CN1142362C

CN1142362C - 变频容积调速控制的液压抽油机

Info

Publication number: CN1142362C
Application number: CNB011390182A
Authority: CN
Inventors: 兵徐; 徐兵; 平; 杨华勇; 欧阳小平
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2001-11-29
Filing date: 2001-11-29
Publication date: 2004-03-17
Anticipated expiration: 2021-11-29
Also published as: CN1353236A

Abstract

本发明公开了一种变频容积调速控制的液压抽油机。它包括机械装置，检测控制装置，液压控制装置。是采用变压变频技术来控制三相交流异步电动机的转速，从而控制定量液压泵的输出流量，驱动液压缸来控制抽油机的运行速度。同时，利用机械配重的平衡方式，降低了抽油机的装机功率，并能有效地利用抽油机下冲程的势能，节能效果十分明显。本发明采用数字变频控制技术，可使抽油机的运行速度曲线达到最佳的理想状态，从而使抽油机系统效率达到最高。同时具有连续的无级调速、调冲程功能，具有过载、断载、过电流、瞬时失速等多种较强的自保护功能。

Description

变频容积调速控制的液压抽油机

技术领域

本发明涉及从井中开采流体的装置，特别是一种适用于陆上开采油的液压抽油机。

背景技术

有杆抽油机是目前油田开发中普遍使用的一种机械抽油设备，分为游梁式抽油机和无游梁式抽油机。游梁式抽油机由于其经久耐用、元件可靠、维修方便等特点，在油田得到了广泛的应用。但在游梁式抽油机的长期使用过程中，暴露了不少问题：

1)装机功率大，能耗高、效率低

抽油机体积庞大、结构复杂，装机功率大。目前陆上油田的一台抽油机的装机容量平均为32.6KW以上，我国陆上油田有杆抽油机的年耗电量约为67.6亿千瓦时。由于其巨大的平衡块、减速器、四联杆机构和皮带传动方式，在运行过程中，耗费了大量的能量。此外，电动机不能根据抽油机上、下运行行程的负载变化而自动调节其输出功率，因此抽油机的系统效率很低。

2)无法根据复杂多变的油井工况要求实现自动控制

目前的机械式游梁抽油机无法实时调节其运动规律来满足油井不同冲程、冲次的工况要求，同时游梁式抽油机也无法解决抽油机的供液不足、泵效降低等问题。

游梁式抽油机不能根据油井工况的变化而自动调节其工作规律，从而不能对油井故障进行自动诊断和控制，因此许多故障无法及时发现和避免，从而影响产量，造成不必要的浪费。

在抽油机上应用液压技术，容易实现抽油机的长冲程、低冲次，可使抽油机的整机重量和占地面积都大大降低。液压抽油机参数调节方便，容易实现无级调速，能很好地适应井况的变化。近年来，随着我国油田越来越多地需要长冲程、低冲次的抽油机来提高产液量，人们研究了多种节能型的液压抽油机，这些抽油机在改善抽油机的运行参数，提高抽油机的效率方面有了一定的进步，但由于设计的液压系统只是单纯地从如何回收抽油机下冲程的能量角度出发，并没有充分地利用电机和液压泵的效率，同时抽油机自适应能力差，导致系统效率低、抽油机节能效果不明显，因而没有得到有效推广。

发明内容

本发明的目的是设计一种提高液压泵和电动机效率并具有自动调节能力的变频容积调速控制的液压抽油机。

本发明采用的技术方案是；

变频容积调速控制的液压抽油机，包括机械装置，检测控制装置，液压控制装置。

1)在机械装置中，抽油机的光杆与液压缸的活塞杆是通过装在上基板两端滚轮上的钢丝绳和装在导轨内的配重块直接连接；

2)检测控制装置：包括测速光电编码器、交流矢量变频器、控制检测单元、速度位置传感器；交流矢量变频器经测速光电编码器与电动机相连，交流矢量变频器还与电动机相连，控制检测单元分别与交流矢量变频器、电磁换向阀、速度位置传感器相连；

3)液压控制装置：包括液压泵，电动机，安全阀，手动泵，两个限速切断阀，两个液控单向阀，电磁换向阀，单向阀；液压泵通过单向阀、第一管路、电磁换向阀后分别与第二、第三管路相连，第二管路经第一限速切断阀、第一液控制单向阀与液压缸的无杆腔相连，第三管路经第二限速切断阀、第二液控制单向阀与液压缸的有杆腔相连，电动机通过联轴器与液压泵刚性同轴连接，安全阀一端经第四管路和第一管路相连，另一端接油箱。

手动泵一端经第五管路和第一管路相连，另一端接油箱。

本发明是通过采用变压变频技术来控制三相交流异步电动机的转速，从而控制定量液压泵输出流量，达到按一定规律控制液压缸进而控制液压抽油机运行速度的目的。作为一种变转速容积调速方式，变频调速能按系统的需要来提供流量从而将系统溢流的损失降到最低限度。这种变频驱动容积调速液压抽油机系统无论负载如何变化，输入功率都能适应负载需求的变化。

本发明将液压技术和变频技术、控制技术集成为一体，根据油井工况来动态调节液压抽油机的工作状态，具有如下特点：

①采用机械配重的平衡方式，降低了抽油机的装机功率；

②本发明采用数控技术来控制液压抽油机，通过控制检测单元控制，可使抽油杆、抽油泵的运行速度达到理想的最佳曲线；

③通过调节变频调速器输出电源的频率，改变电动机转速，利用液压容积调速原理可无级调节抽油机冲次、冲程。根据电动机上、下冲程的不同，实时调节电动机的输出功率，使电动机始终工作在最佳状态。可使抽油机—抽油杆—抽油泵能动态协调，增产、节能明显；

④由于使用变频调速器，使电动机启动电流大幅降低，从而延长了电机和液压泵的寿命。同时电网功率因数大幅度提高，启动电流平稳，对电网冲击小；

⑤由于采用数字控制的变频技术，使抽油系统实现了软停、软启，匀速提升排液和匀速下降进液，整机工作平稳，运行冲击载荷减小；

⑥具有过载、过电流、过电压、瞬时失速等多种较强的保护功能；

⑦液压抽油机变频调速控制系统采用传感器矢量闭环控制技术。

总之，变频容积调速控制的液压抽油机结合了当代的液压容积调速技术、计算机技术、变频控制技术，软硬件资源丰富，系统控制灵活，使其具有结构简单、节能效果显著、自适应性强等优点。

附图说明

图1为变频容积调速控制的液压抽油机的结构简图；

图2为变频容积调速控制的液压抽油机原理图。

图中，变频容积调速控制的液压抽油机是由机械装置1、检测控制装置2和液压控制装置3组成的。其中4是侧支架，5是液压缸，6是活塞杆，7是导轨，8是机械配重，9是钢丝绳，10是滚轮，11是上基板，12是滚轮支座，13是基架加强筋，14是悬绳器，15是光杆，16为采油树，17是油管，18为速度位置传感器，19是活塞杆6上的挡铁，20、21为液压管路，22为基架，23为过滤器，24为液压泵，25是电动机，26是电机轴的测速光电编码器，27是电机与液压泵间的联轴器，28为交流矢量变频器，29是控制检测单元，30是安全阀，31是手动泵，32、33是限速切断阀，34、35为互锁液控单向阀，36电磁换向阀，37为油箱，38是电动机光电编码器到变频器的输出信号，39是变频器到电动机的输出信号，40是微机控制单元到变频器的输出信号，41是微机控制单元到电磁换向阀的输出信号，42是抽油机速度、位置传感器到控制检测单元的输出信号，43为单向阀，44、45分别为油缸活塞下、上极限位置的保护行程开关，46、47、48为管路。

具体实施方式

如图1、图2所示，变频容积调速控制的液压抽油机，包括机械装置1，检测控制装置2，液压控制装置3，其中：

1)在机械装置1中，抽油机的光杆15与液压缸5的活塞杆6是通过装在上基板11两端滚轮10上的钢丝绳9和装在导轨7内的配重块8直接连接；

2)检测控制装置2：包括测速光电编码器26、交流矢量变频器28、控制检测单元29、速度位置传感器18；交流矢量变频器28经测速光电编码器26与电动机25相连，交流矢量变频器28还与电动机25相连，控制检测单元29分别与交流矢量变频器28、电磁换向阀36、速度位置传感器18相连；

3)液压控制装置3：包括液压泵24，电动机25，安全阀30，手动泵31，两个限速切断阀32、33，两个液控单向阀34、35，电磁换向阀36，单向阀43；液压泵24通过单向阀43、管路47、电磁换向阀36后分别与管路20、管路21相连，管路20经限速切断阀32、液控制单向阀34与液压缸5的无杆腔相连，管路21经限速切断阀33、液控制单向阀35与液压缸5的有杆腔相连，电动机25通过联轴器27与液压泵24刚性同轴连接，安全阀30一端经管路48和管路47相连，另一端接油箱37。手动泵31一端经管路46和管路47相连，另一端接油箱37。

机械配重的选择：

当上冲程时，抽油杆所受的力，最大约为P_u＝P_杆+P_液柱；当下冲程时，抽油杆所受的力，最小约为P_d＝P_杆；其中P_杆为抽油杆在油井中的净重力。

我们采用的机械配重块重量为：P_balace＝(P_u+P_d)/2＝P_杆+P_液柱/2，此时抽油机系统的效率最高；配重块的如此配置，可使抽油机的装机功率大为降低。同时由于P_balace＞P_杆，所以无论抽油机在上冲程还是下冲程的运行过程中，都要驱动液压缸中的活塞杆做功。

抽油机速度直接反馈变频控制液压系统的工作原理如下：

a)上行

抽油机上冲程时，控制检测单元29给变频器28输出控制信号40，驱动电动机25低速运转；同时控制检测单元29输出控制信号41，将电磁换向阀36打到右位置；电动机25通过联轴器27驱动液压泵24，将油液从油箱37经过滤器23、单向阀43、电磁换向阀36的右位，打入管路21，再经限速切断阀33、单向阀35，打入液压缸5的有杆腔；同时随着管路21中油压的升高，油液将推开液控单向阀34，使液压缸5无杆腔内的油液经单向阀34、限速切断阀32、管路20、电磁换向阀36右位，流回油箱37，从而推动油缸5下行，带动抽油杆15上行。在运行过程中，控制检测单元29实时检测速度位置传感器18输出的信号42，并计算出此时抽油机的运行速度和位移；变频器28检测光电编码器26输出的信号38，算出此时电动机25的转速。在控制检测单元29内，将输入的位移信号与预先设定的冲程相比较，将输入的速度信号与理想运行速度曲线相对比后，不断输出控制信号40到变频器28，使变频器不断输出信号39来调节电动机25的转速，改变进入液压缸5的油液流量，进而不断调节抽油杆15的运行速度，将其运行在最理想的工作状态下。当抽油杆的位移接近设定冲程时，控制检测单元29发出控制信号40，变频器28降低电动机25的转速，使抽油泵24的供油减少，直至电动机25转速变为0，液压泵24无流量输出，同时液控单向阀34、35互相锁死，抽油杆15速度变为0。抽油杆15到达上冲程死点后，按理想速度曲线要停留一段时间，将抽油杆15的变形能释放掉。

b)下行

抽油机下冲程时，控制检测单元29给变频器28输出控制信号40，驱动电动机25低速运转；同时控制检测单元29输出控制信号41，将电磁换向阀36打到左位置；电动机25通过联轴器27驱动液压泵24，将油液从油箱37经过滤器23、单向阀43、电磁换向阀36的左位，打入管路20，再经限速切断阀32、单向阀34，打入液压缸5的无杆腔；同时随着管路20中油压的升高，油液将推开液控单向阀35，使液压缸5有杆腔内的油液经单向阀35、限速切断阀33、管路21、电磁换向阀36左位，流回油箱37，从而推动油缸5上行，带动抽油杆15下行。在运行过程中，控制检测单元29实时检测速度位置传感器18输出的信号42，并计算出此时抽油机的运行速度和位移；变频器28检测光电编码器26输出的信号38，算出此时电动机25的转速。在控制检测单元29内，将输入的位移信号与预先设定的冲程相比较，将输入的速度信号与理想运行速度曲线相对比后，不断输出控制信号40到变频器28，使变频器不断输出信号39来调节电动机25的转速，改变进入液压缸5的油液流量，进而不断调节抽油杆15的运行速度，将其运行在最理想的工作状态下。当抽油杆的位移接近设定冲程时，控制检测单元29发出控制信号40，变频器28降低电动机25的转速，使抽油泵24的供油减少，直至电动机25转速变为0，液压泵24无流量输出，同时液控单向阀34、35互相锁死，抽油杆15速度变为0。抽油杆15到达下冲程死点后，按理想速度曲线要停留一段时间，使抽油泵的添满系数达到最佳。

在抽油机上、下运行过程中，抽油机速度、位置信号实时反馈给控制检测单元29并记录下来，通过与控制检测单元29内设定的理想运行曲线相比较，构成抽油机速度反馈大闭环，从而对抽油机速度进行实时调节控制，使其达到最佳的采油状态。在抽油机的运行过程中，电动机能够根据负载的变化，不断地调节其输出功率，进而节省了大量能量。

将所需要的抽油机冲程和冲次输入到控制检测单元29，控制检测单元29会自动调节进入液压缸5的油液流量，从而调节抽油机的冲次；同时自动设置、检测抽油机的位置传感器，从而自动调节抽油机的冲程。

系统其它组成部件中，限速切断阀32、33分别安装在靠近液压缸两腔的管路20、21上。在抽油机工作的过程中，抽油机由于断载会导致液压缸5与液压泵24间的管路20或21压力突然升压，此时限速切断阀32、33快速进入工作状态，切断液压缸5油路，使抽油机安全制动。在抽油机的上行程中，由于超载，会使液压泵24的出口压力上升，此时安全阀30迅速打开，将压力保持在工作压力上限，防止其继续上升。

和安全阀30一样，手动泵31在系统处于正常状态时，不参与工作。当系统失电或变频器-电机-泵动力环节出现故障时，手动泵31能将抽油机上升或下降至期望位置。

当油缸活塞杆6由于意外事故而冲出其规定行程时，活塞挡铁19将接触油缸活塞杆6上、下极限位置的保护行程开关44、45，迫使系统断电，实现断电保护。

Claims

1.变频容积调速控制的液压抽油机，包括机械装置[1]，检测控制装置[2]，液压控制装置[3]，其特征在于：

1)在机械装置[1]中，抽油机的光杆[15]与液压缸[5]的活塞杆[6]是通过装在上基板[11]两端滚轮[10]上的钢丝绳[9]和装在导轨[7]内的配重块[8]直接连接；

2)检测控制装置[2]：包括测速光电编码器[26]、交流矢量变频器[28]、控制检测单元[29]、速度位置传感器[18]；交流矢量变频器[28]经测速光电编码器[26]与电动机[25]相连，交流矢量变频器[28]还与电动机[25]相连，控制检测单元[29]分别与交流矢量变频器[28]、电磁换向阀[36]、速度位置传感器[18]相连；

3)液压控制装置[3]：包括液压泵[24]，电动机[25]，安全阀[30]，手动泵[31]，两个限速切断阀[32]、[33]，两个液控单向阀[34]、[35]，电磁换向阀[36]，单向阀[43]；液压泵[24]通过单向阀[43]、第一管路[47]、电磁换向阀[36]后分别与第二管路[20]、第三管路[21]相连，第二管路[20]经第一限速切断阀[32]、第一液控制单向阀[34]与液压缸[5]的无杆腔相连，第三管路[21]经第二限速切断阀[33]、第二液控制单向阀[35]与液压缸[5]的有杆腔相连，电动机[25]通过联轴器[27]与液压泵[24]刚性同轴连接，安全阀[30]一端经第四管路[48]和第一管路[47]相连，另一端接油箱[37]。

2.根据权利要求1所述的变频容积调速控制的液压抽油机，其特征在于：手动泵[31]一端经第五管路[46]和第一管路[47]相连，另一端接油箱[37]。