CN204216804U - 丛式井抽油机分布式集散变频控制节能装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种丛式井抽油机分布式集散变频控制节能装置，包括外部高压电网、变压器、整流装置、直流母线排、两台或两台以上的逆变装置、两台或两台以上的抽油机和分布式集散控制装置。所述整流装置的输出端连接到所述直流母线排的输入端；所述直流母线的输出端分布连接到两台或两台以上所述逆变装置的输入端；每台所述逆变装置的输出端连接一台所述抽油机电机的输入端。所述分布式集散控制装置的输出端分别连接控制两台或两台以上所述逆变装置的控制端。本实用新型可以避免多台抽油机在运行过程中同时达到功率峰值，从而减少因供电电网或发电机受到冲击导致过载停机的故障，能充分利用电动机的回馈能量，达到节能目的。

Description

丛式井抽油机分布式集散变频控制节能装置

技术领域

本实用新型涉及一种油田开采设备。特别是涉及丛式井抽油机分布式集散变频控制节能装置。

技术背景

游梁式抽油机是国内普遍应用的一种油田开采设备，一种变形的四连杆机构，其整机结构像一架天平，一端是抽油载荷，另一端是平衡配重载荷。抽油机在上下行运行过程中，由于负载的特殊性，冲击电流很大，正常运行时其功率只有额定功率的1/4-1/3，变压器容量浪费严重；抽油机正常运行时电网功率因数很低，无功功率较大，增加了供电线路的损失，降低了外部电源品质，发、供电设备的有效利用率也随之降低。

丛式井的优点：(1)节约土地资源，大大减少钻前费用，保护周围环境；(2)方便钻井和压裂作业，减少的搬家费用；(3)多口井可以统一进行压裂及排采维护，降低地面建设费及管理成本。但丛式井也存在的问题：当丛式井中有多台抽油机同时出现最大功率输出时，会导致变频器过载停机，影响生产的正常进行。常用的解决方法是采用加大发电机装机容量，由此将增加设备投资。

针对游梁式抽油机系统出现的效率低下、耗能大、冲次调节不方便等问题，部分采油厂进行了变频改造，许多油井和煤层气井使用变频器进行抽油机调速，以实现节能、增产的目的。使用两象限变频器，这种变频器通过二极管整流桥将来自外部电网的交流电转换成直流电，采用IGBT逆变技术将直流电转化成电压频率皆可调整的交流电，进而调节抽油机的运行冲次。利用两象限变频器只解决了冲击电流大的问题，却又引入了新问题，电流谐波大大增加，并且不能解决功率因数低，无功功率大的问题，同时在抽油机的配重不平衡时，在一个冲程过程中，会出现电动机转子转速大于电机的同步转速的情况，使电动机处于发电状态，电机回馈能量，回馈再生能量通过与变频器逆变桥IGBT并联的续流二极管的整流作用，反馈到变频器直流母线，引起主回路直流母线电压升高，当主回路直流母线电压过高会导致变频器故障停机无法正常工作。由于两象限变频器采用二极管整流桥，无法实现能量的双向流动，所以不具有将电机回馈能量送回电网的功能，导致再生能量只能对直流母线滤波电容器进行充电，致使直流母线电压过高，使得滤波电容器和功率开关器件损坏。目前，为解决电机的能量回馈问题，通常采用以下方法：如图1所示，现有技术提供的抽油机变频驱动装置结构，交流电由整流单元101把整流成直流电、通过滤波单元102后、再经过逆变单元IGBT 104转换成变频的交流电，如果直流母线111和113的电压过高，则通过制动单元103来消耗电能。为了保护电容器及功率开关器件的安全，还会在变频器直流母线上通过电力电子开关连接一个大功率电阻，将抽油机电机产生的反发电能量通过电阻以热量的形式消耗掉，造成了大量的能源浪费。

上述方法主要存在以下问题：(1)两象限变频器所采用的二极管整流桥会对外部电网产生严重谐波污染，降低了功率因数；(2)回馈再生能量被制动耗能电阻直接消耗掉，浪费了电能；(3)每台抽油机均需要配置一台变压器和一台变频器，每个变频器都具有整流环节，对于多台抽油机相距较近的场合，浪费变压器容量，增加系统制造成本。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种丛式井抽油机分布式集散变频控制节能装置，在保证抽油机设定的冲次要求前提下，通过分布式集散变频控制节能装置，避免多台抽油机在运行过程中同时达到功率峰值，从而减少因供电电网或发电机受到冲击导致过载停机的故障，能充分利用电动机的回馈能量，达到节能目的；同时还提高了功率因数、系统的可靠性以及降低了丛式井井场电网或发电机的装机容量，实现抽油机节能降耗、降低投资系统成本。

丛式井抽油机分布式集散变频控制节能装置，包括外部高压电网、变压器、整流装置、直流母线排、两台或两台以上的逆变装置、两台或两台以上的抽油机和分布式集散控制装置；所述外部高压电网输出的三相交流电连接到所述变压器的输入端；所述变压器的输出端连接到所述整流装置的输入端；所述整流装置的输出端连接到所述直流母线排的输入端；所述直流母线的输出端分布连接到两台或两台以上所述逆变装置的输入端；每台所述逆变装置的输出端连接一台所述抽油机电机的输入端；控制各个抽油机的冲次，反向发电电能作为其他抽油机电机的动力电能的所述分布式集散控制装置的输出端分别连接控制两台或两台以上所述逆变装置的控制端。

所述分布式集散控制装置和与丛式井场内每台抽油机对应的逆变装置之间采用实时总线通讯。所述逆变装置的直流母线采用并联。

所述逆变装置的直流母线采用通过开关或者接触器实现直流母线并联的通断。

所述逆变装置包括串联的短路保护电路、缓冲电路和逆变器。

所述整流装置为PWM脉宽调制可控制的IGBT整流电路。

还包括一个控制所述分布式集散控制装置总电源开关的总断路器和分别控制各个抽油机电源的断路器。

本实用新型的有益效果如下：

本实用新型提供一种丛式井抽油机分布式集散变频控制节能装置系统，具有以下优点：(1)控制装置结构合理、简单，共用一个整流装置，可拖动同一井场上多台抽油机进行变频控制，实现冲次的调节，从而降低了系统成本。(2)当使用多台抽油机时，各台抽油机各自独立配置逆变装置，可实现单台的独立控制。(3)每台抽油机配置一台四象限变频器，当电机回馈能量时，可以通过PWM整流器回馈给电网，或者作为其他抽油机电机的动力电能，从而充分利用了回馈再生电能，极大减少电能浪费，达到节能目的，减小抽油机系统对供电电网的冲击，从而降低丛式井的装机容量及故障率，同时也降低了回馈电流对电网侧的谐波污染，提高了功率因数和系统的可靠性。

附图说明

图1为现有技术提供的抽油机变频驱动装置的结构示意图；

图2为本实用新型提供抽油机变频驱动装置结构示意图；

图3为本实用新型提供的丛式井抽油机分布式集散变频控制节能装置系统示意图；

图4为本实用新型提供的分布式集散变频控制节能装置控制逆变装置的结构示意图；

图5为本实用新型提供的分布式集散变频控制节能装置的内部框架示意图；

具体实施方式

本实用新型所采用的技术方案是：外部高压电网、变压器、整流装置、直流母线排、两台含两台以上的逆变装置、两台含两台以上的抽油机和分布式集散控制装置构成。控制装置和与丛式井场内每台抽油机对应的逆变装置，逆变装置和控制装置之间采用实时总线通讯，所述逆变装置的直流母线采用并联；所述控制装置作为主站，通过对作为分布式从站的逆变装置的变频参数实时检测及控制，实现丛式井场内每台抽油机电机的反向发电电能再利用以及抽油机功率削峰填谷控制，使产生的再生回馈能量和内部消耗的能量达到平衡，同时满足现场抽油机实际工况需求。所述逆变装置的直流母线采用直接并联，或者通过开关或者接触器实现直流母线并联的通断。所述逆变装置包括串联的短路保护电路、缓冲电路和逆变器。所述整流装置为PWM脉宽调制可控制的IGBT整流电路。还包括一个控制所述控制装置总电源开关的总断路器，和分别控制各个抽油机电源的断路器。

以下结合附图对本实用新型进行详细说明：

如图2所示，为本实用新型提供抽油机变频驱动装置结构示意图，交流电由整流单元201把整流成直流电、通过滤波单元202后、再经过逆变单元IGBT 204转换成变频的交流电，如果直流母线211和213的电压过高，则通过整流单元201里逆变单元IGBT 204逆变回外部电网，或者通过制动单元203来消耗电能。

如图3所示，本实用新型包括该节能装置包括外部高压电网、变压器、整流装置、直流母线排、两台含两台以上的逆变装置、两台含两台以上的抽油机，分布式集散控制装置。所述外部高压电网输出的三相交流电连接到所述变压器的输入端；所述变压器的输出端连接到所述整流装置的输入端；所述整流装置的输出端连接到所述直流母线排的输入端；所述直流母线的输出端分布连接到两台及两台以上所述逆变装置的输入端；每台所述逆变装置的输出端连接一台所述抽油机电机的输入端；所述分布式集散控制装置的输出端分别连接控制两台及两台以上所述逆变装置的控制端，控制调节丛式井各个抽油机的冲次，反向发电电能作为其他抽油机电机的动力电能，使产生的再生回馈能量和内部消耗的能量达到平衡。所述分布式集散控制装置作为主站，采用现有的产品及工作模式，通过对作为分布式从站的逆变装置的变频参数实时检测及控制，实现丛式井场内每台抽油机电机的反向发电电能再利用以及抽油机功率削峰填谷控制，使产生的再生回馈能量和内部消耗的能量达到平衡，同时满足现场抽油机实际工况需求。

如图4所示，1号逆变器411、2号逆变器412、……、N号逆变器41N，若干台变频器之间的直流母线端431用短路保护电路、缓冲电路开关装置401、短路保护电路、缓冲电路开关装置开关402、……、短路保护电路、缓冲电路开关装置开关40N进行通断实现并联，或者使用接触器替代开关，通过开关或接触器实现变频器组直流母线的通断，或者去掉开关直接并联，始终保持各组变频器之间直流母线端431的并联连接；分布式集散控制装置420与逆变器411、逆变器412、……、逆变器41N之间实现总线通讯432连接，分布式集散控制装置420作为主站，各逆变装置41作为从站，进行各逆变装置变频参数的实时监测及控制。

如图5所示，分布式集散控制装置由四大模块构成，分别为人机界面模块、通信模块、数据库模块和其他模块。其中人机模块有由实时状态显示、历史数据显示、报警故障显示和控制参数设置组成；通信模块由定时启动通信、逆变装置通信、上位机通信和通信故障处理组成；数据库模块由现场运行信息、历史报警信息、数据库报表和历史信息查询组成；其他功能模块由密码设置、帮助信息、打印设置和软件版本信息组成。

本实用新型提供一种应用于丛式井抽油机分布式集散变频控制节能装置系统的工作原理为：将多口油井的变频器直流母线进行并联，将某一台变频器的回馈能量作为其它变频器的动力，在保证抽油机设定的冲次要求前提下，通过分布式集散变频控制节能装置的控制算法，控制调节丛式井各个抽油机的冲次，避免多台抽油机在运行过程中同时达到功率峰值，从而减少因供电电网或发电机受到冲击导致过载停机的故障，能充分利用电动机的回馈能量，达到节能目的；同时还提高了功率因数、系统的可靠性以及降低了丛式井井场电网或发电机的装机容量，实现抽油机节能降耗、降低投资系统成本。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，但是，对于本技术领域的技术人员应该知晓的是，在符合本实用新型原理精神的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本实用新型的保护范围。

本实用新型相比较一台抽油机配备一台变压器和整流装置的系统，本系统的变压器和整流装置总容量可减小70％左右；整流装置使用可控整流IGBT，实现能量的双向流动；通过对分布式从站的逆变装置的变频参数实时检测，控制调节丛式井各个抽油机的冲次，实现丛式井场内每台抽油机电机的反向发电电能再利用以及抽油机功率削峰填谷控制，使产生的再生回馈能量和内部消耗的能量达到平衡，同时满足现场抽油机实际工况需求，可将再生能量回馈给直流母线排，用于其他逆变装置，使功率因数提高到接近于1，满载输入电流谐波可控制在5％之内；启动时对电网的冲击小；抽油机下行时，所产生的回馈能量可通过直流母线给处于上行工作状态的抽油机供电，进一步减少了对电网能量的需求。

Claims (6)

1.丛式井抽油机分布式集散变频控制节能装置，包括外部高压电网、变压器、整流装置、直流母线排、两台或两台以上的逆变装置、两台或两台以上的抽油机和分布式集散控制装置；其特征是：所述外部高压电网输出的三相交流电连接到所述变压器的输入端；所述变压器的输出端连接到所述整流装置的输入端；所述整流装置的输出端连接到所述直流母线排的输入端；所述直流母线的输出端分布连接到两台或两台以上所述逆变装置的输入端；每台所述逆变装置的输出端连接一台所述抽油机电机的输入端；控制各个抽油机的冲次，反向发电电能作为其他抽油机电机的动力电能的所述分布式集散控制装置的输出端分别连接控制两台或两台以上所述逆变装置的控制端。

2.根据权利要求1所述的丛式井抽油机分布式集散变频控制节能装置，其特征是：所述分布式集散控制装置和与丛式井场内每台抽油机对应的逆变装置之间采用实时总线通讯，所述逆变装置的直流母线采用并联。

3.根据权利要求2所述的丛式井抽油机分布式集散变频控制节能装置，其特征是：所述逆变装置的直流母线采用通过开关或者接触器实现直流母线并联的通断。

4.根据权利要求1所述的丛式井抽油机分布式集散变频控制节能装置，其特征是：所述逆变装置包括串联的短路保护电路、缓冲电路和逆变器。

5.根据权利要求1所述的丛式井抽油机分布式集散变频控制节能装置，其特征是：所述整流装置为PWM脉宽调制可控制的IGBT整流电路。

6.根据权利要求1所述丛式井抽油机分布式集散变频控制节能装置，其特征是：还包括一个控制所述分布式集散控制装置总电源开关的总断路器和分别控制各个抽油机电源的断路器。