CN103984300B

CN103984300B - 一种抽油机变频节能方法

Info

Publication number: CN103984300B
Application number: CN201410173596.5A
Authority: CN
Inventors: 刘曙光; 赵文谱
Original assignee: Anhui Dorje Electric Applicance Co Ltd
Current assignee: Anhui Dorje Electric Applicance Co Ltd
Priority date: 2014-04-28
Filing date: 2014-04-28
Publication date: 2017-01-25
Anticipated expiration: 2034-04-28
Also published as: CN103984300A

Abstract

本发明公开了一种抽油机变频节能方法，包括如下步骤：开启设备后，初始化***并进行抽油机的平衡度调节；判断抽油机处于工频工作模式还是变频工作模式；在变频工作模式下判断变频器是否存在故障，没有故障，则对抽油机进行冲次调节模式的判断；在自动冲次调节模式下采集示功图数据并由示功图判断抽油机是否存在故障；如果抽油机不存在故障，则判断抽油机是否需要间抽控制；如果不需要间抽控制，对抽油机进行冲次自动调节。本发明的抽油机变频节能方法，具有可根据抽油机的工况进行平衡度、最佳工作冲次、最佳间抽方式的调整、使得抽油机能够保持高效低能耗的状态、解决抽油机在运行过程中的高耗能、低效率的问题等优点。

Description

一种抽油机变频节能方法

技术领域

本发明涉及一种抽油机的节能方法，尤其是一种抽油机变频节能方法。

背景技术

我国许多油田开采逐渐进入中后期，井下供液逐渐不足，泵效逐渐降低，“半抽”和“空抽”现象严重，加之平衡度调节不合理，使机、井参数失配，造成“大马拉小车”现象。抽油机的运行效率特别低，在我国平均效率为25.96%，而国外的平均水平为30.05%。油田在保证能源供给的同时也消耗了大量电能，这其中仅抽油机消耗的电能就超过了油田总耗电量的40%，是典型的“以能耗换能源”的粗犷生产方式。随着国家“节能减排”举措的推进，如何降低占据油田大半江山的游梁式抽油机的能耗，便成为了当前各大油田亟待解决的问题。

发明内容

本发明是为避免上述已有技术中存在的不足之处，提供一种抽油机变频节能方法，以解决抽油机在运行过程中的高耗能、低效率的问题。

本发明为解决技术问题采用以下技术方案。

一种抽油机变频节能方法，其特点是，包括如下步骤（如图4所示）：

步骤1：开启设备后，进行抽油机控制***的初始化，进行抽油机的平衡度调节；

步骤2：判断抽油机处于工频工作模式还是变频工作模式；如果处于工频工作模式，则保持抽油机处于工频工作模式的工作状态；如果抽油机处于变频工作模式，则判断变频器是否存在故障；

步骤3：如果变频器存在故障，则将抽油机调整到工频工作模式，并保持抽油机处于工频工作模式的工作状态；如果变频器没有故障，则进入步骤4；

步骤4：判断抽油机是处于自动冲次调节模式还是处于手动冲次调节模式；如果抽油机是处于手动冲次调节模式，则由工作人员手动进行抽油机的冲次调节；如果抽油机是处于自动冲次调节模式，则进入步骤5；

步骤5：抽油机控制***进行抽油机示功图数据的采集，根据采集示功图数据获得示功图，然后对获得的示功图的形状特征进行分析，判断抽油机是否存在故障；

步骤6：如果抽油机存在故障，则对抽油机进行故障处理；如果抽油机不存在故障，则判断抽油机是否需要间抽控制；如果需要间抽控制，则由抽油机控制***对抽油机进行间抽控制；如果不需要间抽控制，则进入步骤7；

步骤7：由抽油机控制***对抽油机进行冲次自动调节。

如图5所示，在所述步骤1中，所述抽油机的平衡度调节过程包括如下步骤：

步骤101：判断平衡度是否被锁定，如果平衡度被锁定，则结束调节流程；如果平衡度没有被锁定，则进入步骤102；

步骤102：计算抽油机的平衡度，平衡度=下冲程峰值功率/上冲程峰值功率；

步骤103：判断抽油机的平衡度是否小于80%；如果抽油机的平衡度小于80%，则将用于调平衡的小电机带动丝杠向大调整一个步长，来增大平衡度的值；如果抽油机的平衡度不小于80%，则进入步骤104；

步骤104：判断抽油机的平衡度是否大于110%；如果抽油机的平衡度大于110%，则将用于调平衡的小电机带动丝杠向小调整一个步长，来减小平衡度的值；

步骤105：判断是否要结束平衡度的调整流程；如果不是，则返回步骤1；如果是，则结束调节流程。

如图6所示，在所述步骤6中，所述间抽控制的过程包括如下步骤：

步骤601：抽油机控制***首次投入生产运行时，首先设定参数：人工设定满抽面积、停抽面积S_t、停抽时长T_s和抽油时长C_s；

步骤602：抽油机开始工作后，采集抽油机示功图数据并对数据进行分析；

步骤603：抽油机开始抽油工作后，将第一个10分钟内的示功图面积平均值与人工设定满抽面积相比较；如果≥*90%，则在下个抽停周期将抽油时长C_s增大，将停抽时长T_s减小，同时返回步骤1并更新参数抽油时长C_s和停抽时长T_s；如果＜*90%，则进入步骤604；

步骤604：如果≤*70%，则在下个抽停周期将抽油时长C_s减小，将停抽时长T_s增大，同时返回步骤1并更新参数抽油时长C_s和停抽时长T_s；如果＞*70%，则保持参数抽油时长C_s和停抽时长T_s不变。

在所述步骤602中，采集抽油机示功图数据并对数据进行分析后，还包括判断人工设定满抽面积、停抽面积S_t是否需要更新的步骤；如果需要更新人工设定满抽面积、停抽面积S_t，则对人工设定满抽面积、停抽面积S_t进行更新后返回步骤1，进行人工设定满抽面积、停抽面积S_t的重新设定；如果不需要更新，则保持参数人工设定满抽面积、停抽面积S_t不变。

在所述步骤7中，所述冲次自动调节的方法为：根据示功图确定驱动抽油机主电机变频器的最佳频率值，驱动主电机实现冲次调节；

（1）

上式（1）中，为第i次控制频率的计算值，Si为第i次控制频率时示功图的面积，Si-1为第i-1次控制频率时示功图的面积；上限频率是变频器允许工作的最高频率，下限频率是变频器允许工作的最低频率，设定上限频率和下限频率，能够自动保证输出频率不高于上限频率，不低于下限频率。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

本发明的高效的抽油机变频节能方法，具有以下几个特点：

（1）具备油井参数、电参数的实时采集和传输功能；

（2）具备接收上位机指令，实现抽油机远程启停，语音提示和报警功能；

（3）具备显示功能。具有平衡度显示和当前冲次显示功能；

（4）具备抽油机平衡度的自动判定及调整功能。自动监测并实时显示抽油机的平衡状况，可手动或自动将抽油机调整到最佳的平衡状况，降低峰值电流，达到保护减速器和节能的目的；

（5）具备抽油机最佳工作冲次的自动判定及调整功能。实时显示抽油机的冲次。既可以手动无级调节冲次，也可以根据油井产液量大小，自动确定最佳冲次，在保证产液量的情况下，将冲次调整到最小，达到最佳节能效果；

（6）具备抽油机的智能间抽功能。对于间抽井，既能人工设定间抽制度，也能根据油井产液量变化趋势，自动制定最佳间抽制度，实现“有油就抽，无油就停”功能，在保证产液量的前提下，实现间抽井的有效节能；

（7）具备工频/变频自动切换功能。当变频器出现故障时，能自动切换到工频模式运行；

（8）具备软启动和过载保护功能。能有效降低启动惯性载荷，并结合最佳平衡度判定和调节技术，使抽油机的装机功率普降一档，大幅降低井场电网容量。

本发明的高效的抽油机变频节能方法，具有可根据抽油机的工况进行平衡度、最佳工作冲次、最佳间抽方式的调整、使得抽油机能够保持高效低能耗的状态、解决抽油机在运行过程中的高耗能、低效率的问题等优点。

附图说明

图1为本发明中高效的抽油机变频节能方法的井场控制方案的示意图。

图2为本发明中高效的抽油机变频节能方法的井口控制方案的示意图。

图3为本发明中高效的抽油机变频节能方法的抽油机的RTU硬件组成图。

图4为本发明中高效的抽油机变频节能方法的抽油机控制流程图。

图5为本发明中高效的抽油机变频节能方法的平衡度自动调节流程图。

图6为本发明中高效的抽油机变频节能方法的间抽控制流程图。

以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明作进一步说明。

具体实施方式

参见图1～图6，一种抽油机变频节能方法，如图4所示，包括如下步骤：

步骤7：由抽油机控制***对抽油机进行冲次自动调节。

（1）

本发明依托节能控制器，提供了一种高效的抽油机变频节能方法。节能控制器能够将机、井等实时参数进行汇总处理并控制采油设备，实现机、井参数匹配，达到最优控制。在实际应用中，节能控制器往往配合远程监控***，构成抽油机智能节能控制***，并且具有遥控、遥信、遥调、遥测等“四遥”功能（见图1）。

本发明将井口设计为主从式（见图2），在每个井口安装智能抽油机变频控制柜一台，主要完成抽油机单井参数的采集和抽油机的智能控制，然后将数据上传至RTU，RTU通过无线网桥将各单井数据上传至监控平台，除参数采集外，井场还设有视频监控，具备智能视频监控报警功能和移动目标闯入自动报警功能。监控平台主要结合监控组态软件和功图智能工况诊断以及功图量油***实现油井作业的远程监控和远程管理。

如图1，井场的控制***中，包括生产监控平台、视频监控平台、办公电脑、交换机、无线网桥、井场智能视频监控装置、井场主RTU、智能抽油机变频控制柜和抽油机等设备。抽油机的主电机拖动四连杆机构抽油机做周期机械运动，将原油抽汲到地面。与此同时，各类传感器将抽油机运行参数传至RTU，由RTU完成示功图数据的采集与处理，并计算出抽油机的平衡度、最佳冲次及间抽控制策略，最后通过驱动设备完成抽油机工况的动态调节。抽油机与后台的参数交换通过GPRS实现。

以智能抽油机变频控制柜为控制核心的抽油机单井作业示意图如图2所示。智能抽油机变频控制柜内设RTU和变频器。RTU通过井口温度传感器和压力传感器获取井口的参数，通过编码器获取抽油机主电机的参数。变频器通过MODBUS协议从RTU接收主电机最佳运行频率值并更新寄存器中的相应区块，然后以此频率值驱动抽油机主电机运行。抽油机主电机拖动四连杆结构做周期机械运动，带动抽油泵完成抽汲周期，将原油抽汲到地面。在抽油机运行过程中，角位移传感器、载荷传感器、井口温度、流量、压力传感器、三相电参数采集模块等将感知到的物理信号调理为电信号传回RTU。在RTU中通过对悬点位移信号和载荷信号的分析完成示功图数据的采集与处理，通过节能控制算法计算出抽油机的最佳冲次或间抽控制策略，然后通过变频器驱动抽油机主电机；通过对抽油机主电机电参数的分析完成抽油机平衡度的计算，然后通过控制调平衡小电机完成抽油机平衡度的调节。抽油机运行参数、示功图参数、远端控制参数的双向传输通过安装于智能控制柜内的GPRS无线通信模块实现。

RTU作为抽油机的远程测控终端的硬件连接图见图3所示，一方面，负责抽油机三相电参数、主电机和调平衡小电机电流、示功图数据及其它传感器参数的采集并实现与上位机的远程通信。另一方面，将实时采集到的工况数据通过主控芯片DSPIC33FJ256MC710的片内DSP引擎完成算法的处理并通过片内MCU单元对变频器等外部设备进行参数控制，最终实现抽油机的冲次自动调节、智能间抽控制和平衡度自动调节。

数字化抽油机节能控制***的硬件设备主要包括用作主控制器的智能远程测控终端（RTU），用于示功图数据采集的载荷传感器和角位移传感器，用于采集抽油机电参数的三相电参数采集模块，用于限定抽油机冲程的限位开关，用于启停机提示和故障报警的语音模块，用于向测控设备供电的开关电源，用于冲次和平衡度显示的数码管以及进线熔断器、浪涌保护器、加热器、交流接触器、断路器、选择开关、按钮和进出线接线端子等附属元器件。

***采用主控制器与变频器组合的方式控制抽油机，当变频器故障时能自动切换至工频模式，具有结构清晰，可靠性高，功能强大，应用灵活，操作方便等优点。主控制器能够对采集到的示功图数据进行智能分析并控制抽油机运行参数，使抽油机与油井参数保持动态匹配，始终处于最佳运行状态，并且能够配合上位机监控组态软件和油气工艺研究院的功图智能工况诊断和功图量油***实现油量计量、故障诊断和智能控制等。

***启动并初始化后，平衡度调节与冲次调节并行进行。平衡度调节分为手动调节和自动调节两种模式。冲次调节也有自动调节和手动调节两种模式，根据变频器是否参与冲次调节，冲次自动调节又有工频模式和变频模式之分，变频模式下，如果变频器出现故障，则自动切换至工频模式下运行。***运行中，实时采集抽油机示功图数据，通过分析示功图形状特征来识别抽油机故障（略）。冲次自动调节模式下，如果泵效过低，需要间抽，则通过分析示功图面积来制定间抽控制策略；如果不需要间抽，则根据示功图面积来确定控制抽油机主电机的变频器的最佳输出频率，自动调节抽油机冲次。

本发明的高效的抽油机变频节能方法具有以下几个方面的特点。

（1）自动调平衡。抽油机平衡度为下冲程峰值功率与上冲程峰值功率之比，平衡度在80%～110%之间时认为抽油机平衡度合格，否则判定抽油机平衡度为不合格；

如果平衡度没有被锁定，则根据功率法来判断抽油机的平衡度。如果平衡度小于80%，即平衡度过低时，通过调平衡小电机带动丝杠向大调整一个步长来增大平衡度值。同样，如果平衡度大于110%，即平衡度过高时，反向调整一个步长来减小平衡度，之后再做平衡度的计算，直至抽油机的平衡度达到最佳状态（见图4）。

（2）自动调冲次。根据示功图确定驱动抽油机主电机变频器的最佳频率值，驱动主电机实现冲次调节。

式中，为第i次控制频率的计算值，上限频率是变频器允许工作的最高频率，下限频率是变频器允许工作的最低频率，设定上限频率和下限频率，能够自动保证输出频率不高于上限频率，不低于下限频率；

（3）智能间歇控制。随着泵抽时间的延续，井下供液速度赶不上抽油机的抽汲速度，动液面逐渐下降，泵效逐渐降低，示功图变得干瘪，面积减小，油井供液已经严重不足，开始产生“空抽”现象。智能间抽控制，即：有油就抽，无油就停机。

控制***首次投入生产运行时，根据油田实际生产资料，由人工设定满抽面积、停抽面积、停抽时长和抽油时长四个参数，如设定满抽面积为，停抽面积为，停抽时长为2小时，抽油时长为1小时。起抽后，将第一个10分钟内的示功图面积平均值与满抽面积比较，若大于或等于满抽面积的90%，则在下个抽停周期将抽油时长增大，将停抽时长减小；若小于或等于满抽面积的70%，则在下个抽停周期将抽油时长减小，将停抽时长增大；若大于70%而小于满抽面积的90%，则维持原参数不变。此后，每10分钟进行一次示功图平均面积的计算，作为实测示功图面积S，当时，则停抽，待停抽时长结束后，重新开机起抽。

在每10分钟计算示功图面积的过程中，如果出现面积之差连续2个小时以上的变化均在10%以内时，即认为找到了新的停抽面积，以此更新数据。如果每次开机初期的10分钟示功图面积的平均值连续两个小时以上均大于或等于满抽面积的110%时，即认为找到了新的满抽面积，以此更新数据。至此，数据、、和得到了动态更新（见图5）。

（4）基于示功图分析的故障诊断。抽油机的示功图中蕴含了丰富的工况信息，通过分析示功图可以判断抽油机工作状况和井下工况，具体工作时本***可依据示功图判断出18种典型工况。

Claims

1.一种抽油机变频节能方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤7：由抽油机控制***对抽油机进行冲次自动调节；

（1）

2.根据权利要求1所述的一种抽油机变频节能方法，其特征是，在所述步骤1中，所述抽油机的平衡度调节过程包括如下步骤：

3.根据权利要求1所述的一种抽油机变频节能方法，其特征是，在所述步骤6中，所述间抽控制的过程包括如下步骤：

4.根据权利要求3所述的一种抽油机变频节能方法，其特征是，在所述步骤602中，采集抽油机示功图数据并对数据进行分析后，还包括判断人工设定满抽面积、停抽面积S_t是否需要更新的步骤；如果需要更新人工设定满抽面积、停抽面积S_t，则对人工设定满抽面积、停抽面积S_t进行更新后返回步骤1，进行人工设定满抽面积、停抽面积S_t的重新设定；如果不需要更新，则保持参数人工设定满抽面积、停抽面积S_t不变。