CN102337866A - 一种用于在油田抽油机中的节能控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于在油田抽油机中的节能控制方法，包括步骤：a.获取第一数据；b.根据所述第一数据生成抽油机的示功图信息；c.根据所述示功图信息输出节能方案信息。还提供相应的控制系统。本发明采用智能型设计和节能设计，可以实现抽油机电动机的高功率因数运行、变频运行、再生能量回馈，在抽油机不损失抽油量的情况下，最大限度地节约电能；同时无需在抽油机和电动机上加装传感器，而是根据电动机的运行参数计算抽油机的示功图信息等重要运行数据，再通过对这些运行数据读取、分析、计算来进行变频节能，因此本发明可以广泛应用于油田抽油机的节能控制领域。

Description

一种用于在油田抽油机中的节能控制方法及系统

技术领域

本发明涉及节能控制系统，尤其是智能变频节能控制系统，具体地，涉及用于在油田抽油机中的节能控制方法及系统。

背景技术

随着社会的不断进步与工业的高速发展，人们对自然资源尤其是石油的需求量也日益增加；与此同时，能源问题已成为当前最为紧迫的问题。目前人们已经意识到能源问题对人类发展的重要性，各国都在采取积极有效的措施力图改善能源环境。想从根本上解决目前的能源问题，一方面应该寻找新的清洁能源；另一方面应该尽快研究出新的节能技术。从而减少从能源生产到最终消费过程中各个环节的损失和浪费，以高效合理地利用自然资源。

特别是在石油领域中，油田开发难度越来越大，其抽油成本也居高不下，因此如何实现节能降耗已成为油田稳产难以逾越的命题。实际上，油田的节能降耗并不是从今天才开始。长久以来，常规的游梁抽油机一直都一统天下，但始终遮掩不了高能耗的缺陷。目前在我国油田采油厂大量应用的抽油机为游梁式抽油机，抽油机的设计能力是按照油井最大抽取量考虑的，一般留有采油能力的设计余量。另外，随着油井由浅入深地抽取，井中液面逐渐下降，泵的充满度越来越不足，直到最后发生抽空的现象，此时抽油机的功率因数极低，如果不加以控制，会浪费大量的电能。同时，抽油机的智能化程度极低，基本处于无监控状态，无法满足油田管理部门对油井信息掌握的需求。因此目前非常有必要设计一种用于在油田游梁式抽油机中的节能控制方案。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用于在油田抽油机中的节能控制方法以及相应的控制系统。

根据本发明的一个方面，提供一种用于在油田抽油机中的节能控制方法，包括步骤：a.获取第一数据；b.根据所述第一数据生成抽油机的示功图信息；c.根据所述示功图信息输出节能方案信息。

优选地，所述步骤b包括步骤b1.根据所述第一数据确定第二数据，其中，所述第二数据包括如下数据中的任一种或任多种数据：电动机实时电功率、电动机实时电功率效率、电动机实时转矩以及电动机实时转速；步骤b2.根据所述第一数据和第二数据确定实时抽油机光杆位移和抽油机光杆负荷；以及步骤b3.根据所述抽油机光杆位移和抽油机光杆负荷确定所述示功图信息。

优选地，所述步骤c包括步骤c1.根据所述示功图信息进行差分计算，得到差分曲线；步骤c2.根据所述差分曲线与已知的差分曲线模板进行智能模糊对比，判断出抽油机处于何种工作状态，还包括如下任一个或任多个步骤：若所述抽油机油井处于满载工作状态，则输出最低50Hz的三相交流电；若所述抽油机油井处于泵未满工作状态，则输出最高49Hz的三相交流电；若所述抽油机油井处于故障状态，则根据故障类型分别进行停机保护、降功率运行、通信报警或者切断故障点运行操作；根据所述示功图信息和所述步骤c2的判断结果，进行抽油机上下冲程判断，并对抽油机上下冲程进行交流电频率差异输出。

优选地，所述控制方法还包括步骤d1.根据所述第一数据判断当前所述电动机是否处于发电状态；步骤d2.若所述步骤d1的判断结果是肯定的，则对所述电动机所发电能进行满足电流谐波畸变率小于5％的交流电并网输出。

根据本发明的另一个方面，还提供一种用于在油田抽油机中的节能控制系统，包括抽油机，其中，使用根据本发明提供的控制方法对所述抽油机进行控制。

优选地，所述控制系统还包括手持终端，其中，所述手持终端用于接收如下任一种或任多种信息：所述第一数据；所述示功图信息；所述节能方案信息；以及所述抽油机油井的故障报警信息。

本发明提供的用于在油田抽油机中的节能控制方法以及控制系统，采用智能型设计和节能设计，可以实现抽油机电动机的高功率因数运行、变频运行、再生能量回馈，在抽油机不损失抽油量的情况下，最大限度地节约电能；同时无需在抽油机和电动机上加装传感器，就可以根据电动机的运行参数计算抽油机的“示功图”等重要运行数据，进一步地还可以通过短距离无线通信装置或智能接口，将这些运行数据发送至外置手持终端或远程管理主站。

根据本发明所提供的抽油机智能型节能控制系统，优选地包括四象限变频单元、运行参数计算单元、运行方式控制单元和智能通信单元，所述控制系统根据抽油机的运行参数，无需加装位移/速度传感器和负荷传感器，就可以动态计算抽油机重要运行数据“示功图”，根据“示功图”动态判断油井地下工况，动态调整电动机运行频率，以达到节能目的，同时具有高功率因数、低电流谐波含量、再生能源回馈等功能。

本发明在油田游梁式抽油机处安装，实现网侧高功率因数、通过对抽油机电动机的参数读取、分析、计算来进行变频节能网侧电流低谐波含量、抽油机再生能量回馈电网等节能控制；同时还具有短距离无线通信数据采集、对外标准智能通信接口提供等功能，从而实现油田抽油机节能和智能管理的目的。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1示出根据本发明的第一实施例的，用于在油田抽油机中的节能控制方法的流程图；

图2示出根据本发明的一个具体实施方式的，油田抽油机中游梁的结构示意图；

图3示出根据本发明的第二实施例的，用于在油田抽油机中的节能控制方法的流程图；

图4示出根据本发明的另一个具体实施方式的，根据油田抽油机的示功图分析油井工况的原理示意图；

图5示出根据本发明的第三实施例的，用于在油田抽油机中的节能控制系统的原理图；

图6示出根据本发明的第四实施例的，用于在油田抽油机中的节能控制系统的原理图；以及

图7示出根据本发明的又一个具体实施方式的，用于在油田抽油机中的节能控制系统的功能框架图。

具体实施方式

图1示出根据本发明的第一实施例的，用于在油田抽油机中的节能控制方法的流程图。具体地，在本实施例中，首先执行步骤S211，获取第一数据，更为具体地，为实现本发明所述的控制方法不需要加装传感器，而是根据抽油机(尤其是电动机)的参数计算出示功图信息，进而输出节能方案信息。优选地，所述第一数据可以包括抽油机的固定机械参数、抽油机的电动机的固定电气参数以及抽油机的电动机的运行数据；相应地，所述步骤S211可以包括“获取抽油机的固定机械参数”的步骤、“获取所述电动机的固定电气参数“的步骤以及“在抽油机运行中获取所述电动机定子电流及电压数据“的步骤。

通过所述步骤S211获取所述第一数据后，接下来进入步骤S212，根据所述第一数据确定第二数据，其中，所述第二数据优选地包括电动机实时电功率、电动机实时电功率效率、电动机实时转矩以及电动机实时转速。然后执行步骤S213，根据所述第一数据和第二数据确定实时抽油机光杆位移和抽油机光杆负荷。接下来通过执行步骤S214，根据所述抽油机光杆位移和抽油机光杆负荷确定所述示功图信息。

这样，通过执行所述步骤S211至步骤214便确定了所述示功图信息。本领域技术人员理解，在现有技术中，为了得到示功图信息需要在油田抽油机上安装速度传感器及负荷传感器等传感器，这些传感器都需要安装在抽油机的塔架上，而塔架一般高度较高，在塔架上安装传感器的施工难度非常大，并且在施工过程中存在着安全隐患的问题；另一方面，在室外环境较为恶劣的情况下，安装在油田抽油机上的传感器的使用寿命被大大缩短，导致每隔一定时间就需要对传感器进行维护。针对上述现有技术中的不足之处，本发明与现有技术的区别在于，在本发明中不需要加装速度/位移传感器和负荷传感器，而是根据无速度传感器的矢量控制方法，根据所述第一数据和第二数据得出所述示功图信息，从而节约了因加装传感器所产生的成本，同时也免除了对传感器进行维护的工作。

通过所述步骤S211至步骤S214确定所述示功图信息后，接下来进入步骤S215，根据所述示功图信息输出节能方案信息。具体地，所述节能方案信息优选地包括变频控制信号，其中通过将所述变频控制信号输出至抽油机的电动机可以动态调整所述电动机的运行频率，从而达到节能的目的。

上述内容对通过所述步骤S211至步骤S215输出节能方案的过程进行了描述，接下来对通过所述步骤S211、步骤S216以及步骤S217对所述电动机所发电能进行并网输出控制的过程进行描述。具体地，在本实施例中，首先执行所述步骤S211，获取所述第一数据，然后进入所述步骤S216，根据所述第一数据判断当前所述电动机是否处于发电状态。更为具体地，若所述步骤S216的判断结果是肯定的，即当前所述电动机处于发电状态，则接下来进入步骤S217继续执行；若所述步骤S216的判断结果是否定的，即当前所述电动机未处于发电状态，则结束本流程。其中，通过所述步骤S217，对所述电动机所发电能进行满足电流谐波畸变率小于5％的交流电并网输出。而在一个变化例中，所述步骤S216以及步骤S217可以被省略。

在本实施例的一个优选例中，所述控制方法还包括“发送所述第一数据“的步骤、“发送所述示功图信息”的步骤以及“发送所述节能方案信息”的步骤。其中，这些步骤可以在相应的信息生成后的任一时间被执行，例如，针对所述“发送所述第一数据“的步骤，可以在通过所述步骤S211获取所述第一数据后接着便执行所述“发送所述第一数据“的步骤，还可以在通过所述步骤S215根据所述示功图信息输出节能方案后，将所述第一数据与所述节能方案信息一起发送。

进一步优选地，可以向一手持终端发送所述第一数据等上述这些数据，其中，可以通过短距离无线通信方式和/或远距离通信方式向所述手持终端发送上述这些数据。具体地，所述手持终端包括用于支持相应通信方式的通信模块，在巡井时，油田工作人员利用所携带的所述手持终端可以接收上述这些数据。

更进一步优选地，所述控制方法还可以包括“发送所述抽油机油井的故障报警信息”的步骤，具体地，当抽油机或者抽油机中用于实现所述控制方法的装置出现故障后，可以使电网直接对抽油机的电动机进行供电，并向远端控制中心发送所述抽油机油井的故障报警信息。

在本实施例的另一个优选例中，所述步骤S212包括如下步骤：

对所述电动机定子电流i、电压u进行αβ变换得到i_αi_β、u_αu_β，然后再进行dq变换得到i_di_q、u_du_q；通过如下公式得到转矩T_em：

$T_{\mathrm{em}}=\frac{3}{2}{n}_p\frac{L_m}{L_r}{\mathrm{\ψ}}_r{i}_q,$

其中，磁链

L_r为转子电感，L_m为定子电感，R为定子电阻，σ为总漏感系数，n_p为级对数；

转速ω通过如下公式得到：

$\mathrm{\ω}=\frac{60f_1}{n_p}-\frac{L_m{i}_q}{L_r{\mathrm{\ψ}}_r^{*}},$

其中f₁为电动机当前频率，

为给定磁链。

进一步地，所述步骤S213包括如下步骤：

通过如下公式得到光杆位移S：

$S=S_m\stackrel{\‾}{\mathrm{PR}},$

其中S_m为光杆最大冲程，

为曲柄转角θ时的光杆位置占光杆最大冲程S_m的比例

ψ＝360-α-[β++θ+θ₀]，θ＝ωt，

α＝360-[β+ψ+θ+θ₀]，其中，如图2所示，AO为游梁前臂长度，OB为游梁后臂长度，BD为连杆长度，DE为曲柄长度，OE为游梁中心点到曲柄中心点距离，α为连杆与曲柄夹角，β为连杆与游梁后臂夹角，θ为与转速有关的曲柄夹角，θ₀为曲柄在12点钟位置时与梁柄中心点连线的夹角，ψ为梁柄中心点连线与游梁后臂之间夹角，DE为曲柄平衡半径；

光杆负载P通过如下公式得到：

$P=\frac{{\mathrm{KT}}_{\mathrm{em}}}{T}+B+\frac{Q{R}^{\′}+q{r}^{\′}\sin (\mathrm{\θ}+\mathrm{\γ})}{T},$

其中，K为电动机转矩与曲柄净转矩系数，B为抽油机结构不平衡度，Q为曲柄平衡块重，R′为曲柄平衡块平均质心距离，q为曲柄总重，r′为曲柄质心距离，γ为曲柄平衡臂的偏斜角，

为扭矩系数。

更进一步地，所述步骤S214包括“根据所述抽油机光杆位移S和光杆负荷P得到所述示功图信息”的步骤。

图3示出根据本发明的第二实施例的，用于在油田抽油机中的节能控制方法的流程图。本领域技术人员可以将本实施例理解为图1所示实施例中的所述步骤S215的一个具体实施方式。具体地，在本实施例中，首先执行步骤S221，根据所述示功图信息进行差分计算，得到差分曲线。如图4所示，图4示出了三种典型示功图以及与这些示功图相对应的差分曲线模板和油井工况，其中，差分曲线模板中的差分曲线由与其相对应的示功图进行差分计算而得。

然后执行步骤S222，根据所述差分曲线与已知的差分曲线模板进行智能模糊对比，判断出抽油机处于何种工作状态。具体地，通过所述步骤S221得到与所述示功图信息相对应的差分曲线，然后将该差分曲线与图4示出的差分曲线模板中的曲线进行智能模糊对比，然后根据该智能模糊对比的结果确定哪个差分曲线模板与该差分曲线最为匹配，并将与该差分曲线模板对应的油井工况确定为所述抽油机的工作状态。优选地，所述油井工况包括正常工作、泵未充满以及固定阀漏失等工况，而在一个变化例中，所述油井工况还可以包括故障状态以及满载工作状态。

通过所述步骤S222确定抽油机处于何种工作状态后，相应地执行步骤S223、步骤S224或者步骤S225。其中，若所述抽油机处于故障状态，则接下来执行所述步骤S223，根据故障类型分别进行停机保护、降功率运行通信报警或者切断故障点运行操作；若所述抽油机处于泵未满工作状态，则接下来执行所述步骤S224，输出最高49Hz的三相交流电；若所述抽油机处于满载工作状态，则接下来执行所述步骤S225，输出最低50Hz的三相交流电。在本实施例的一个优选例中，所述控制方法还包括“根据所述示功图信息和所述步骤S222的判断结果，进行抽油机上下冲程判断，并对抽油机上下冲程进行交流电频率差异输出”的步骤。

图5示出根据本发明的第三实施例的，用于在油田抽油机中的节能控制系统的原理图。具体地，在本实施例中，所述控制系统包括抽油机1，其中，所述控制系统使用根据本发明的控制方法对所述抽油机进行控制。更为具体地，所述控制系统还包括手持终端9，其中，所述手持终端9用于接收所述第一数据、所述示功图信息、所述节能方案信息以及所述抽油机油井的故障报警信息，优选地，所述控制系统可以通过内置的所述无线通信单元(例如短距离无线通信单元)与外配的短距离无线通信手持终端9相连接，这样，油田工作人员无需到达油井边，只需在路边(例如距油井1500米内)，即可使用无线通信手持终端9读取油井的示功图信息等信息，实时工况数据等信息。进一步地，所述控制系统包括连接在电网与所述抽油机1之间的控制单元4，其中，所述控制单元4用于执行所述控制方法，具体地，所述控制单元4包括智能变频单元、智能计算单元、无线通信单元、智能保护单元以及智能接口单元。优选地，所述控制单元安装在游梁式抽油机的旁边。

优选地，所述控制系统根据无速度传感器的矢量控制方法，在没有速度传感器和负荷传感器的情况下，根据抽油机电动机的运行参数，计算出所述示功图信息。进一步地，所述控制系统优选地根据动态计算的所述示功图信息，来实时判断油井工况，当油井满载时控制交流电以50Hz的频率输出来确保油井产量，当油井空载时控制交流电以小于50Hz的频率输出(具体频率根据油井的空载程度来计算)来实现节能目的。所述控制系统还可以根据动态计算的所述示功图信息，判断出抽油机的上下冲程时段，并在上下冲程时段进行不同频率的交流电输出，以达到节能和提高油井产量的目的。优选地，网侧的功率因数＞0.95，电流谐波畸变率＜5％，抽油机下冲程发电做功能量的高功率因数(＞0.95)和电流低谐波含量(＜5％)回馈电网。

图6示出根据本发明的第四实施例的，用于在油田抽油机中的节能控制系统的原理图。具体地，在本实施例中，结合图6与图7，所述控制单元可以根据游梁式抽油机的电动机功率在20kW～60kW之间进行配置，电网380伏三相交流电进入所述控制单元，再由所述控制单元连接至抽油机电动机，根据本发明提供的控制方法，所述控制单元根据采样到的电动机和电网的电流、电压数据，进行无速度传感器矢量控制计算，实时得出油井的所述示功图信息，然后根据所述示功图信息分析出油井工作状况，最后进行节能控制。优选地，所述无线通信单元包括短距离无线通信单元，外配短距离无线通信手持终端(例如图5示出的手持终端9)，工作人员无需走到油井旁边，在路边即可进行油井的所述示功图信息和实时工况信息采集。所述控制单元还内置标准通信接口，配置远程通信装置后，可以实现大范围、集中式抽油机实时信息监控系统。更为具体地，由所述智能计算单元根据所述第一数据运算出所述示功图信息，进而根据所述示功图信息向所述智能变频单元发送节能方案信息，以控制所述智能变频单元对所述抽油机的电动机进行变频控制。在运算得到所述节能方案信息的过程中，所述智能计算单元通过所述智能接口单元可以将第一数据、示功图信息以及节能方案信息等信息发送给巡井人员所携带的所述手持设备。而当所述控制单元4中有单元发生故障时，所述智能保护单元能够根据故障类型分别进行停机保护、降功率运行、通信报警或者切断故障点运行操作，也就是说，所述智能保护单元可以在所述控制单元4出现故障后自动隔离，使电网直接对抽油机电动机进行供电，确保油田生产正常进行。所述智能接口单元包括对外标准智能通信接口，配置远距离通信装置后，可实现油井集中式监控系统的需求。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种用于在油田抽油机中的节能控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

a.获取第一数据；

b.根据所述第一数据生成抽油机的示功图信息；

c.根据所述示功图信息输出节能方案信息。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述第一数据包括如下任一种或任多种数据：

-抽油机的固定机械参数；

-抽油机的电动机的固定电气参数；以及

-抽油机的电动机的运行数据，

其中，所述步骤a包括如下任一个或任多个步骤：

-获取抽油机的固定机械参数；

-获取所述电动机的固定电气参数；以及

-在抽油机运行中获取所述电动机定子电流及电压数据。

3.根据权利要求1或2中任一项所述的控制方法，其特征在于，所述步骤b包括如下步骤：

b1.根据所述第一数据确定第二数据，其中，所述第二数据包括如下数据中的任一种或任多种数据：

-电动机实时电功率；

-电动机实时电功率效率；

-电动机实时转矩；以及

-电动机实时转速；

b2.根据所述第一数据和第二数据确定实时抽油机光杆位移和抽油机光杆负荷；

b3.根据所述抽油机光杆位移和抽油机光杆负荷确定所述示功图信息。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述步骤b1包括如下步骤：

b11.对所述电动机定子电流i、电压u进行αβ变换得到i_αi_β、u_αu_β，然后再进行dq变换得到i_di_q、u_du_q；通过如下公式得到转矩T_em：

$T_{\mathrm{em}}=\frac{3}{2}{n}_p\frac{L_m}{L_r}{\mathrm{\ψ}}_r{i}_q,$

其中，磁链

L_r为转子电感，L_m为定子电感，R为定子电阻，σ为总漏感系数，n_p为级对数；

转速ω通过如下公式得到：

$\mathrm{\ω}=\frac{60f_1}{n_p}-\frac{L_m{i}_q}{L_r{\mathrm{\ψ}}_r^{*}},$

其中f₁为电动机当前频率，

为给定磁链，

所述步骤b2包括如下步骤：

b21.通过如下公式得到光杆位移S：

$S=S_m\stackrel{\‾}{\mathrm{PR}},$

其中S_m为光杆最大冲程，

为曲柄转角θ时的光杆位置占光杆最大冲程S_m的比例

ψ＝360-α-[β++θ+θ₀]，θ＝ωt，

α＝360-[β+ψ+θ+θ₀]，其中，AO为游梁前臂长度，OB为游梁后臂长度，BD为连杆长度，DE为曲柄长度，OE为游梁中心点到曲柄中心点距离，α为连杆与曲柄夹角，β为连杆与游梁后臂夹角，θ为与转速有关的曲柄夹角，θ₀为曲柄在12点钟位置时与梁柄中心点连线的夹角，ψ为梁柄中心点连线与游梁后臂之间夹角，DE为曲柄平衡半径；

光杆负载P通过如下公式得到：

$P=\frac{{\mathrm{KT}}_{\mathrm{em}}}{T}+B+\frac{Q{R}^{\′}+q{r}^{\′}\sin (\mathrm{\θ}+\mathrm{\γ})}{T},$

其中，K为电动机转矩与曲柄净转矩系数，B为抽油机结构不平衡度，Q为曲柄平衡块重，R′为曲柄平衡块平均质心距离，q为曲柄总重，r′为曲柄质心距离，γ为曲柄平衡臂的偏斜角，

为扭矩系数，

所述步骤b3包括如下步骤：

b31.根据所述抽油机光杆位移S和光杆负荷P得到所述示功图信息。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的控制方法，其特征在于，所述步骤c包括如下步骤：

c1.根据所述示功图信息进行差分计算，得到差分曲线；

c2.根据所述差分曲线与已知的差分曲线模板进行智能模糊对比，判断出抽油机处于何种工作状态，

还包括如下任一个或任多个步骤：

-若所述抽油机油井处于满载工作状态，则输出最低50Hz的三相交流电；

-若所述抽油机油井处于泵未满工作状态，则输出最高49Hz的三相交流电；

-若所述抽油机油井处于故障状态，则根据故障类型分别进行停机保护、降功率运行、通信报警或者切断故障点运行操作。

-根据所述示功图信息和所述步骤c2的判断结果，进行抽油机上下冲程判断，并对抽油机上下冲程进行交流电频率差异输出。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的控制方法，其特征在于，还包括如下步骤：

d1.根据所述第一数据判断当前所述电动机是否处于发电状态；

d2.若所述步骤d1的判断结果是肯定的，则对所述电动机所发电能进行满足电流谐波畸变率小于5％的交流电并网输出。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的控制方法，其特征在于，还包括如下任一种或任多种步骤：

-发送所述第一数据；

-发送所述示功图信息；

-发送所述节能方案信息；以及

-发送所述抽油机油井的故障报警信息。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，发送方式包括短距离无线通信方式和/或远距离通信方式。

9.一种用于在油田抽油机中的节能控制系统，包括抽油机，其特征在于，使用权利要求1至8中任一项所述的控制方法对所述抽油机进行控制。

10.根据权利要求9所述的控制系统，其特征在于，还包括手持终端，其中，所述手持终端用于接收如下任一种或任多种信息：

-所述第一数据；

-所述示功图信息；

-所述节能方案信息；以及

-所述抽油机油井的故障报警信息。

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