CN2215019Y - 一种数控风能利用抽油与注水联合装置 - Google Patents

Abstract

一种数控风能利用抽油与注水联合装置，有塔 架、全速稀土数控电机等，其特征在于：在塔架顶端装 有由稀土永磁发电机、风力转子等组成的能量获取转 换机构，在注水井井口接有由蓄能压力容器、增压泵 等组成的注水蓄能部分，有由标准工业控制介面、中 央控制计算机等组成的测控部分。采用在塔架上加 装能量获取转换机构的方法，利用油田地区的风力资 源，降低采用能耗。使用测控部分对注水增压泵进行 控制，用蓄能压力容器来调节由于抽油机活塞变工况 运动和风力发电功率波动，解决了变工况工作对能源 的特殊要求。

Description

一种数控风能利用抽油与注水联合装置，它属于石油开采领域，适用于各种油田的石油开采，特别适用于电力不足的边远沙漠地区油田的采油。

在油田的生产中，随着开采时间的增加，地层压力下降，绝大多数油井已不能自喷，而要使用抽油机来提升井下渗出的原油，并需向地下注水，平衡地层压力。使用抽油机抽油和注水井注水，都需要消耗大量的电能，这大大增加了开采成本，对于如象沙漠油田、海上油田，由于没有电网覆盖，要使用自各电站供电，使得开采成本增高。但是，在这些地区（如沙漠、海滨）有大量的风力资源可以利用。

本实用新型的目的是发明一种数控风能利用抽油与注水联合装置，它可以利用风力资源进行抽油与注水，减少采用成本。

本实用新型的结构如附图1所示，在抽油井井口上有塔架1，在塔架1上部有全速稀土数控电机7、链轮6，链轮6上跨接有链条4，链条4的一端接有配重5，另一端与拉杆3相连，在抽油井中有与拉杆3相连的抽油活塞2，其特征在于：在塔架1顶端装有稀土永磁发电机9和风力转子10，在稀土永磁发电机9和风力转子10之间有增速器11，稀土永磁发电机9的输出端接有整流器件12，在注水井井口接有蓄能压力容器13，和增压泵22，增压泵22由全速稀土数控电机23带动，全速稀土数控电机7和23的输入端分别连有双向可逆变频电源8和20，双向可逆变频电源8和20的一端与整流器12的输出端相连，并接有电压传感器26，在近旁有标准工业控制介面15，标准工作控制介面15通过标准串行通讯接口与可和其它设备共用的中央控制计算机14相连，在蓄能压力容器13中装有压力传感器18和液位传感器19，在标准工业控制介面15中插有分别与电压传感器26、压力传感器18和液位传感器19相连的测量适配模块27、16和17，在标准工业控制介面15中还分别插有与双向可逆变频电源8和20相连并对它们进行控制的控制适配模块24和25。

附图1为本实用新型的结构示意图。图中，30为抽油井，31为注水井。

附图2为本实用新型在有电网供电地区使用时的一个实施例。

本实用新型的工作原理如下：

在本实用新型中，在抽油井井口上有塔架1，在塔架1上部有全速稀土数控电机7、链轮6，链轮6上跨接有链条4，链条4的一端接有配重5，另一端与拉杆3相连，在抽油井中有与拉杆3相连的抽油活塞2。全速稀土数控电机7、链轮6、链条4、配重5和抽油活塞构成了本实用新型的抽油部分。在塔架1顶端装有稀土永磁发电机9和风力转子10，在稀土永磁发电机9和风力转子10之间有增速器11，稀土永磁发电机9的输出端接有整流器件12。稀土永磁发电机9、风力转子10、增速器11和整流器件12构成了本实用新型的能量获取与转换部分。在注水井井口接有蓄能压力容器13，和增压泵22，增压泵22由全速稀土数控电机23带动。蓄能压力容器13、增压泵22和全速稀土数控电机23构成了本实用新型的注水部分。全速稀土数控电机7和23的输入端分别连有双向可逆变频电源8和20，双向可逆变频电源8和20的一端与整流器12的输出端相连，并接有电压传感器26，在近旁有标准工业控制介面15，标准工业控制介面15通过标准串行通讯接口与可和其它设备共用的中央控制计算机14相连，在蓄能压力容器13中装有压力传感器18和液位传感器19，在标准工业控制介面15中插有分别与电压传感器26、压力传感器18和液位传感器19相连的测量适配模块27、16和17，在标准工业控制介面15中还分别插有与双向可逆变频电源8和20相连并对它们进行控制的控制适配模块24和25。双向可逆变频电源8和20、电压传感器26、标准工业控制介面15、中央控制计算机14、压力传感器18、液位传感器19，测量适配模块27、16和17以及控制适配模块24和25构成了本实用新型的测控和驱动部分。

由于风力是不恒定的，因此稀土脉磁发电机9输出的交流电频率是变化的。本实用新型使用整流器件12整流的方法输出，它对发电机输出的频率无要求，因此可以取消掉复杂的机械恒速系统。用使用一个简单的增速器11使稀土永磁发电机工作在较高转速范围，这样可以减少发电机9的尺寸。注水井31井口除与增压泵22相连外，还接有蓄能压力容器13。蓄能压力器13为一个耐压容器，内部充有部分压缩气体，其下部有注水液体。在工作时，注水井的注水压力由其内部压缩气体所保持。而增压泵22则是在中央控制计算机14的控制下，在电能较多时开启，向蓄能压力容器13中注入注水液体，补充蓄能压力容器13中减少的注水液，也恢复蓄能压力容器13的压力。在本实用新型中，抽油活塞2、拉杆3、链条4、配重5、链轮6、全速稀土电机7和双向可逆变频电源8构成了采油部分。采用中央控制计算机14，标准工业控制介面15加适配模块24的机电一体控制模式。它的抽油活塞2最佳运动曲线由中央控制计算机14存贮，采用定时扫描的方法不断改变控制双向可逆变频电源8的信号值，从而控制抽油活塞2的运动速度，以达到最佳的抽油效率。在中央控制计算机14需要改变抽油活塞2的运动速度时，中央控制计算机14通过标准串行通讯接口发出选通与双向可逆变频电源8相连并对其进行控制的控制适配模块24的地址选通信号。标准工业控制介面15在收到地址选通信号后选通相应的控制适配模块24。控制适配模块24被选通后，中央控制计算机14发出抽油活塞2运动速度的改变值，由控制适配模块24接收、锁存并经D／A变换后控制改变双向可逆变频电源8的输出频率，从而改变了抽油活塞2的运动速度。在抽油活塞2下降行程中，中央控制计算机14可以用同样的主法控制双向可逆变频电源8处于整流状态，把油抽活塞2等的势能通过数控全速电机7发电后回收，达到节能的目的。在本实用新型中，增压泵22，全速稀土数控电机23，双向可逆变频电源20和蓄能压力容器13构成了蓄能注水部分。它采用与采油部分和能量获取与转换部分共用的中央控制计算机14、标准工业控制介面15加测量和控制适配模块的机电一体化测控模式，对增压泵22的工作工况进行控制。在工作时，它与采油控制联合，采用定时扫描的方法，中央控制计算机14不断根据抽油部分工作工况、采集到的供电电压以及蓄能压力容器13中的压力和液体液位值进行计算，控制增压泵22的启停和工作工况。在蓄能压力容器13中的压力和液位都低于高限，供电电压高于低限时，启动增压泵22，并控制工况使之吸收供电能量使电压稳定。在抽油部分处于回程时，控制加大增压泵22工况，吸收回程能量。在抽油部分处于提升，而风力供电处于低位时，中央控制计算机14控制增压泵22停止工作。中央控制计算机14控制增压泵22工作工况的方式与中央控制计算机14控制活塞运动的方式一样，在中央控制计算机14需要改变增压泵22工作工况时，中央控制计算机14通过标准串行通讯接口发出选通与双向可逆变频电源20相连并对其进行控制的控制适配模块25的地址选通信号。标准工业控制介面15在收到地址选通信号后选通相应的控制适配模块25。控制适配模块25被选通后，中央控制计算机14发出增压泵22工作工况的改变值，由控制适配模块25接收、锁存并经D／A变换后控制改变双向可逆变频电源10的输出频率，从而改变了增压泵22工作工况。中央控制计算机14采集电源、电压值、蓄能压力容器13中的压力值和液位数据的方法如下：中央控制计算机14在采集电压值时，先通过标准串行通讯接口发出选通测量模块27的地址选通信号。标准工作控制介面15在收到地址选通信号后，选通测量适配模块27。选通后，测量适配模块27把与之相连的电压传感器26测得的电压值经A／D转换后反向送回中央控制计算机14，完成电压采集任务。采集蓄能压力容器13压力和液位的方法与采集电压值的方法一样，也是通过选通相应的则量适配模块15或17后，把相应的传感器测得的物理量经A／D    换后反向送回中央计算机14，完成采集。

本实用新型采用在塔架上加装由发电机，风力转子组成的能量获取转换机构的方法，把油田地区的风力资源加以利用，可以降低采用能耗。由于普通采油机也需要有较高的塔架，因此把发电机，风力转子等置放于上可以减少单独安装风力转子的费用，并可以少占地。本实用新型使用中央控制计算机，标准工业控制介面加适配模块这种机电一体化模式对抽油活塞的运动进行控制，可以使用抽油活塞按最佳运动曲线运动，有最佳抽油效率。

本实用新型使用中央控制计算机对注水增压泵进行控制，使用蓄能压力容器来调节由于抽油机活塞变工况运动和风力发电功率波动，解决了变工况工作对能源的特殊要求。

本实用新型可以在无电网供电的油田中使用，为克服风力变化的影响，蓄能压力容器13的容量可大一些。本实用新型如果在有电网供电的油田中使用时，也可以采用整流器件12输出端接有另一个双向可逆变频电源29，双向可逆变频电源29的交流端与电网相连。在标准工业控制介面15中插有与双向可逆变频电源29相连并对其进行控制的控制适配模块28。通过增加与电网的连接，当风速小，其风力发电量不足以供抽油电机时，由电网补充供而。而当风速大，风力发电量大于抽油电机及注水的需要时，反送到电网中，使用电网进行缓冲。

在加装有与电网相连双向可逆可频电源29和测量模块28的本实用新型中，中央控制计算除完成上述对抽油机部分和注水部分的控制外，还通过蓄能压力容器13压力和液位值计算出已蓄注水能量，在蓄备能量超过一定值后，通过选通控制适配模块28控制双向可逆变频电源29处于逆变状态向电网供电，让电网吸收多余电能。而在风力发电供电不足时，控制双向可逆变频电29处于整流状态，由电网补充供电。

本实用新型中的蓄量压力容器13为可以承受一定压力的耐压容器，一般应能承受20～50个大气压（2～5×10⁶N／M²）。耐压容器应竖直安放，可以使用自由液面式，由注水液体和压缩气体自由形成液面。也可以使用活塞式，使用在耐压容器中设置一个可以上下移动的活塞，把耐压容器分隔为上部的气腔和下部的液腔。本实用新型中的蓄能压力容器13，可以有多个并联，以增大蓄能能力。为减少压力波动。可以增大蓄能压力容器13中气腔的容积，甚至可以采用在气腔上部通过管路加接压缩气瓶的方 法。本实用新型中的蓄能压力容器13应按耐压规范设置。

本实用新型中的双向可逆变频电源8、20和可接有的双向可逆变频电源29可以使用日本富士公司的G5系列或G7系列逆变器，也可以使用如专利号为CNZL89104235的一种在功率数控调压与变流装置，还可以使用如专利号为CNZL89104964或是CNZL90202757或是CNZL90203323的专利，功率数据需要确定。

本实用新型中的风力转子10和增速器11可以按常规风力发电系统设计，也可以使用如专利号为CNZL93217229、CNZL93219987的专利和如专利申请号为CN93107757的专利申请。增速器11按一般变速箱设计，可以是两级或是3级的。

本实用新型中抽油机部分，可以采用专利号为CNZL92200003的专利。稀土永磁发电机8和23可以选用专利号为CHZL91203427的专利。

本实用新型中，标准工业控制介面15可以选用美国ME公司（MECHATRONICEQUIPMENT    INC.）的I／O32，或是美国OPTO22公司的PB16AH。中央控制计算机14可以选用美国OPTO22公司的LC4控制器，也可以选用美国ME公司的PCS－1工业过程控制工作站，还可以选用普通PC计算机。适配模块27、16和17可以采用OPTO22公司的AD3或类似的A／D转换模块。适配模块24、25和可加有的适配模块28可选用OPTO22公司的DA3或类似的D／A转换模块。

本实用新型中的增压泵可以使用普通的叶片泵、蜗杆泵或是柱塞泵，也可以使用如专利号为CNZL91217569及CNZL92205183的产品。

Claims (1)

1、一种数控风能利用抽油与注水联合装置，在抽油井井口上有塔架(1)，在塔架(1)上部有全速稀土数控电机(7)、链轮(6)，链轮(6)上跨接有链条(4)，链条(4)的一端接有配重(5)，另一端与拉杆(3)相连，在抽油井中有与拉杆(3)相连的抽油活塞(2)，其特征在于：在塔架(1)顶端装有稀土永磁发电机(9)和风力转子(10)，在稀土永磁发电机(9)和风力转子(10)之间有增速器(11)，稀土永磁发电机(9)的输出端接有整流器件(12)，在注水井井口接有蓄能压力容器(13)，和增压泵(22)，增压泵(22)由全速稀土数控电机(23)带动，全速稀土数控电机(7)和(23)的输入端分别连有双向可逆变频电源(8)和(20)，双向可逆变频电源(8)和(20)的一端与整流器(12)的输出端相连，并接有电压传感器(26)，在近旁有标准工业控制介面(15)，标准工作控制介面(15)通过标准串行通讯接口与可和其它设备共用的中央控制计算机(14)相连，在蓄能压力容器(13)中装有压力传感器(18)和液位传感器(19)，在标准工业控制介面(15)中插有分别与电压传感器(26)、压力传感器(18)和液位传感器(19)相连的测量适配模块(27)、(16)和(17)，在标准工业控制介面(15)中还分别插有与双向可逆变频电源(8)和(20)相连并对它们进行控制的控制适配模块(24)和(25)。

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