中电动机的转速进行调节，把转速控制细划为上冲程转速控制和下冲程转速控制，在上冲程电机提高转速，下冲程电机减低转速，实现电动机的软启动功能；

所述PLC是用于存贮根据不同井况而编写的程序，PLC根据随时调节的运行参数和位置检测模块输入的信号以及内部控制程序来决定其输出信号，在PLC内部完成抽油机的加减速时间和上下冲程运行频率计算，并与变频器进行实时通讯，将计算结果通过通讯传输上传到变频器，还可根据输入的信号产生相应的输出信号，用以控制变频器；

所述温度控制模块分别与变频器和PLC的输入端连接，用于调节变频器和PLC的温度，使其处于合适的温度，保证变频器和PLC正常工作；

所述位置检测模块用于在抽油机运行过程中，通过脉冲计数的形式检测抽油杆的位置，根据脉冲数自动减速和换向；

所述制动单元是在变频器控制下，使抽油机停在任意位置，方便检测和维修，在系统出现故障的情况下自动断电；

所述操作面板用于整机的自动运行指示和故障指示；

所述参数操作面板采用单片机控制，具有LED显示，用于用户调节抽油机的参数，与PLC进行实时通讯传输。

2.根据权利要求1所述的一种油田抽油机的变频补偿节能控制装置，其特征是：所述PLC的型号是采用LG MASTER的K120S，内置RS232和RS485通讯端口，支持多种通讯协议。

3. 根据权利要求1或权利要求2所述的一种油田抽油机的变频补偿节能控制装置，其特征是：所述PLC是通过RS485通讯卡与变频器进行通讯传输。

4. 根据权利要求1或权利要求2所述的一种油田抽油机的变频补偿节能控制装置，其特征是：所述参数调节面板与PLC之间的通讯传输是采用RS232通道。