CN205158002U - 一种基于最佳抽油速度或时间识别的抽油机控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于最佳抽油速度或时间识别的抽油机控制系统，包括全闭环控制器、数据采集控制单元、数据传输单元、触摸显示监控单元、液面动态数据处理模块、整流模块、驱动模块、限流电阻模块、控制模块、逆变模块、电机、频率驱动模块、抑制过压失速控制单元和电机转矩功率数据模块。本实用新型通过全闭环控制器拖动抽油机的电机，通过电机的电流/转矩实时变化情况，经过计算得出液面的动态模拟数据模型，通过模糊控制算法，计算出实时需要的输出转速，以实现更好的节能效果，达到供采平衡，智能增效，提高机采效率。

Description

一种基于最佳抽油速度或时间识别的抽油机控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种控制系统，具体是一种基于最佳抽油速度或时间识别的抽油机控制系统。

背景技术

抽油机是油田开采过程中最主要的耗电设备，现在使用中的普遍是游梁式抽油机。抽油机启动时电流较大，为了可靠的启动，抽油机所配置的电机一般都是选型放大，这样就会导致电机正常运行时经常存在大马拉小车情况，运行效率低下。同时油田往往有好多是已经运行了多年的老油井，油井的产油量不是很固定。使得柱塞泵经常工作在空抽或者抽油量不足情况，这样就导致了游梁式抽油机机械设备的无效磨损，增加了设备的运行维护成本。同时还造成了电能的白白浪费。

抽油机上行工作过程：如图2所示，游动凡尔7受油管内活塞4以上液柱的压力作用而关闭，并排出活塞4冲程一段液体，固定凡尔5由于泵筒内压力下降，被油套环型空间液柱压力顶开，井内液体进入泵筒内，充满活塞上行让出的空间。

抽油机下行工作过程：如图2所示，由于泵筒2内液柱受压，压力增高，使固定凡尔5关闭，在活塞继续下行中，泵内压力继续升高，当泵筒2内压力超过油管内液柱压力时，游动凡尔7被顶开，液体从泵筒内经过活塞4上行进入油管6。

在一个冲程中，柱塞泵完成一次上行和下行过程，即进油和排油一次。活塞不断运动，游动凡尔7与固定凡尔5不断交替关闭和打开，井内液体不断进入泵筒2，最终到达地面储油罐或通过输油管道输送。

目前油田通常采用的方法为：调整机械冲程，改变抽油速度，或者将工频连续抽油方式改为时间继电器控制的定时间抽方式，还有采用变频器+PLC以多段速程序方式运行及动态功图动液面的检测调冲。

这些方式存在以下方面问题，调整抽油机机械冲程，容易使抽油机平衡发生较大变化，经常需要调平衡作业，造成劳动成本增加，间接增加采油成本。间抽采油方式在冬季时容易出现油管冻死，长时间不出油的情况。变频多段速模式可以适当提高效率，但是多段速度频率/时间很难找准，想进一步提升抽油机运行效率很难，功图动液面的检测受传感器成本，质量稳定性和不同油井的参数变化的影响很大，调试麻烦，对专业要求很高，一直未能大面积的成功推广和应用。

应用电机实时输出功率和转矩计算的模糊控制方法，是近两年广泛研究的方向，由于影响电机实时输出功率和转矩的外部因素有多种多样，有机械传动损耗，油杆磨擦损耗，油杆腐蚀变形引起的损耗，泵漏损耗等等。对动态液面的数学模型计算，很难做出实用化的智能抽油控制系统。

变频器在抽油机下行过程中，由于重力加速度作用存在过电压失速情况，此时如不施加方式加以控制，就会引起变频器主回路直流过电压报警。

现有通用控制方法有：

加装制动电阻，对抽油机下行过程中的过电压进行能耗释放，又称电阻能耗制动，这种方法简单，加装成本低，但严重浪费电能。

多台机组共直流母线并联控制，将下行过程中的能量传递给其它上行过程中的变频器，这种方法对于丛式井组，施工简单，节能效果好，但是对于单台抽油机就不行。

加装能量回馈单元或使用四象限专用变频器，将下行过程中的能量回馈到电网，这种方法成本较高，部分回馈单元回馈电网的波形质量很差，对电网影响很大，不适合大面积推广应用。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于最佳抽油速度或时间识别的抽油机控制系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种基于最佳抽油速度或时间识别的抽油机控制系统，包括全闭环控制器、数据采集控制单元、数据传输单元、触摸显示监控单元、液面动态数据处理模块、整流模块、驱动模块、限流电阻模块、控制模块、逆变模块、电机、频率驱动模块、抑制过压失速控制单元和电机转矩功率数据模块，所述全闭环控制器连接液面动态数据处理模块、频率驱动模块、抑制过压失速控制单元和电机转矩功率数据模块，全闭环控制器通过整流模块依次连接驱动模块、限流电阻模块、控制模块、逆变模块和电机，所述全闭环控制器的供电接口设置电流采样装置，电流采样装置连接数据采集控制单元的输入端，而数据采集控制单元连接数据传输单元和触摸显示监控单元。

作为本实用新型进一步的方案：所述数据传输单元包括有线数据传输单元和无线数据传输单元。

作为本实用新型再进一步的方案：所述电流采样装置为互感式采样装置。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：通过全闭环控制器拖动抽油机的电机，通过电机的电流/转矩实时变化情况，经过计算得出液面的动态模拟数据模型，通过模糊控制算法，计算出实时需要的输出转速，以实现更好的节能效果，达到供采平衡，智能增效，提高机采效率。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为抽油机上行程状态的结构示意图。

图3为抽油机下行程状态的结构示意图。

图4为油井压力降落曲线。

图5为油井压力恢复曲线。

图6为液位/频率模糊控制智能抽油线性图。

图中：推油杆1、泵筒2、对套3、活塞4、固定凡尔5、油管6、游动凡尔7、下死点8、液面9、油层10、上死点11。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1，本实用新型实施例中，一种基于最佳抽油速度或时间识别的抽油机控制系统，包括全闭环控制器、数据采集控制单元、有线/无线数据传输单元、触摸显示监控单元、液面动态数据处理模块、整流模块、驱动模块、限流电阻模块、控制模块、逆变模块、电机、频率驱动模块、抑制过压失速控制单元、电机转矩功率数据模块，所述全闭环控制器连接液面动态数据处理模块、频率驱动模块、抑制过压失速控制单元和电机转矩功率数据模块，全闭环控制器通过整流模块依次连接驱动模块、限流电阻模块、控制模块、逆变模块和电机，从而实现抽油控制。

所述全闭环控制器的供电接口设置电流采样装置，电流采样装置连接数据采集控制单元的输入端，从而对电流变化信息进行采用，而数据采集控制单元连接有线/无线数据传输单元和触摸显示监控单元。所述电流采样装置为互感式采样装置。

采用全闭环控制器为核心，与数据采集控制单元一体的控制系统；通过全闭环控制器控制驱动抽油机驱动电机，通过电机的电流/转矩实时变化情况，经过计算，得出液面的动态模拟数据模型，通过模糊控制算法，计算出实时需要的输出转速。

液面的变化直接反应在电机输出功率的变化，通过电流采样装置对输入电流采样，实时测量液量变化情况，自动实时更新抽油机专用智能控制器的输出频率。

全闭环控制器的输出频率根据液面实时变化，在30-60Hz之间每隔5分钟刷新一次运行频率。

全闭环控制器采用矢量控制算法，估算电机的定子电阻、电感、互感、漏感、铁损，根据矢量控制的Iq*Id（转矩电流与励磁电流）得出扭矩；全闭环控制器每隔5分钟采集平均功率，采用模糊控制方法，建立模型，实时更新抽油机的抽汲参考转矩，与自学习出来的满抽参考转矩和空抽参考转矩对比，从而控制电机的运行速度，维持液面的供采平衡。

由图2和图3可知，当液面9很低发生空抽时，上行开始时游动凡尔7并没有打开，抽油机载荷为推油杆1的重量及游动凡尔7上部液柱的重量之和，可平衡掉大部分配重的重量，电机只需用很小的能量就可将推油杆1送入井底，此时电机力矩较小；当油井中液面较高时，泵筒2的充满度较高时，下行开始不久，游动凡尔7即打开，泵筒2中液面托住了游动凡尔7上部的液柱重量，并且使推油杆1也浸没在液体中，因而光卡载荷只是推油杆1在液体中的浮重，这也意味着电机将用较大的能量来举起曲柄或游梁尾部平衡块的重量才能将杆柱送入井底，因而力矩就较大。

得出：液面9的高低对油泵的高效运行的至关重要，而液面9的高低又与抽油速度和时间关系很大。

假设压力曲线可以用反正切曲线近似地表示，则必然存在着一组a、b、M和N的参数，使得压力值P(t)可以用下式近似表示：

P(t)=M+arctan(at+b)+N，(M<0)。

通过压力曲线和反正切曲线拟合，可以得到油井压力降落曲线（即液面下降），如图4油井压力降落曲线所示。

由图4可以看到，当油井开始采油的时候，在一段时间内，油井压力值基本维持在N+ЛM/2，如果继续开采，油井压力值将会以一个较快的速率下降，直到油井压力值稳定在N-ЛM/2左右。

如图5油井压力恢复曲线所示，当抽油机运行一段时间后，油井的压力恢复跟不上抽机冲程速度，液面9经常很低时，油泵就会有空抽情况发生，为了尽可能的保持液面维持在一定的高度，提出了抽油机控制系统：有油快抽，少油慢抽，无油不抽。

抽油机控制系统通过软件算法实现，其具体的软件算法包括：电机固有电气特性的估算，全闭环控制器对油井的状况自学习过程，智能抽油液位/频率模糊控制运行。

电机固有电气特性的估算：全闭环控制器采用矢量控制算法，估算定子电阻、电感、互感、漏感、铁损。根据矢量控制的Iq*Id（转矩电流与励磁电流）得出了扭矩；

全闭环控制器对油井的状况自学习过程：分五个阶段，自学习满抽，自学习空抽，自学习/待机，自学习满抽，自学习完成。

第一：以FA.01所设定的时间以FA.05设定频率运行；

第二：以F5.07所设定的时间以F0.14或F2.14设定频率运行；

第三：以FA.01所设定的时间以F0.08设定频率运行；

第四：以FA.01所设定的时间以FA.05设定频率运行，此过程中已学习出FA.02/FA.03/F6.12值；

本实用的控制方法如图6所示，以FA.06所设定的时间开始刷新运行频率，F6.12值与FA.02/FA.03比较,越靠近FA.02值,输出频率越高,反之越靠近FA.03值,输出频率越低。电机始终以FA.05至F2.14所设定的频率范围内运行。

首次使用时：先连续高速抽油150分钟，然后低速抽油60分钟，再以下限频率运行150分钟，再以高速抽油150分钟，每5分钟记录一次平均功率，拟合图3油井压力变化曲线。

每隔10天进行一次自学习（学习时间间隔可设F9.09）。记录满抽抽油转矩、空抽抽油转矩。

计算当前转矩与最大功率，最小功率的比值（最大功率─最小功率）的比值。

把功率降落曲线进行模糊化细分：

模糊细分	多油	一般	少油	干抽
					系数	1～0.75	0.74～0.5	0.49～0.3	0.29～0
对应运行频率	55～40	39～30	25～20	0Hz

例如：力矩系数等于0.875时，对应的频率为50Hz

当处于间开抽油模式后，隔2小时后，自动运行10分钟，采集当前功率，如果油量不够，则继续停抽，如果有油，开始抽油。对应的冲次频率按照上述模糊控制算法，抽油机专用的全闭环控制器根据自动设定运行频率。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (3)

1.一种基于最佳抽油速度或时间识别的抽油机控制系统，包括全闭环控制器、数据采集控制单元、数据传输单元、触摸显示监控单元、液面动态数据处理模块、整流模块、驱动模块、限流电阻模块、控制模块、逆变模块、电机、频率驱动模块、抑制过压失速控制单元和电机转矩功率数据模块，其特征在于，所述全闭环控制器连接液面动态数据处理模块、频率驱动模块、抑制过压失速控制单元和电机转矩功率数据模块，全闭环控制器通过整流模块依次连接驱动模块、限流电阻模块、控制模块、逆变模块和电机，所述全闭环控制器的供电接口设置电流采样装置，电流采样装置连接数据采集控制单元的输入端，而数据采集控制单元连接数据传输单元和触摸显示监控单元。

2.根据权利要求1所述的一种基于最佳抽油速度或时间识别的抽油机控制系统，其特征在于，所述数据传输单元包括有线数据传输单元和无线数据传输单元。

3.根据权利要求1所述的一种基于最佳抽油速度或时间识别的抽油机控制系统，其特征在于，所述电流采样装置为互感式采样装置。