CN203101986U - 抽油机井变频自适应节能控制装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种抽油机井变频自适应节能控制装置，其是由数据采集系统、数据分析系统、中央处理系统和变频自适应控制系统组成，安装在油田抽油机电源与电机之间，数据采集系统与数据分析系统连接、数据分析系统与中央处理系统连接，中央处理系统与变频自适应控制系统连接；本实用新型不仅具有常规变频器具有特有的功能，同时，还可以通过对油井基础数据的实时采集，通过中央处理器的分析和自学习功能，实现对油井举升系统的变频自适应控制，使油井设备及参数始终工作在最佳状态，最大限度实现节能和提效。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种油田抽油机举升系统的节能控制装置，特别涉及一种抽油机井变频自适应节能控制装置，该装置可以通过实时监测油井工况，通过自学习功能，实现对油井举升系统进行变频自适应控制，达到提高系统效率，节约电能，提高油井免修期和产量的综合作用。
背景技术
目前常规的抽油机变频控制装置，主要由变频组件及相应的配套器件构成，通过改变电机输入的频率的方式调节冲次，达到节能降耗的目的。在抽油机变频控制的过程中，由于四连杆抽油机工作中的固有特性，在一个冲程过程中电机负荷是按周期变化的，同时在不同的开采阶段，油井的产量变化也比较大，常规的变频控制无法实现根据油井实际需求对功率、载荷、转速、冲次进行自适应调节，使所供即使所需，因此节能效果有限。再有油田抽油机由于无法实现完全平衡，几乎所有的抽油机均工作在不平衡的状态下，导致每个冲程过程中都出现抽油机拖动电机转动，产生反发电现象，影响设备寿命及电网的供电质量。
实用新型内容
本实用新型的目的为了解决常规抽油机变频控制存在的只能人为改变频率调整冲次，无法根据油井实际工况实时动态调整的弊端。同时为了克服油田抽油机系统举升存在的电机装机容量大， “大马拉小车”严重；电网电压不稳定，设备运行效率低；抽油机拖动电机转动，产生反发电，能耗高、影响设备寿命；生产过程中振动载荷大、设备损伤严重；产量变化，调参不及时等问题，本实用新型提供一种抽油机井变频自适应节能控制装置，该装置不仅具有常规变频器具有特有的功能，同时，还可以通过对油井基础数据的实时采集，通过中央处理器的分析和自学习功能，实现对油井举升系统的变频自适应控制，使油井设备及参数始终工作在最佳状态，最大限度实现节能和提效。
本实用新型是由数据采集系统、数据分析系统、中央处理系统和变频自适应控制系统组成，安装在油田抽油机电源与电机之间，数据采集系统与数据分析系统连接、数据分析系统与中央处理系统连接，中央处理系统与变频自适应控制系统连接，其中：
数据采集系统：数据采集系统是由安装在抽油机油梁与曲柄连接轴上的角位移传感器、安装在电机输出轴上的转速传感器、内置在系统中的电流电压传感器组成，该系统通过角位移传感器、转速传感器和电流电压传感器采集油井工作过程中的各种数据，通过数据采集，为数据分析系统进行分析提供基础数据；
数据分析系统：该系统应用数据采集系统采集的数据，分析出油井工作过程中实时的冲程、冲次、转速、扭矩、功率、电流、电压、负载与能耗和功率因数；
中央处理系统：该系统根据数据分析系统数据分析得出的参数，以及各参数之间的对应特性，反演出与自适应相关的各种数据，包括与电流及电压相适应功图，与充满程度相对应的电参数特性，与油井工况对应的实时需求功率，以及电机的实时转速及跟踪需求转速，与载荷状况相对应的电参数特性，为油井自适应控制提供依据；
变频自适应控制系统：该系统依据中央处理系统得出的各对应数据，应用变频控制技术、功率自适应技术、转速自适应技术、载荷自适应技术、抽油参数自适应技术，应用自学习和模糊处理理论，对油井进行变频自适应节能控制，使电机输出功率、转速、扭矩、载荷及抽油参数适应油井实际工况。
本实用新型变频自适应实现方式是：
输出功率自适应，输出功率即是电机需求功率。抽油机在工作的过程中，每个冲程负载都是时刻变化的，最高是超过100%，最低时不足10%，该技术通过跟踪电机输出扭矩，实现扭矩闭环控制，根据油井实际工作过程中的负载变化，通过控制输出电压及电流， 达到控制输出功率的目的，达到所需即是所供的效果，在解决“大马拉小车”的同时，提高了设备运行效率，实现了最大限度的节能。
电机转速自适应，避免“反发电”造成的能量损耗。在油井生产的过程中，通过采集电机输出轴转速，实现转速闭环控制，当抽油机出现带动电机转的时候，智能控制系统通过转速跟踪控制，避免电机出现反发电状态，提高了电机使用寿命，减少了电能损耗。
光杆运动自适应，减少振动载荷，提高设备寿命。通过智能控制系统中柔性控制理论，根据现场摸索建立的数学模型，结合不同油井自身特点通过模糊处理分析，当上下冲程和液击发生时，抽油杆加速度产生非常规变化，通过优化悬点加速度曲线，应用变频组件调整电机输出转速，实现举升自适应，使油井实现柔性举升，减少振动载荷及设备磨损，提高设备运行效率和使用寿命。
参数自适应，实现高效供采平衡，提高举升系统效率。油井在一个冲程过程中，由于产量不足，往往会出现空抽现象，通过功图可以判断空抽的时间，同时根据功图与电参数测试曲线的对比及计算，发生空抽时，功率图和电流图与正常抽汲相比会发生很多变化，反应在电参数的图形上，主要表现为：在下冲程，电动机只要用很小的能量就可将杆柱送入井底，下行程电机峰值电流和峰值功率变小，从而上、下行程中峰值电流和峰值功率比值也变小；实际平均电流和平均功率下降，这是宏观现象，实际还有一些微观变化。通过对比分析总结不同充满程度时电参数，反演出与功图的对应关系，建立了相应的数学模型，通过优化控制软件，实现对油井的智能控制，根据现场实际要求，设定预期的工作界限，实现了自动适应油井的控制策略，达到了供排平衡的工作参数，提高了举升系统效率。
本实用新型的有益效果：
现场应用过程中，当油井产量降低时，油井充满系数下降，该实用新型通过综合判断实现了自适应动态调整油井工作参数，避免了出现空抽，同时实现了根据油井实际负载自适应输出的需求功率，很好实现了转速跟踪，避免了反发电，自适应油井振动载荷，实现了柔性工作。以上抽油机综合变频自适应控制，最大限度实现了节能，统计综合节能率达到了30%以上，功率因数达到0.95以上。
附图说明
图1是本实用新型的结构框图和原理图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本实用新型是由数据采集系统1、数据分析系统2、中央处理系统3和变频自适应控制系统4组成，安装在油田抽油机电源5与电机6之间，数据采集系统1与数据分析系统2连接、数据分析系统2与中央处理系统3连接，中央处理系统3与变频自适应控制系统4连接，其中：
数据采集系统1：数据采集系统1是由安装在抽油机油梁与曲柄连接轴上的角位移传感器11、安装在电机输出轴上的转速传感器12、内置在系统中的电流电压传感器13组成，该系统通过角位移传感器11、转速传感器12和电流电压传感器13采集油井工作过程中的各种数据，通过数据采集，为数据分析系统2进行分析提供基础数据；
数据分析系统2：该系统应用数据采集系统1采集的数据，分析出油井工作过程中实时的冲程、冲次、转速、扭矩、功率、电流、电压、负载与能耗和功率因数；
中央处理系统2：该系统根据数据分析系统2数据分析得出的参数，以及各参数之间的对应特性，反演出与自适应相关的各种数据，包括与电流及电压相适应功图，与充满程度相对应的电参数特性，与油井工况对应的实时需求功率，以及电机的实时转速及跟踪需求转速，与载荷状况相对应的电参数特性，为油井自适应控制提供依据；
变频自适应控制系统4：该系统依据中央处理系统2得出的各对应数据，应用变频控制技术、功率自适应技术、转速自适应技术、载荷自适应技术、抽油参数自适应技术，应用自学习和模糊处理理论，对油井进行变频自适应节能控制，使电机输出功率、转速、扭矩、载荷及抽油参数适应油井实际工况。
参阅图1所示，本实用新型变频自适应实现的方式是：
输出功率自适应，输出功率即是电机需求功率。抽油机在工作的过程中，每个冲程负载都是时刻变化的，最高是超过100%，最低时不足10%，该技术通过跟踪电机输出扭矩，实现扭矩闭环控制，根据油井实际工作过程中的负载变化，通过控制输出电压及电流， 达到控制输出功率的目的，达到所需即是所供的效果，在解决“大马拉小车”的同时，提高了设备运行效率，实现了最大限度的节能。
电机转速自适应，避免“反发电”造成的能量损耗。在油井生产的过程中，通过采集电机输出轴转速，实现转速闭环控制，当抽油机出现带动电机转的时候，智能控制系统通过转速跟踪控制，避免电机出现反发电状态，提高了电机使用寿命，减少了电能损耗。
光杆运动自适应，减少振动载荷，提高设备寿命。通过智能控制系统中柔性控制理论，根据现场摸索建立的数学模型，结合不同油井自身特点通过模糊处理分析，当上下冲程和液击发生时，抽油杆加速度产生非常规变化，通过优化悬点加速度曲线，应用变频组件调整电机输出转速，实现举升自适应，使油井实现柔性举升，减少振动载荷及设备磨损，提高设备运行效率和使用寿命。
参数自适应，实现高效供采平衡，提高举升系统效率。油井在一个冲程过程中，由于产量不足，往往会出现空抽现象，通过功图可以判断空抽的时间，同时根据功图与电参数测试曲线的对比及计算，发生空抽时，功率图和电流图与正常抽汲相比会发生很多变化，反应在电参数的图形上，主要表现为：在下冲程，电动机只要用很小的能量就可将杆柱送入井底，下行程电机峰值电流和峰值功率变小，从而上、下行程中峰值电流和峰值功率比值也变小；实际平均电流和平均功率下降，这是宏观现象，实际还有一些微观变化。通过对比分析总结不同充满程度时电参数，反演出与功图的对应关系，建立了相应的数学模型，通过优化控制软件，实现对油井的智能控制，根据现场实际要求，设定预期的工作界限，实现了自动适应油井的控制策略，达到了供排平衡的工作参数，提高了举升系统效率。
Claims (1)
1.一种抽油机井变频自适应节能控制装置，其特征在于：是由数据采集系统（1）、数据分析系统（2）、中央处理系统（3）和变频自适应控制系统（4）组成，安装在油田抽油机电源（5）与电机（6）之间，数据采集系统（1）与数据分析系统（2）连接、数据分析系统（2）与中央处理系统（3）连接，中央处理系统（3）与变频自适应控制系统（4）连接，其中：
数据采集系统（1）：数据采集系统（1）是由安装在抽油机油梁与曲柄连接轴上的角位移传感器（11）、安装在电机输出轴上的转速传感器（12）、内置在系统中的电流电压传感器（13）组成，该系统通过角位移传感器（11）、转速传感器（12）和电流电压传感器（13）采集油井工作过程中的各种数据，通过数据采集，为数据分析系统（2）进行分析提供基础数据；
数据分析系统（2）：该系统应用数据采集系统（1）采集的数据，分析出油井工作过程中实时的冲程、冲次、转速、扭矩、功率、电流、电压、负载与能耗和功率因数；
中央处理系统（2）：该系统根据数据分析系统（2）数据分析得出的参数，以及各参数之间的对应特性，反演出与自适应相关的各种数据，包括与电流及电压相适应功图，与充满程度相对应的电参数特性，与油井工况对应的实时需求功率，以及电机的实时转速及跟踪需求转速，与载荷状况相对应的电参数特性，为油井自适应控制提供依据；
变频自适应控制系统（4）：该系统依据中央处理系统（2）得出的各对应数据，对油井进行变频自适应节能控制，使电机输出功率、转速、扭矩、载荷及抽油参数适应油井实际工况。
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