CN108166950B - 一种游梁式抽油机以及用于该抽油机的节能控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及煤层气开采设备技术领域，尤其涉及一种游梁式抽油机以及用于该抽油机的节能控制方法。该抽油机的电机连接有变频控制机构和间抽控制机构，该抽油机的游梁上安装有变矩平衡机构，变频控制机构用于在电机正常运转时，利用正弦脉宽调制方式对电机的转速进行变频调节；间抽控制机构用于确定间抽预设值，并在抽油泵的效率不超过间抽预设值时，驱动电机切换至间抽运转模式；变矩平衡机构用于分别在电机正常运转或处于间抽运转模式时改变游梁的平衡扭矩，以使游梁处于动态平衡。此外，基于上述的游梁式抽油机提出了用于抽油机的节能控制方法。该抽油机和节能控制方法能够解决现有技术中的游梁式抽油机存在的系统效率低、能耗大的问题。

Description

一种游梁式抽油机以及用于该抽油机的节能控制方法

技术领域

本发明涉及煤层气开采设备技术领域，尤其涉及一种游梁式抽油机以及用于该抽油机的节能控制方法。

背景技术

目前，我国煤层气开采设备中有杆式抽水设备占90％以上，且以游梁式抽油机为主。游梁式抽油机的主要优点有结构简单、操作方便、工作持久、可靠性高、工况适应性好，且制造容易等。游梁式抽油机使用的动力机械绝大部分是电动机，所以抽油机的用电量的增加，也是煤层气开采的成本增项之一。随着煤层气井中地层水的不断排出，抽油机的系统效率不断下降，从而加大了对电能的损耗。

我国煤层气的发展，特别是西南区龙潭组煤系多具有低渗透、弱含水的特点，同时煤层气井经过开采一定时间后，液面会下降，造成泵充满度不足，使机械开采即抽油机的效率下降，同时会出现井下供液不足的供排失衡的现象，使得抽油泵不同程度地存在充满度不足或空抽，因此抽油机的工作效率受人关注。游梁式抽油机的系统效率低，能耗大已成为影响有杆抽油系统节能增产的关键问题。

现有的游梁式抽油机抽油系统是由电动机、减速器、曲柄、连杆、游梁、驴头及抽油杆柱、以及抽油泵组成。但是其系统效率低、能耗大的主要原因是异步电动机的运行效率较低。

一方面，游梁式抽油机一般在上、下死点处启动，则电动机需要较大的启动转矩才能完成带载直接起动，通常情况下起动转矩是满载转矩的150％左右，为了满足游梁式抽油机的启动要求，就必须选用额定功率较大的电动机。游梁式抽油机的负载特性要求工程技术人员有意识地选择大功率或者大容量的电动机，使其具有一定的过载能力，去承受抽油机的冲击性的交变载荷，同时能够稳定运行。然而，游梁式抽油机在正常运行时，其电动机的平均功率并不大，这就造成了“大马拉小车”。目前我国游梁式抽油机的电动机平均负载率为20％～30％，部分电动机负载率更低。

另一方面，煤层气井的工况随着开采时间的延续一般会发生变化，但游梁式抽油机采油不能及时调整抽汲参数响应其变化。在任何一个周期时，游梁式抽油机的运行都有上冲程和下冲程，但是在上冲程和下冲程过程中负载是不平衡的。游梁式抽油机采用游梁平衡或曲柄平衡或复合平衡来调节和改善这种上下冲程中的不平衡，但是井下工况不断变化，如液面下降、供液不足、泵筒漏失、气体影响等，都会使抽油机的平衡状态发生变化，极易发生不平衡现象。而且游梁式抽油机的平衡调节多为机械调整，容易受到现场条件的很多限制。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是解决现有技术中的游梁式抽油机存在的系统效率低、能耗大的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种游梁式抽油机，该抽油机包括：

可摇摆的游梁，一端与电机连接，另一端通过柱塞与抽油泵连接，所述柱塞竖直安装在煤层井内，在所述电机的驱动下，所述游梁通过摇摆带动所述柱塞的抽油杆在煤层井内竖直往复运动，以将所述抽油泵内的液体泵出；

变频控制机构，与所述电机连接，用于在所述电机正常运转时，利用正弦脉宽调制方式对所述电机的转速进行变频调节；

间抽控制机构，与所述电机连接，用于确定间抽预设值，并在所述抽油泵的效率不超过所述间抽预设值时，驱动所述电机切换至间抽运转模式；

变矩平衡机构，安装在游梁上，用于分别在所述电机正常运转或处于间抽运转模式时改变所述游梁的平衡扭矩，以使所述游梁处于动态平衡。

优选的，所述变频控制机构包括变频器和电机控制器，所述电机控制器通过变频器与电机连接，所述电机控制器用于利用正弦脉宽调制改变所述变频器的频率，以改变所述电机的冲程、冲次和转速，从而实现对所述电机的转速进行变频调节。

优选的，所述电机控制器内嵌有正弦脉宽调制模块，所述正弦脉宽调制模块用于利用正弦脉宽调制方式改变所述变频器的压频比，以改变所述变频器的频率。

优选的，所述柱塞包括油管和抽油杆，所述抽油泵内安装有游动阀，所述油管竖直插在所述煤层井内，所述油管的一端通过驱动组件与游梁连接，另一端与所述抽油泵连接，且所述抽油泵通过抽油杆与驱动组件连接，所述抽油杆套装在油管内，并在所述油管内竖直往复运动；在所述抽油杆运动时能带动所述游动阀在抽油泵内竖直往复运动，以将所述抽油泵内的液体泵出。

优选的，所述间抽控制机构包括：

间抽判断模块，用于预设所述间抽预设值，并根据所述煤层井中的液体量确定所述抽油泵的效率，比较所述抽油泵的效率与所述间抽预设值之间的大小；

间抽驱动模块，分别与所述间抽点确认模块和电机连接，用于在所述抽油泵的效率不超过所述间抽预设值时，驱动所述电机切换至间抽运转模式。

优选的，所述抽油泵的效率E_h满足：

其中：

E_ai为所述抽油泵的有效功耗；

H_i为任一时刻所述煤层井内的液面距离井口的高度；

M_i为任一时刻所述柱塞内的液体总重量；

L_i为任一时刻所述抽油泵的活塞的位移；

E_a0为所述抽油泵的满泵筒程功耗常数；

H₀为所述游动阀位于其冲程的最高位置时，所述抽油泵的活塞距离井口的高度；

M₀为所述游动阀位于其冲程的最高位置时，所述柱塞内充满的液体总重量；

L为所述抽油泵的活塞的总位移；

S为所述抽油泵的内径；

ρ为所述煤层井内液体的密度。

优选的，所述变矩平衡机构包括：

平衡车，安装在所述游梁的一端，所述游梁的另一端安装有驴头，所述驴头通过连接杆与柱塞连接，所述平衡车可沿所述游梁的长度方向移动；

载荷传感器，安装在所述连接杆上，用于检测所述驴头上的负重变化，并根据所述驴头上的负重变化，确定所述游梁的平衡扭矩的变化值；

位置传感器，安装在所述游梁上设有平衡车的一端，用于检测并校对所述平衡车的平衡位置；

平衡控制器，分别与所述平衡车、位置传感器和载荷传感器连接，用于根据所述游梁的平衡扭矩的变化值，驱动所述平衡车移动至所述平衡位置，以使所述游梁处于动态平衡。

优选的，该游梁式抽油机还包括故障诊断机构，所述故障诊断机构包括：

功效检测模块，与所述抽油泵连接，用于获取所述抽油泵的效率，以形成所述抽油泵的示功图；

故障诊断模块，分别与所述功效检测模块和抽油泵连接，用于根据所述抽油泵的示功图，获取所述抽油泵的实时工况，以判断所述抽油泵的故障。

本发明还提供了一种用于游梁式抽油机的节能控制方法，是基于如上所述的游梁式抽油机提出的，该节能控制方法包括：

变频控制环节：在电机正常运转时，通过变频控制机构采用正弦脉宽调制方式对所述电机的转速进行变频调节；

间抽控制环节：通过间抽控制机构确定间抽预设值，并在所述抽油泵的效率不超过所述间抽预设值时，驱动所述电机切换至间抽运转模式；

变矩平衡环节：分别在所述电机正常运转或处于间抽运转模式时，通过变矩平衡机构改变所述游梁的平衡扭矩，以使所述游梁处于动态平衡。

优选的，所述变频控制环节，进一步包括：

通过电机控制器采用正弦脉宽调制方式改变变频器的压频比；

根据改变后的所述变频器的压频比，改变所述变频器的频率，以改变所述电机的冲程、冲次和转速，从而实现对所述电机的转速进行变频调节。

优选的，所述间抽控制环节，进一步包括：

通过间抽判断模块预设所述间抽预设值；

根据所述煤层井中的液体量，通过间抽判断模块确定所述抽油泵的效率；

通过间抽判断模块比较所述抽油泵的效率与所述间抽预设值之间的大小；

在所述抽油泵的效率不超过所述间抽预设值时，通过间抽驱动模块驱动所述电机切换至间抽运转模式。

优选的，所述变矩平衡环节，进一步包括：

通过载荷传感器检测驴头上的负重，以确定所述游梁的平衡扭矩变化值；

根据所述游梁的平衡扭矩的变化值，确定所述平衡车的平衡位置，并将所述平衡车的平衡位置反馈至位置传感器；

驱动所述平衡车移动至所述平衡位置；

通过所述位置传感器检测并校对所述平衡车的平衡位置，以使所述游梁处于动态平衡。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有以下有益效果：

1、该游梁式抽油机和节能控制方法既能实现抽油机的电机正常运转时的节能控制，又能实现电机处于间抽运转模式下的节能控制，同时不论电机处于任何状态，都能保证游梁的动态平衡，从而实现抽油机的节能控制目的，解决现有技术中的游梁式抽油机存在的系统效率低、能耗大的问题，为高效节能生产提供有力保障；

2、该游梁式抽油机和节能控制方法中，通过变频控制机构融入正弦脉宽调制技术，能够正确的设定变频器的基准电压和基准频率，既能充分利用变频器的性能，又能满足电机负载对变频器的要求，以实现抽油机从启动到稳定运行的过渡时间短、游梁负载转矩突变后的跟随性能好、电机运行调节的时间短效率高的优点，从而满足控制要求，实现节能控制的目的；

3、该游梁式抽油机和节能控制方法中，通过抽油泵的效率确定电机间抽运转模式的最佳切换时机，从而实现节能控制的目的；

4、该游梁式抽油机和节能控制方法中，通过对抽油机游梁的机械平衡进行动态分析，利用载荷变化确定游梁的平衡扭矩变化值，从而使游梁保持动态平衡，以实现节能控制的目的；

5、该游梁式抽油机和节能控制方法中，通过故障诊断机构准确形成抽油泵的示功图，从而精确的获取抽油泵的实时工况，以便于对抽油泵进行及时的故障诊断，并能准确了解井下工况，提高生产的安全可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例的游梁式抽油机的结构示意图；

图2为本发明实施例的游梁式抽油机的地上部分的结构示意图；

图3为本发明实施例的游梁式抽油机的地下部分的结构示意图；

图4为本发明实施例的电机的结构和控制状态示意图；

图5为本发明实施例的变矩平衡机构的结构和控制状态示意图；

图6为本发明实施例的故障诊断机构的结构和控制状态示意图；

图7为本发明实施例的用于游梁式抽油机的节能控制方法的流程框架图；

图8为本发明实施例的方法中的变频控制环节的流程框架图；

图9为本发明实施例的方法中的间抽控制环节的流程框架图；

图10为本发明实施例的方法中的变矩平衡环节的流程框架图。

其中，1、游梁；2、驴头；3、电机；4、平衡车；5、减速器；6、配重；7、连接杆；8、驱动组件；9、油管；10、抽油杆；11、抽油泵；12、游动阀；13、平衡电动机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

如图1所示，本实施例一提供了一种游梁式抽油机，该抽油机包括地上部分和地下部分，地上部分主要为抽油机本体，地下部分主要包括柱塞和用于将煤层井内液体泵送至地面上的抽油泵11，抽油机本体包括可摇摆的游梁1、以及用于驱动游梁1摇摆的电机3，游梁1的一端与电机3连接，另一端通过柱塞与抽油泵11连接，柱塞竖直安装在煤层井内，在电机3的驱动下，游梁1通过摇摆带动柱塞的抽油杆10在煤层井内竖直往复运动，以将抽油泵11内的液体泵出至地面上。

本实施例所述的抽油机的地上部分如图2所示，其中，游梁1的中部设有摇摆悬点，在悬点下方安装有电机3，电机3通过皮带传送组件与减速器5连接，减速器5通过连杆机构连接在游梁1的一端，且在减速器5与游梁1之间的连杆机构上连接有配重6，以保证游梁1的摆动幅度稳定可控；在游梁1的另一端安装有驴头2，驴头2上竖直连接有一连接杆7，该连接杆7的顶部安装在驴头2上，底部连接抽油机的地下部分，这样在游梁1摆动时，能够将游梁1的扭矩转化为抽油机地下部分的抽油杆10竖直位移，从而带动地下部分中的抽油杆10在煤层井内竖直往复运动，进而带动抽油泵11在煤层井内竖直往复运动，最终将井内油液或水顺利泵出至地面上，完成煤层气开采工程中抽水或抽油的工作。

本实施例的抽油机的地下部分如图3所示，其中，柱塞包括油管9和抽油杆10，抽油泵11内安装有游动阀12，油管9竖直插在煤层井内，油管9的一端通过驱动组件8与游梁1连接，优选驱动组件8将抽油杆10和连接杆7底部相连，连接杆7的顶部连接在驴头2上；油管9的另一端与抽油泵11连接，且抽油泵11通过抽油杆10与驱动组件8连接，抽油杆10套装在油管9内，并在油管9内竖直往复运动；在抽油杆10运动时能带动游动阀12在抽油泵11内竖直往复运动，以将抽油泵11内的液体泵出。

为了实现电机3的节能控制，如图4所示，在电机3上分别连接有变频控制机构和间抽控制机构，变频控制机构用于在电机3正常运转时，利用正弦脉宽调制方式对电机3的转速进行变频调节；间抽控制机构用于确定间抽预设值，并在抽油泵11的效率不超过间抽预设值时，驱动电机3由正常运转切换至间抽运转模式；同时，如图5所示，在地上部分的游梁1上还安装有变矩平衡机构，变矩平衡机构用于分别在电机3正常运转或处于间抽运转模式时改变游梁1的平衡扭矩，以使游梁1处于动态平衡。根据上述结构设置，该抽油机既能实现抽油机的电机3正常运转时的节能控制，又能实现电机3处于间抽运转模式下的节能控制，同时不论电机3处于任何状态，都能保证游梁1的动态平衡，从而实现抽油机的节能控制目的，解决现有技术中的游梁式抽油机存在的系统效率低、能耗大的问题，为高效节能生产提供有力保障。

以下通过三部分分别对变频控制机构、间抽控制机构和变矩平衡机构的结构和控制部分进行详细描述。

第一部分，如图4所示，本实施例的变频控制机构包括变频器和电机3控制器，电机3控制器通过变频器与电机3连接，电机3控制器用于利用正弦脉宽调制改变变频器的频率，以改变电机3的冲程、冲次和转速，从而实现对电机3的转速进行变频调节。优选的，在电机3控制器内嵌有正弦脉宽调制模块，正弦脉宽调制模块用于利用正弦脉宽调制方式改变变频器的压频比，以改变变频器的频率。

以下对变频控制机构的工作原理及控制原则进行详细描述。

本实施例的电机3采用异步电机3，异步电机3具有结构简单、价格便宜、可靠运行、维护方便等优点。现有技术中，异步电机3的调速方式满足下述公式：

其中，n为调速后电机3的转速，s为电机3的转差率，n₁为调速前电机3的转速，f₁为电机3的频率，p为电机3的功率。

结合上述公式根据异步电机3的转速方式将异步电机3的调速方式分为以下三种：变极调速、变频调速、以及通过改变转差率s实现调速。本实施例优选采用变频调速的调速方式、利用变频器对电机3的转速进行调速。

根据上述公式(1)可以看出，如果转差率s的波动范围较小或者变化非常小的时候，转速n与频率f₁成线性关系，f₁随着n的增大而提高。故而异步电机3转速变化的快慢是可以调节的，当电源频率改变时电机3的转速相应的加快或者变慢。而异步电机3变频调速的特点如下：

1、允许无级调速，即电机3的频率可以连续自由调节；

2、电机3在变频调速过程时的调速范围较宽；

3、对电机3的调速过程中，保持恒功率的调速是在变频器的基准频率(以下简称基频)之上，而保持恒转矩的调速是在基频以下。

根据上述内容可知，在电机3的定子相电压不变的情况下，若仅仅降低定子的频率，会使磁通量增大很多，则会出现主磁路过饱和、励磁电流急剧增大、铁耗增加、功率因数下降、电机3容量得不到充分利用的不良情况发生。

因此，在调节电机3定子的频率同时，也应适当改变电机3定子的电压，以保持磁通不变、或者保持电机3的过载能力不变。若能在调节时保持电压与频率成正比，则在调速过程中既能使过载能力不变又能满足磁通不变，且在基频以下进行调速时，电机3频率变小，最大转矩不变，而启动转矩减小。此时电压较小，定子漏磁阻抗压降所占的分量比较显著而不能再被忽略。这时就需要人为调高电压，以补偿定子压降，以便维持电机3具有足够的启动转矩。

结合上述内容，本实施例的变频调速机构中，内嵌有正弦脉宽调制模块，正弦脉宽调制模块可以使变频器输出交流电压的波形近似为正弦波，它可以使电动机的输出扭矩更加平稳，提高电机3变压变频系统的性能。这是因为：当正弦值处在最大值的时候，那么得到的脉冲宽度也应是最大，此时脉冲间的距离为最小；反之，如果正弦值变小，同样脉冲的宽度同步变小，此时脉冲间的距离为增大，高次谐波成分在如此的电压脉冲系列可以使负载电流中急剧减少，故而将这种调制方式称之为正弦波脉宽调制，即正弦脉宽调制方式。

电机3是本实施例所述的变频调速机构的对象和主要设备。具体的，采用变频异步电机3配备变频器，从而实现对电机3转速的精确控制，即是说，将变频后的交流电接入到电机3定子绕组中，即可实现对电机3的变频调速。

与此同时，本实施例的变频调速机构还能够正确的设定变频器的基准电压和基准频率，即是说，该变频调速机构能够正确的设定变频器的压频比，从而既可以充分利用变频器的性能，又能满足负载对变频器的要求，进而为游梁式抽油机的节能控制提供了有力依据。

第二部分，如图5所示，本实施例的间抽控制机构包括间抽判断模块和间抽驱动模块，间抽判断模块用于预设间抽预设值，并根据煤层井中的液体量确定抽油泵11的效率，比较抽油泵11的效率与间抽预设值之间的大小；间抽驱动模块分别与间抽点确认模块和电机3连接，用于在抽油泵11的效率不超过间抽预设值时，驱动电机3切换至间抽运转模式。图5中，直线部分为机械连接关系，箭头部分为数据连接关系。

本实施例的间抽控制机构提出的原因为：我国西南地区龙潭组煤系具有渗透性差，弱含水的特点，特别是到了排采阶段后期，由于地层供液不足很多煤层气井都会出现液面不稳定、间断出液、以及抽油泵11的效率降低的问题，当抽油机发生空抽现象的时候，系统无论如何改变冲程和冲次都无法将水或油液顺利排出地面，也无法判断抽油机是否正常工作；同时这些因素也加剧了对抽油机的各部件(如管、杆、泵体)的偏磨，如果继续运行会造成电能的浪费。即是说上述的变频控制机构在电机3正常运转时能够起到非常良好的节能控制作用，但是该变频控制机构并不能很好的适用于出现间断出液和液面不稳定的煤层井内开采工作中。当煤层水量很小的时候会造成抽油杆10的载荷很小，系统效率严重下降，据此，本实施例提出的间抽控制机构能够将电机3从正常运转切换至间抽运转模式，从而带动抽油机整体进入间抽状态，这样不但可以提高抽油机的工作效率，同时也减少抽油机运转的时间，减少了由于设备磨损所带来的开支。

游梁式抽油机的驴头2在采油过程中做正功，优选在连接杆7或抽油杆10上设置负载传感器，负载传感器能够获取驴头2承受的负载重量，通过电流与载荷的关系可知，载荷增加则电机3的功率增大，载荷减小则电机3的功率降低。当出现抽油机驴头2承受的载荷减小且电机3功率降低时，可通过间抽判断模块计算确定抽油机空抽程度，以便及时将电机3切换至间抽运转模式。

具体的，抽油泵11的效率E_h满足：

其中：

E_ai为抽油泵11的有效功耗；

H_i为任一时刻煤层井内的液面距离井口的高度；

M_i为任一时刻柱塞内的液体总重量；

L_i为任一时刻抽油泵11的活塞的位移；

E_a0为抽油泵11的满泵筒程功耗常数；

H₀为游动阀12位于其冲程的最高位置时，抽油泵11的活塞距离井口的高度；

M₀为所述游动阀位于其冲程的最高位置时，柱塞内充满的液体总重量；

L为抽油泵11的活塞的总位移；

S为抽油泵11的内径；

ρ为煤层井内液体的密度。

在上述公式(2)～公式(4)中，通常来说对于同一口煤层井而言，M₀为一定值，即M₀为常数项。即是说，每口井的M₀都是常量，但是不同井的M₀不相等。

设游动阀12运动的每个冲程内，电机3有功功耗为E_i，电机3的机械损耗为E_m，则有：

E_i＝E_ai+E_m； (5)

由能量守恒定律可得，E_ai全部用于油提升过程中势能的增加，即如公式(3)所示，对于任意一口煤层井，引入抽油泵11的满泵筒程功耗常数E_a0，通过上述公式(3)、(4)和(5)推导可以得出抽油泵11的效率E_h满足公式(2)所示。

经过分析可以看到，本实施例所述的间抽控制机构通过间抽判断模块对系统数据的获取和计算，可以很快捷方便的提取出抽油泵11的效率E_h，从而立刻可以根据以上数据判断出抽油机的工作状态，并根据该抽油机的电机3和抽油泵11的具体工作状态预先设定间抽预设值，并可以设置当抽油泵11的效率E_h低于该间抽预设值时，利用间抽驱动模块驱动电机3由正常运转切换至间抽运转模式，从而实现间抽控制。

第三部分，如图6所示，本实施例的变矩平衡机构包括平衡车4、载荷传感器、位置传感器和平衡控制器，平衡车4安装在游梁1的一端，并在平衡电动机13的驱动下可沿游梁1的长度方向移动；载荷传感器安装在连接杆7上，用于检测驴头2上的负重变化，并根据驴头2上的负重变化，确定游梁1的平衡扭矩的变化值，为了简化结构，可以利用间抽控制机构中的负载传感器作为该变矩平衡机构的载荷传感器，仅需要将负载传感器与平衡控制器连接实现数据交换即可；位置传感器安装在游梁1上设有平衡车4的一端，用于检测并校对平衡车4的平衡位置；平衡控制器分别与平衡车4、位置传感器和载荷传感器连接，用于根据游梁1的平衡扭矩的变化值，驱动平衡车4移动至平衡位置，以使游梁1处于动态平衡；图6中，直线部分为机械连接关系，箭头部分为数据连接关系。

本实施例的抽油机中，游梁1上设置的平衡小车是可以进行往复运动的。将抽油机的地下部分看做连接在游梁1一端的负载，相应的，在游梁1另一端设置平衡车4和配重6。当负载的载荷变化后，平衡控制器通过载荷传感器获取到负载的载荷变化，并计算得出平衡车4的平衡位移，平衡控制器将该平衡位移反馈至位置传感器，并通过平衡控制器与平衡电动机13之间的驱动关系，利用平衡电动机13驱动平衡车4进行相应的左右运动，以使平衡车4始终保持在平衡位置上，从而实现游梁1的动态平衡。

平衡控制器的工作原理为：平衡控制器内设有电流互感器、单片机和继电器，将电流互感器与电机3的电源线相连，单片机的输入端再与电流互感器连接，位置传感器的信号输出端接单片机。继电器与单片机的信号输出端连接，而平衡电动机13就是通过继电器来实现控制的。

本实施例的抽油机设有游梁1平衡配重6，即如图2和图5所示，在游梁1远离驴头2的端部设置平衡车4。游梁1平衡就是通过平衡车4在游梁1上的来回运动来实现抽油机游梁1摇摆时的动态平衡的。

当驴头2上摆时，电机3通过减速器5带动游梁1上摆，以使驴头2克服抽油杆10的重量、作用在柱塞上的油管9重量以及惯性力和摩擦力上行。这时驴头2的运动方向与载荷方向相反，因此抽油机在作功。但当驴头2下行时，驴头2运动方向与抽油杆10和油管9载荷的方向相同，抽油杆10拉动游梁1下摆，从而对抽油机作功，这时电机3可能不仅不作功，反而被带动的发电机3做功。

目前绝大多数抽油机系统中设备各部分之间有一个平衡关系，扭矩分为净扭矩、惯性扭矩、抽油杆10载荷扭矩等等，这几个扭矩之间有如下的关系：在运行的时候抽油杆10载荷扭矩与惯性扭矩再加上平衡扭矩之和，即为抽油机净扭矩，这是抽油机运行系统的平衡方程。因为抽油机的持续不断工作，所以的井下液面的变化是很快的，也随着井内液体的不断被提升至地面而变化，因此抽油杆10载荷扭矩也随之发生变化，当电机3的冲次、冲程都不变化的情况下，载荷的变化引起惯性扭矩改变，在净扭矩为一定值保持不变的时候，要继续保持系统原有平衡，此时需要通过平衡扭矩的改变来达到新的平衡。过去都是靠工人来根据参数的变化人为的调整平衡块位置，人为的操作存在很多的弊端，需要工人根据经验来判断调节的距离，不仅很难准确的调整，也不能保证游梁1时刻都处在平衡状态，也就是说抽油机多数是在不平衡的情况下运转，这样抽油机在工作过程中就要多消耗由于不平衡而造成的电能浪费。

本实施例的抽油机游梁1上安装有变矩平衡机构，通过载荷传感器的数据转换可得连接杆7的载荷，从而得出扭矩的变化值，此时的抽油杆10载荷扭矩的变化包括二部分，一部分是动液面发生变化了的抽油杆10载荷扭矩的变化值，实际上这种动液面发生变化了的抽油杆10载荷扭矩的变化值就是由直线伺服电机3带动的平衡车4所要调节的平衡扭矩变化值，然后由平衡车4通过移动至平衡位置来调节为新的平衡，从而解决了抽油机载荷在抽油过程中由于井下参数变化带来的不平衡问题，这样可以使游梁式抽油机在采油过程中处在一个相对平衡的工作状态，从而实现游梁式抽油机的节能。

需要说明的是，不论是游梁式抽油机还是其他类型的抽油机，绝对的平衡是不存在的，平衡是一个相对的状态。由于变矩平衡机构中为平衡车4单独设置了平衡电动机13，平衡电动机13本身是大型耗电设备，其能耗是必须考虑的一个问题。因此，平衡控制器中设置的工作期间是24小时调节平衡一次、或者是根据井况来确定其调整时间段，但不能过于频繁的调节，这是因为调节的过程也需要耗费电能，所以应避免因频繁的调节引起的对电机3和平衡车4的损坏，且能保证抽油机的机械系统多数处于平衡状态。

本实施例中，如图6所示，该游梁式抽油机还包括故障诊断机构，故障诊断机构包括功效检测模块和故障诊断模块，功效检测模块与抽油泵11连接，用于获取抽油泵11的效率，以形成抽油泵11的示功图；故障诊断模块分别与功效检测模块和抽油泵11连接，用于根据抽油泵11的示功图，获取抽油泵11的实时工况，以判断抽油泵11的故障。

本实施例的抽油机通过故障诊断机构能够准确形成抽油泵11的示功图，从而精确的获取抽油泵11的实时工况，以便于对抽油泵11进行及时的故障诊断，并能准确了解井下工况，提高生产的安全可靠性。

需要说明的是，本实施例所述的变矩平衡控制机构使用的载荷传感器、与间抽控制机构使用的负载传感器可以为同一个传感器，这样可以节约其成本，同时又可获得“示功图”，一举多得。

在上述的游梁式抽油机的结构和原理基础上，本实施例还提出了一种用于游梁式抽油机的节能控制方法，该节能控制方法包括：

S100、变频控制环节：在电机3正常运转时，通过变频控制机构采用正弦脉宽调制方式对电机3的转速进行变频调节；

S200、间抽控制环节：通过间抽控制机构确定间抽预设值，并在抽油泵11的效率不超过间抽预设值时，驱动电机3切换至间抽运转模式；

S300、变矩平衡环节：分别在电机3正常运转或处于间抽运转模式时，通过变矩平衡机构改变游梁1的平衡扭矩，以使游梁1处于动态平衡。

在步骤S100所述的变频控制环节中，进一步包括：

S110、通过电机3控制器采用正弦脉宽调制方式改变变频器的压频比；

S120、根据改变后的变频器的压频比，改变变频器的频率，以改变电机3的冲程、冲次和转速，从而实现对电机3的转速进行变频调节。

在步骤S200所述的间抽控制环节中，进一步包括：

S210、通过间抽判断模块预设间抽预设值；

S220、根据煤层井中的液体量，通过间抽判断模块确定抽油泵11的效率；

S230、通过间抽判断模块比较抽油泵11的效率与间抽预设值之间的大小；

S240、在抽油泵11的效率不超过间抽预设值时，通过间抽驱动模块驱动电机3切换至间抽运转模式。

在步骤S300所述的变矩平衡环节中，进一步包括：

S310、通过载荷传感器检测驴头2上的负重，以确定游梁1的平衡扭矩变化值；

S320、根据游梁1的平衡扭矩的变化值，确定平衡车4的平衡位置，并将平衡车4的平衡位置反馈至位置传感器；

S330、驱动平衡车4移动至平衡位置；

S340、通过位置传感器检测并校对平衡车4的平衡位置，以使游梁1处于动态平衡。

综上所述，本实施例所述的游梁式抽油机和节能控制方法既能实现抽油机的电机3正常运转时的节能控制，又能实现电机3处于间抽运转模式下的节能控制，同时不论电机3处于任何状态，都能保证游梁1的动态平衡，从而实现抽油机的节能控制目的，解决现有技术中的游梁式抽油机存在的系统效率低、能耗大的问题，为高效节能生产提供有力保障。

该抽油机和节能控制方法通过变频控制机构融入正弦脉宽调制技术，能够正确的设定变频器的基准电压和基准频率，既能充分利用变频器的性能，又能满足电机3负载对变频器的要求，以实现抽油机从启动到稳定运行的过渡时间短、游梁1负载转矩突变后的跟随性能好、电机3运行调节的时间短效率高的优点，从而满足控制要求，实现节能控制的目的；通过抽油泵11的效率确定电机3间抽运转模式的最佳切换时机，从而实现节能控制的目的；通过对抽油机游梁1的机械平衡进行动态分析，利用载荷变化确定游梁1的平衡扭矩变化值，从而使游梁1保持动态平衡，以实现节能控制的目的；通过故障诊断机构准确形成抽油泵11的示功图，从而精确的获取抽油泵11的实时工况，以便于对抽油泵11进行及时的故障诊断，并能准确了解井下工况，提高生产的安全可靠性。

本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (11)

1.一种游梁式抽油机，其特征在于，包括：

可摇摆的游梁，一端与电机连接，另一端通过柱塞与抽油泵连接，所述柱塞竖直安装在煤层井内，在所述电机的驱动下，所述游梁通过摇摆带动所述柱塞的抽油杆在煤层井内竖直往复运动，以将所述抽油泵内的液体泵出；

变频控制机构，与所述电机连接，用于在所述电机正常运转时，利用正弦脉宽调制方式对所述电机的转速进行变频调节；

间抽控制机构，与所述电机连接，用于确定间抽预设值，并在所述抽油泵的效率不超过所述间抽预设值时，驱动所述电机切换至间抽运转模式；

变矩平衡机构，安装在游梁上，用于分别在所述电机正常运转或处于间抽运转模式时改变所述游梁的平衡扭矩，以使所述游梁处于动态平衡；

其中，所述变矩平衡机构包括：

平衡车，安装在所述游梁的一端，所述游梁的另一端安装有驴头，所述驴头通过连接杆与柱塞连接，所述平衡车可沿所述游梁的长度方向移动；

载荷传感器，安装在所述连接杆上，用于检测所述驴头上的负重变化，并根据所述驴头上的负重变化，确定所述游梁的平衡扭矩的变化值；

位置传感器，安装在所述游梁上设有平衡车的一端，用于检测并校对所述平衡车的平衡位置；

平衡控制器，分别与所述平衡车、位置传感器和载荷传感器连接，用于根据所述游梁的平衡扭矩的变化值，驱动所述平衡车移动至所述平衡位置，以使所述游梁处于动态平衡。

2.根据权利要求1所述的游梁式抽油机，其特征在于，所述变频控制机构包括变频器和电机控制器，所述电机控制器通过变频器与电机连接，所述电机控制器用于利用正弦脉宽调制改变所述变频器的频率，以改变所述电机的冲程、冲次和转速，从而实现对所述电机的转速进行变频调节。

3.根据权利要求2所述的游梁式抽油机，其特征在于，所述电机控制器内嵌有正弦脉宽调制模块，所述正弦脉宽调制模块用于利用正弦脉宽调制方式改变所述变频器的压频比，以改变所述变频器的频率。

4.根据权利要求1所述的游梁式抽油机，其特征在于，所述柱塞包括油管和抽油杆，所述抽油泵内安装有游动阀，所述油管竖直插在所述煤层井内，所述油管的一端通过驱动组件与游梁连接，另一端与所述抽油泵连接，且所述抽油泵通过抽油杆与驱动组件连接，所述抽油杆套装在油管内，并在所述油管内竖直往复运动；在所述抽油杆运动时能带动所述游动阀在抽油泵内竖直往复运动，以将所述抽油泵内的液体泵出。

5.根据权利要求4所述的游梁式抽油机，其特征在于，所述间抽控制机构包括：

间抽判断模块，用于预设所述间抽预设值，并根据所述煤层井中的液体量确定所述抽油泵的效率，比较所述抽油泵的效率与所述间抽预设值之间的大小；

间抽驱动模块，分别与所述间抽判断模块和电机连接，用于在所述抽油泵的效率不超过所述间抽预设值时，驱动所述电机切换至间抽运转模式。

6.根据权利要求5所述的游梁式抽油机，其特征在于，所述抽油泵的效率E_h满足：

其中：

E_ai为所述抽油泵的有效功耗；

H_i为任一时刻所述煤层井内的液面距离井口的高度；

M_i为任一时刻所述柱塞内的液体总重量；

L_i为任一时刻所述抽油泵的活塞的位移；

E_a0为所述抽油泵的满泵筒程功耗常数；

H₀为所述游动阀位于其冲程的最高位置时，所述抽油泵的活塞距离井口的高度；

M₀为所述游动阀位于其冲程的最高位置时，所述柱塞内充满的液体总重量；

L为所述抽油泵的活塞的总位移；

S为所述抽油泵的内径；

ρ为所述煤层井内液体的密度。

7.根据权利要求1-6任一项所述的游梁式抽油机，其特征在于，该游梁式抽油机还包括故障诊断机构，所述故障诊断机构包括：

功效检测模块，与所述抽油泵连接，用于获取所述抽油泵的效率，以形成所述抽油泵的示功图；

故障诊断模块，分别与所述功效检测模块和抽油泵连接，用于根据所述抽油泵的示功图，获取所述抽油泵的实时工况，以判断所述抽油泵的故障。

8.一种用于游梁式抽油机的节能控制方法，其特征在于，是基于如权利要求1-7任一项所述的游梁式抽油机提出的，该节能控制方法包括：

变频控制环节：在电机正常运转时，通过变频控制机构采用正弦脉宽调制方式对所述电机的转速进行变频调节；

间抽控制环节：通过间抽控制机构确定间抽预设值，并在所述抽油泵的效率不超过所述间抽预设值时，驱动所述电机切换至间抽运转模式；

变矩平衡环节：分别在所述电机正常运转或处于间抽运转模式时，通过变矩平衡机构改变所述游梁的平衡扭矩，以使所述游梁处于动态平衡。

9.根据权利要求8所述的节能控制方法，其特征在于，所述变频控制环节，进一步包括：

通过电机控制器采用正弦脉宽调制方式改变变频器的压频比；

根据改变后的所述变频器的压频比，改变所述变频器的频率，以改变所述电机的冲程、冲次和转速，从而实现对所述电机的转速进行变频调节。

10.根据权利要求8所述的节能控制方法，其特征在于，所述间抽控制环节，进一步包括：

通过间抽判断模块预设所述间抽预设值；

根据所述煤层井中的液体量，通过间抽判断模块确定所述抽油泵的效率；

通过间抽判断模块比较所述抽油泵的效率与所述间抽预设值之间的大小；

在所述抽油泵的效率不超过所述间抽预设值时，通过间抽驱动模块驱动所述电机切换至间抽运转模式。

11.根据权利要求8所述的节能控制方法，其特征在于，所述变矩平衡环节，进一步包括：

通过载荷传感器检测驴头上的负重，以确定所述游梁的平衡扭矩变化值；

根据所述游梁的平衡扭矩的变化值，确定所述平衡车的平衡位置，并将所述平衡车的平衡位置反馈至位置传感器；

驱动所述平衡车移动至所述平衡位置；

通过所述位置传感器检测并校对所述平衡车的平衡位置，以使所述游梁处于动态平衡。

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