CN103967449A - 液压式抽油机的运行控制***以及相应的控制方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种液压式抽油机的运行控制***，包括：电机，其用于为液压式抽油机提供驱动动力，且传动连接到势能蓄能器；传感器，其至少能够确定液压式抽油机的抽油杆的上下运动的极限位置和行进方向；以及运动控制器和变频驱动器，其设置在为液压式抽油机提供电能的供电装置与电机之间，以能够变频的方式驱动和控制电机的运行，并为二次控制液压单元提供控制信号，而且所述运动控制器和变频驱动器具有与传感器连接的用于接收传感器的信号的第一输入端口并至少能够根据由传感器提供的信号控制电机和二次控制液压单元的运行。还相应地公开了一种控制液压式抽油机的运行的方法。本发明的***和方法确保电机高效运行且防止污染和冲击电网。

Description

液压式抽油机的运行控制***以及相应的控制方法

技术领域

本发明涉及一种液压式抽油机的运行控制***以及一种利用该运行控制***控制液压式抽油机的运行的方法。

背景技术

在目前的采油过程中，不论是因为缺乏内部压力还是其他原因，如果不能从生产井自然流出原油，则必须寻求一种“人工方法”，现在最常用的就是游梁式抽油机，通常被称作“磕头机”。游梁式抽油机主要由游梁-连杆-曲柄机构、减速箱、三相异步电机和辅助装备等组成。采油时，抽油杆上、下往复运动。在抽油杆上、下往复运动的一个周期中，负载是实时变化的，相应地电机负载转矩也是实时变化的，因此输入电机的电功率也是实时变化的。这使得电机的功率特性难以与负载变化相匹配，从而会使电机的综合效率比较低，功率因数比较小，电能消耗高。而且，这种游梁式抽油机体积庞大，产量低。

为此，中国专利CN202181885U公开了一种液压式抽油机，其具有二次控制液压单元、由二次控制液压单元控制进而带动抽油杆往复运动的油缸、用于设定油缸活塞杆（即，抽油杆）的冲程的传感器、与二次控制液压单元传动连接的异步电机、与异步电机传动连接的势能蓄能器（优选采用飞轮的形式）以及基于上述传感器的信号控制二次控制液压单元运动正反向的二次控制液压单元控制器。利用这种液压式抽油机，可以根据油井的特性灵活地控制冲程和速度，从而，能够充分采油，提高了产量，且由于势能蓄能器能储存势能并随后释放，因此降低了电能损耗，提高了生产效率。

由于这种周期性的能量转换，异步电机还是会承受频繁且相当大的速度变化和负载转矩变化。但异步电机所允许的工作速度和转矩受其基本设计和驱动电频率限制。现有设计的抽油机中的异步电机直接连接到电网而由50Hz的交流电直接驱动，使得难以匹配所需的速度变化和负载转矩变化。

因此，现场实验发现了以下问题：

1）电机始终被电激励和输出功率，但实际生产过程中仅在一个工作周期的某段时间内才需要激励电机使其输出功率，特别是在向下的冲程中电机由于始终被激励，输出了不必要的功率。

2）由于电机转速持续变化，而电频率恒定，电机长时间处于高功率低负载的低效率状态并产生较大无功功率。

3）工频异步电机允许的速度变化范围较小，相应的势能蓄能器所能吸收转化的势能也较小，不能满足大负载应用的要求。

4）在向下的冲程的某段时间内，电机转速超过电频率要求转速，异步电机运行在充当发电机的模式下，这时由于异步电机直接连接到电网而会对电网产生一定的冲击和污染。

在这种情况下，迫切需要一种能够高效运行、灵活控制且不会冲击电网的液压式抽油机和一种相应的控制方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种液压式抽油机的运行控制***以及一种利用该运行控制***控制液压式抽油机的运行的方法，以便克服上述至少一个缺点。

根据本发明的第一个方面，提供了一种液压式抽油机的运行控制***，包括：电机，其用于为液压式抽油机提供驱动动力，且传动连接到势能蓄能器；传感器，其至少能够确定液压式抽油机的抽油杆的上下运动的极限位置和行进方向；以及运动控制器和变频驱动器，其设置在为液压式抽油机提供电能的供电装置与电机之间，以能够变频的方式驱动和控制电机的运行，并为二次控制液压单元提供控制信号，而且所述运动控制器和变频驱动器具有与传感器连接的用于接收传感器的信号的第一输入端口并至少能够根据由传感器提供的信号控制电机和二次控制液压单元的运行。

优选地，所述运动控制器和变频驱动器还具有用于接收能够反映电机的运行状态的反馈信号的第二输入端口。

优选地，所述电机是异步电机或同步电机。

根据本发明的第二个方面，提供了一种利用上述运行控制***控制液压式抽油机的运行的方法，其中，所述运动控制器和变频驱动器至少根据由传感器提供的信号以能够变频的方式控制电机和二次控制液压单元的运行。

优选地，所述运动控制器和变频驱动器还具有用于接收能够反映电机的运行状态的反馈信号的第二输入端口，且所述运动控制器和变频驱动器根据由传感器提供的信号以及该反馈信号控制电机和二次控制液压单元的运行。

优选地，在抽油杆向上运动的冲程中，所述运动控制器和变频驱动器根据反馈的电机转速信号基于闭环电机速度控制策略以电机转速为控制目标控制电机的运行；和/或在抽油杆向下运动的冲程中，所述运动控制器和变频驱动器通过控制向电机输送的电的频率使电机转矩为0或最小化，或简单地切断向电机的电输送。

优选地，在抽油杆向上运动的冲程以及向下运动的冲程中，所述运动控制器和变频驱动器根据反馈信号基于闭环功率-频率控制策略以向电机高效输送的功率为控制目标控制电机的运行。

优选地，在抽油杆向上运动的冲程中，所述运动控制器和变频驱动器使电机工作在额定转差率下；和/或在抽油杆向下运动的冲程中，所述运动控制器和变频驱动器使电机工作在0转差率下。

优选地，所述反馈信号为电机编码器测量结果或电机速度估算结果。

优选地，分别为抽油杆向上运动的冲程和向下运动的冲程离线指定从运动控制器和变频驱动器期望输出的功率特性并将该功率特性储存在所述运动控制器和变频驱动器中，当抽油机工作时，所述运动控制器和变频驱动器根据由传感器提供的信号基于所述储存的功率特性来控制电机的运行。

根据本发明的***和方法可在不需要电机输出功率时切断或最小化向电机的电输送，且可在合适的时刻再以较大的电输送启动电机。而且，可根据电机的工作状态以合适的电频率驱动电机，以确保电机始终高效地工作。此外，电机与电网电隔离，以防止由于可能的载荷变化对电网造成冲击。

附图说明

下面，通过参看附图更详细地描述本发明，可以更好地理解本发明的原理、特点和优点。附图包括：

图1示出了现有的液压式抽油机的基本构成的简图。

图2示出了现有的液压式抽油机的异步电机在实际工作期间的有效电流的一个示例性的变化过程。

图3示出了根据本发明的***结构的一个示例性实施例的简图。

图4示出了现有方法与根据本发明的方法在一分钟时长内的电机转速比较。

具体实施方式

下面，将参看附图更详细地描述本发明的具体实施例，以便更好地理解本发明的基本思想。

图1示出了现有的液压式抽油机的基本构成的简图。如图1所示，液压式抽油机包括：二次控制液压单元1、由该二次控制液压单元1控制进而带动抽油杆3上下往复运动的油缸2、用于设定抽油杆3的冲程的传感器4、与二次控制液压单元1传动连接的异步电机5、与异步电机5传动连接的势能蓄能器6以及基于该传感器4的信号控制二次控制液压单元1运动正反向的二次控制液压单元控制器7。抽油杆3伸入到油缸2中充当活塞杆，且抽油杆3的下端连接到位于油井内的负载（抽油泵）8。此外，液压式抽油机还包括液压连接到油缸2的第一液压管路9、液压连接油缸2与二次控制液压单元1的第二液压管路10以及液压连接到二次控制液压单元1的第三液压管路11。

图2示出了现有的液压式抽油机的异步电机5在实际工作期间的有效电流的一个示例性的变化过程。在图2中，区间t1-t5对应异步电机5的一个完整的运行周期。根据异步电机5的运行特性，一个完整的运行周期又可分为三个阶段t1-t2、t2-t4、t4-t5。在第一阶段t1-t2中，抽油杆3向下运动，异步电机5的电流逐渐减小，而异步电机5的转速逐渐增大。当达到时刻t2时，异步电机5处于第一临界状态。此时，当抽油杆3进一步向下运动时，异步电机5会进一步加速旋转而进入第二阶段t2-t4。在第二阶段t2-t4中，异步电机5处于发电模式，即，异步电机5此时相当于一个发电机。第二阶段t2-t4根据电流变化特性又可分为两个子段t2-t3和t3-t4。异步电机5的电流在子段t2-t3中先逐渐增大，然后在时刻t3达到最大值，接着在子段t3-t4中又会逐渐减小。当达到时刻t4时，异步电机5处于第二临界状态，然后进入到第三阶段t4-t5中而脱离发电模式。在第三阶段t4-t5中，异步电机5的电流逐渐上升，输出的转矩逐渐增大，以便有足够的动力推动抽油杆3向上移动。

因此，理论上，仅第三阶段t4-t5中的异步电机5的功率输出才是实际所需的功率输出。因此，理想情况下，第一阶段t1-t2的下降曲线S1应阶跃下降，即竖直下降，因为抽油机的抽油杆3的较高势能理想情况下应能够独自地推动抽油杆3向下运动并有能量节余，而不需要异步电机5再输出动力。类似地，理想情况下，第三阶段t4-t5中的上升曲线S2应从t3时刻开始阶跃上升，即竖直上升，因为理想情况下异步电机5的电流应立即达到较高的值来提供足够大的驱动转矩，以推动抽油杆3向上运动。但实际中受到异步电机5本身的特性和抽油机工作条件等诸多因素的限制，不可能使异步电机5运行在理想状态下。当然，理想情况下，还应使异步电机5不要工作在发电模式下，因为，如上所述，在发电模式下，异步电机5不仅不能输出实际需要的有效功率，并且会将抽油杆3的势能转化为异步电机5作为发电机工作时所产生的热量，而且产生的电能还会冲击和污染电网。

第三阶段t4-t5中的上升曲线S2成斜坡变化意味着，当需要最大输出功率（即满负载）驱动抽油杆3向上运动时，异步电机5却有相当长的时间工作在轻载条件下，这意味着异步电机5具有低的效率。如上所述，理想情况下，异步电机5在抽油杆3的向下的冲程中还应不被电激励和输出功率，然而，实际中发现，异步电机5在向下的冲程中仍会被电激励和输出功率，这显然是不利的。而且，异步电机5在第二阶段t2-t4中的转速大于电网工频所对应的转速，因此会使得异步电机5工作在发电模式下，这会将本应储存以便循环使用的势能转换为热能和冲击电网的电能。

为此，需要根据抽油机的工作状态对异步电机5进行控制，以便明显地提高势能循环利用效率和***的用电效率以及避免对电网造成污染和冲击。

图3示出了根据本发明的***结构的一个示例性实施例的简图。如图3所示，本发明的***包括运动控制器和变频驱动器12，该运动控制器和变频驱动器12设置在异步电机5与电网AC之间，即，运动控制器和变频驱动器12一方面通过端口P1、P2和P3分别电连接到电网AC的三相U、V、W上，另一方面通过端口P4、P5、P6分别电连接到异步电机5的三相A、B、C上。而且，如图3所示，运动控制器和变频驱动器12通过端口P7电连接到传感器4。传感器4至少能够确定抽油杆3的上下运动的极限位置和行进方向，以便至少能够判断出抽油杆3是处于向上的冲程、还是处于向下的冲程以及确定上、下冲程之间的变换时刻。根据一个实施例，传感器4可以是开关量传感器，例如分别设置在油缸支架（未示出）的上、下部的两个接近开关：上部接近开关4A和下部接近开关4B，如图1和3所示。根据另一个实施例，传感器4也可以是模拟量传感器，例如位移传感器，此时不仅可以确定抽油杆3的上下运动的极限位置和行进方向，而且可以确定抽油杆在任何时刻的准确位置。

由于运动控制器和变频驱动器12设置在异步电机5与电网AC之间，因此，异步电机5是被运动控制器和变频驱动器12直接驱动的，而不是被电网AC直接驱动的。因此，异步电机5与电网AC电隔离，此时，任何可能的电污染和电冲击可被运动控制器和变频驱动器12吸收，而不会传导到电网。根据抽油机的工作状态，运动控制器和变频驱动器12为异步电机5计算出最佳的电压和频率，并根据该最佳的电压和频率驱动异步电机5。换言之，通过运动控制器和变频驱动器12，可提供具有所要求的电压和频率的交流电来驱动异步电机5。具体的控制方法可基于***的性能要求和***配置设计。下面，将给出三种典型的控制方法。

1）高性能设计：闭环电机速度控制

在该闭环电机速度控制方法中，需要将运动控制器和变频驱动器12的一个端口P8连接到异步电机5，用于实时获取异步电机5的转速信号，如图3所示。当然，该信号也可采集自电机所在轴上的任何其他位置，只要能够获得电机转速即可。此时，形成闭环电机速度控制策略。在这种情况下，建议使用高性能的变频电机，例如变频异步电机、变频同步电机、各种伺服电机等。

对于该闭环电机速度控制方法，根据一个示例性实施例，在向上的冲程中，精确地控制电机的速度，以在电效率与采油效率之间实现良好的平衡。

对于该闭环电机速度控制方法，根据另一个示例性实施例，在向下的冲程中，运动控制器和变频驱动器12通过控制向异步电机5输送的电的频率使电机转矩为0或最小化，或简单地将运动控制器和变频驱动器12的频率设为0Hz而切断向异步电机5的电输送。此时，在向下的冲程中实际上没有消耗任何电能或消耗非常小的电能，即，没有使用任何电能或使用非常小的电能来使***的抽油杆加速或制动该***。换言之，此时完全或主要依靠抽油杆的重力势能来完成抽油机的向下冲程。

这种闭环电机速度控制方法确保了最佳的能效，且对机械***扰动具有高的可靠性。

2）中等性能设计：闭环功率-频率控制

实际中，在大部分应用场合不需要精确的速度控制，真正重要的是电机的效率，该效率由功率与转子频率之间的配合情况决定。

在这种情况下，向上冲程的控制目标不再是电机的转速，而是向电机输送的电功率。由于是闭环控制，此时运动控制器和变频驱动器12仍需要从异步电机5或其他位置获取相应的反馈，例如编码器测量结果或转速估算结果。运动控制器和变频驱动器12基于上述反馈计算向异步电机5输送的最佳电功率，以匹配电机的转动。

根据一个优选实施例，在向上的冲程中，运动控制器和变频驱动器12使异步电机5始终工作在额定转差率下，即最大电能效率下。

根据一个优选实施例，在向下的冲程中，使电机始终工作在0转差率下，即最小化电功率输出。

除了可使用高性能电机以外，也可选择普通的感应电机，而不会明显地影响***性能。而且，这种控制方法降低了对运动控制器和变频驱动器12的要求，因为此时使用简单的恒压频比控制就能够实现该控制过程。

3）低性能设计：开环功率-频率控制

根据抽油机的具体工作条件、期望的控制目标等因素，为向上的冲程和向下的冲程分别离线指定从运动控制器和变频驱动器12输出的功率特性，以使异步电机5按照预先指定的功率特性工作。因此，在这种情况下，需要预留大的功率余量来应对意外的干扰。相比前两种控制方法，该开环功率-频率控制方法的性能和可靠性相对较差些，但仍比现有的***具有很大的优势，而且不需要从异步电机5或其他位置处接收任何反馈，同时降低了对运动控制器和变频驱动器12的要求，节省了***的硬件成本。

对于本领域的技术人员来说，显然，上面给出的三种控制方法仅是示例性的，而非限制性的。本领域的技术人员根据具体情况完全可以采用其他任何合适的控制方法，例如，向上的冲程采用闭环功率-频率控制，而向下的冲程采用开环功率-频率控制。

当运动控制器和变频驱动器12控制和驱动异步电机5运行时，显然还应使二次控制液压单元1的操作适配异步电机5的运行，为此，运动控制器和变频驱动器12还应为二次控制液压单元1提供相应的控制信号。

为了验证根据本发明的控制***和控制方法的有效性，经过模拟仿真验证。***配置基于中等性能设计。验证结果如图4所示。

图4示出了现有方法与根据本发明的方法在一分钟时长内的电机转速比较，其中，虚线表示的是现有方法的电机转速，实线表示的是根据本发明的方法的电机转速。从图4中可以看出，在相同的硬件配置（即，具有相同的电机、泵、油缸、飞轮）和负载条件下，本发明的方法可在一分钟内完成6个工作循环，而现有的方法仅能完成4个工作循环。这种工作节奏的加快意味着电机具有更高的效率和更平稳的势能循环利用。传统方法的鱼翅形曲线（虚线）表明，电机转速以非线性的较慢速率变化，因为需要消耗额外的能量使电机减速，而根据本发明的方法的锯齿形曲线（实线）表明没有消耗额外的能量来使电机减速。而且，根据本发明的方法的速度变化（或动能涨落）大于现有方法的速度变化（或动能涨落），这种速度变化意味着飞轮的转动势能的变化情况，变化越大意味着飞轮收集和释放越多的势能，从而提高了抽油机的能效。

从以上描述可以看出，根据本发明的***和方法可在不需要电机输出功率时切断或最小化向电机的电输送，且可在合适的时刻再启动电机。而且，可根据电机的工作状态向电机输送具有合适频率的交流电，以确保电机始终高效地工作。此外，使电机与电网电隔离，以防止由于可能的载荷变化对电网造成冲击。

而且，需要指出的是，通过使用运动控制器和变频驱动器，除了可使用三相异步电机以外，还可以使用其他任何合适的电机，例如，诸如磁阻电机的同步电机等。作为一个例子，所述异步电机可以为滑差电机。

对于本领域的技术人员而言，本发明的其他优点和替代性实施方式是显而易见的。因此，本发明就其更宽泛的意义而言并不局限于所示和所述的具体细节、代表性结构和示例性实施例。相反，本领域的技术人员可以在不脱离本发明的基本精神和范围的情况下进行各种修改和替代。

Claims (10)

1.一种液压式抽油机的运行控制***，包括：

电机，其用于为液压式抽油机提供驱动动力，且传动连接到势能蓄能器；

传感器，其至少能够确定液压式抽油机的抽油杆的上下运动的极限位置和行进方向；以及

运动控制器和变频驱动器，其设置在为液压式抽油机提供电能的供电装置与电机之间，以能够变频的方式驱动和控制电机的运行，并为二次控制液压单元提供控制信号，而且所述运动控制器和变频驱动器具有与传感器连接的用于接收传感器的信号的第一输入端口并至少能够根据由传感器提供的信号控制电机和二次控制液压单元的运行。

2.如权利要求1所述的运行控制***，其特征在于，所述运动控制器和变频驱动器还具有用于接收能够反映电机的运行状态的反馈信号的第二输入端口。

3.如权利要求1或2所述的运行控制***，其特征在于，所述电机是异步电机或同步电机。

4.一种利用权利要求1所述的运行控制***控制液压式抽油机的运行的方法，其特征在于，所述运动控制器和变频驱动器至少根据由传感器提供的信号以能够变频的方式控制电机和二次控制液压单元的运行。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述运动控制器和变频驱动器还具有用于接收能够反映电机的运行状态的反馈信号的第二输入端口，且所述运动控制器和变频驱动器根据由传感器提供的信号以及该反馈信号控制电机和二次控制液压单元的运行。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，

在抽油杆向上运动的冲程中，所述运动控制器和变频驱动器根据反馈的电机转速信号基于闭环电机速度控制策略以电机转速为控制目标控制电机的运行；和/或

在抽油杆向下运动的冲程中，所述运动控制器和变频驱动器通过控制向电机输送的电的频率使电机转矩为0或最小化，或简单地切断向电机的电输送。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在抽油杆向上运动的冲程以及向下运动的冲程中，所述运动控制器和变频驱动器根据反馈信号基于闭环功率-频率控制策略以向电机高效输送的功率为控制目标控制电机的运行。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，

在抽油杆向上运动的冲程中，所述运动控制器和变频驱动器使电机工作在额定转差率下；和/或

在抽油杆向下运动的冲程中，所述运动控制器和变频驱动器使电机工作在0转差率下。

9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述反馈信号为电机编码器测量结果或电机速度估算结果。

10.如权利要求4所述的方法，其特征在于，分别为抽油杆向上运动的冲程和向下运动的冲程离线指定从运动控制器和变频驱动器期望输出的功率特性并将该功率特性储存在所述运动控制器和变频驱动器中，当抽油机工作时，所述运动控制器和变频驱动器根据由传感器提供的信号基于所述储存的功率特性来控制电机的运行。