CN106894797A - 一种抽油机曲柄摆动控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抽油机曲柄摆动控制装置及方法，包括依次电连接的控制器、变频装置、电动机和抽油机，所述电动机上连接有转速传感器和电参采集模块，所述抽油机上连接有载荷传感器、位移传感器以及曲柄位置传感器，所述转速传感器、电参采集模块、载荷传感器、位移传感器以及曲柄位置传感器均连接至控制器。本发明通过控制抽油机曲柄摆动，实现油井间抽控制，使抽油机工作制度处于最佳工作状态。

Description

一种抽油机曲柄摆动控制装置及方法

技术领域

本发明属于机采***数字化设备领域，具体涉及一种抽油机曲柄摆动控制装置及方法。

背景技术

对于低产低效井，采用油井远程自动间抽控制存在一定问题：一是液面波动较大，影响产量。目前间抽井动液面波动范围一般控制在100～200米，经过现场试验，影响产量在10％以内，动液面波动范围控制越小产量影响越小。二是易造成井筒结蜡过载卡井，抽油杆上下往复运动防止油管内结蜡，油井抽吸的过程也是刮蜡的过程，停抽后容易在油管内壁结蜡。三是存在安全隐患，抽油机停止工作再次启动时，设备自动运转容易造成人员和牲畜的伤害。

发明内容

本发明的目的在于提供一种抽油机曲柄摆动控制装置及方法，以克服现有技术中的问题，避免液面波动范围大、起到一定的刮蜡和安全警示作用，本发明通过控制抽油机曲柄摆动，实现油井间抽控制，使抽油机工作制度处于最佳工作状态。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种抽油机曲柄摆动控制装置，包括依次电连接的控制器、变频装置、电动机和抽油机，所述电动机上连接有转速传感器和电参采集模块，所述抽油机上连接有载荷传感器、位移传感器以及曲柄位置传感器，所述转速传感器、电参采集模块、载荷传感器、位移传感器以及曲柄位置传感器均连接至控制器。

进一步地，所述载荷传感器安装于抽油机的悬绳器和方卡子之间，当抽油机运动时传感器承受抽油机悬点载荷，造成内部应变片发生变形，最终转化成为抽油机光杆的载荷变化。

进一步地，所述位移传感器安装于抽油机的游梁下方。

进一步地，所述曲柄位置传感器安装于抽油机的曲柄位置上。

进一步地，所述转速传感器、载荷传感器、位移传感器和曲柄位置传感器与控制器之间均通过无线传输数据。

一种抽油机曲柄摆动控制方法，包括以下步骤：

步骤一：通过载荷传感器、位移传感器以及曲柄位置传感器采集抽油机载荷、位移及曲柄位置数据，同时通过转速传感器和电参采集模块采集电动机转速和电参数据，实现对抽油机运转状态监控；

步骤二：控制器根据步骤一所测参数进行分析计算，自适应调整曲柄摆动的工作制度，计算电机运行及停止时间、电机转速、转速分布和电流频率分布，并将计算得到的参数发送给变频装置；

步骤三：变频装置控制电动机运行，进而控制抽油机曲柄摆动。

进一步地，步骤二中具体包括：

(a)通过载荷及位移数据得到载荷与时间、位移与时间曲线，进而得到井口光杆示功图，根据光杆示功图得到该井的冲程损失，冲程损失大小即为光杆运动长度，满足抽油杆上下运动而抽油泵停止工作，由光杆运动长度折算到曲柄最大摆动幅度，初步确定曲柄摆动位置和曲柄摆动幅度；有一个明显摆动迹象的角度<曲柄摆动幅度<冲程损失折算曲柄摆动角度；

(b)控制器根据曲柄摆动位置和曲柄摆动幅度以及实时采集的曲柄位置数据，给变频器发送指令，控制电机转速和驱动时间，实现曲柄摆动初步控制；

(c)在摆动过程中，控制器通过采集电参数据计算电动机功率，并根据摆动过程中功率最小值得到曲柄最佳驱动位置，然后折算到电机运行及停止时间、电机转速、转速分布和电流频率分布，并将计算得到的参数发送给变频装置，确保能耗最小，仅为正常运行的10-15％。

进一步地，每个冲程周期内等时间间隔测取数据组点数不少于200个。

进一步地，步骤(a)中初步确定曲柄摆动位置为上死点位置。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明装置为实现精准的摆动运行，对电机转速、曲柄位置和运行电参进行同步采集，通过电机转速传感器、曲柄位置传感器和电参采集模块来实现对运行状态的信号采集，同时采用控制器对整周运行与摆动运行切换控制，在摆动运行时对运行功率、速度的分布进行计算，根据摆动运行设计通过变频器进实时调整运行速度，通过能耗对比找到曲柄摆动幅度及最佳驱动位置，实现最小的能耗控制曲柄摆动，避免常规油井间抽过程中，由于停井带来的油井液面波动、井筒结蜡和安全隐患问题等。

本发明方法应用曲柄摆动控制代替常规间抽中停机等待的过程，很好的避免了停井带来的井筒结蜡和安全隐患问题，实现了井场自动、安全、无人值守间抽运行，解决了现场人工间抽管理难度大、费时费力的问题，另外地面不停机井下间歇采油，能够根据油井液面恢复速度确定和调整运行参数，停泵时间短，根据功图充满度闭环控制电机运行速度，实现抽油机不停机间抽运行，所采用***具备工频和变频两种控制模式，且可实现工频和变频之间自动切换，设备损坏不影响正常生产。

附图说明

图1为本发明控制方法示意图；

图2为本发明控制装置的结构示意图；

图3为本发明控制装置的详细结构示意图；

图4为曲柄摆动角度计算流程图；

图5为最佳驱动位置计算流程图；

图6为冲程损失折算曲柄摆动幅度示意图；

图7为电参数据曲线图；

图8为曲柄运行与时间关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

参见图1至图3，抽油机曲柄摆动控制装置包括电动机转速传感器和电参采集模块，抽油机载荷传感器、位移传感器和曲柄位置传感器，以及变频装置和RTU控制器。

载荷传感器、位移传感器、曲柄位置传感器等采集抽油机载荷、位移、曲柄位置数据，电机转速传感器、电参采集模块同时同步采集电动机转速和电参数据，实现对抽油机运转状态监控。

RTU控制器是抽油机不停机间抽控制的大脑中枢，RTU根据这些采集参数进行分析计算，自适应调整抽油机正常运行和不停机曲柄摆动的工作制度，计算电机运行及停止时间、电机转速和电源频率分布。实现对抽油机运行参数的采集、智能分析及参数调整。

变频器是实现变频调速的主要部件,接收RTU发送的控制指令，通过控制电源频率、工作时间从而控制电机转速实现不停机间抽功能，变频调速技术可实现电机软启动,对电网无冲击。具有过电压保护、欠电压保护、过电流保护、电机过载保护、变频器过热保护和外部故障保护等保护功能。

本发明采集抽油机载荷、位移、曲柄位置数据，同时同步采集电动机转速和电参数据，实现对抽油机运转状态监控，控制器根据这些参数进行分析计算，自适应调整曲柄摆动的工作制度，计算电机运行及停止时间、电机转速、转速ω分布和电流频率f分布。并将参数发送给变频装置，变频装置通过控制电流频率、工作时间等控制电机运行，达到控制曲柄摆动的目的。具体过程如下：

1.通过安装在井口悬绳器上的载荷传感器和游梁下方的位移传感器，对抽油机井抽油杆载荷和位移进行测量，采集载荷与时间、位移与时间曲线，一个冲程周期内等时间间隔测取数据组点数不少于200个。采集数据发送至控制器，通过控制器RTU计算获得井口光杆示功图，根据光杆示功图可以得到该井的冲程损失，冲程损失等于抽油杆和油管的变形量之和，冲程损失大小即为光杆运动长度，该长度满足抽油杆上下运动而抽油泵停止工作。再由光杆运动长度折算到曲柄摆动幅度，初步确定摆动位置为上死点位置和曲柄摆动幅度。

2.在抽油机曲柄位置安装曲柄位置传感器，同步采集曲柄位置，通过无线传输模块将数据发送至控制器RTU。已知摆动位置为上死点位置和曲柄摆动幅度，RTU根据实时采集曲柄位置数据，给变频器发送指令，控制电机转速和驱动时间，实现曲柄摆动初步控制。在电机轴输出端安装转速传感器，同步采集电机输出轴转速，反馈给控制器RTU。

3.还安装有电能采集模块，在摆动过程中，通过电压和电流采集电路对抽油机电机的三相电流、电压进行同步采集，采集电参数据发送至三相电能质量分析芯片计算电机功率，并将数据发送至控制器RTU，RTU对比寻找摆动过程中功率最小值，确定出最佳驱动位置，最终折算到电机运行及停止时间、电机转速、转速ω分布和电流频率f分布。并将参数发送给变频装置，变频装置通过控制电流频率、工作时间等控制电机运行，达到控制曲柄摆动的目的。

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明：

参见图4，为实现精准的摆动运行，对电动机转速、曲柄位置和运行电参进行同步采集，通过电参采集模块、电机转速传感器、曲柄位置传感器来实现对运行状态的信号采集，同时智能控制器对整周运行与摆动运行切换控制，在摆动运行时对运行功率、速度的分布进行计算，根据摆动运行设计通过变频器进实时调整运行速度。

参见图6，首先根据光杆示功图计算油井的冲程损失，再根据冲程损失折算曲柄摆动角度。如一个周期实际冲程是2.5m，冲程损失为0.5m，冲程损失大小即为光杆运动长度，则光杆运动长度不得大于0.5m，只有抽油杆在该长度下运动才能满足抽油泵停止工作。光杆示功图代表一个冲程，包括上冲程和下冲程，一个冲程对应光杆运行5m，曲柄旋转一周360度，冲程损失0.5m对应光杆运行0.5m，曲柄单向最大摆动角度为36度。

参见图7，通过电参采集模块中的电压和电流采集电路对抽油机电动机的三相电流、电压进行同步采集，采集电参数据发送至三相电能质量分析芯片计算电机功率，对比寻找摆动过程中功率最小值，一般出现在上死点位置，初步确定摆动位置为上死点位置和曲柄摆动幅度。

参见图5，按初步确定摆动位置为上死点位置和曲柄摆动幅度，折算电机运行转速和运行及停止时间。由于每口井平衡状态不同，摆动过程中的最小功率值点不一定在上死点位置，需要进一步精确判断，再对比摆动过程中功率最小值点，因此确定出最佳驱动位置。

最终折算到电机运行及停止时间、电机转速、转速ω分布和电流频率f分布。并将参数发送给变频装置，变频装置通过控制电流频率、工作时间等控制电机运行，达到控制曲柄摆动的目的。

变频器控制三相异步电机实际转速的原理如式(1)所示：

n＝(1-s)60f/p (1)

式1中，s为三相异步电机的转差率，p为电机的磁极对数，f为电动机定子电源频率，当p一定时，在转差率的浮动不大的情况下，对f进行调节，n与其的变化成正相关变化。

运行制度是以满足动液面波动范围小，对产量影响最小为目标，结合实时采集的功图数据，根据功图充满度，进行短周期控制。如图8所示，当时间从0到t₁时，为曲柄整周运行阶段，电机加速运行到转速为额定转速后开始减速到0，时间从t₁到t₂时，为曲柄摆动运行阶段，电机开始加速达到某一设定值后减速，电机反转开始加速达到某一设定值后减速，如此反复。到达t₂时刻开始下一个周期运转。

整周运行：采用电机额定转速，确保电机效率最高。

摆动运行：曲柄摆动运行时，控制目标为能耗最小，即通过控制曲柄摆动角度和最佳摆动位置，确保***耗电量最低，同时要满足曲柄有明显摆动迹象。

Claims (9)

1.一种抽油机曲柄摆动控制装置，其特征在于，包括依次电连接的控制器、变频装置、电动机和抽油机，所述电动机上连接有用于采集电动机转速的转速传感器和用于采集电动机电参数据的电参采集模块，所述抽油机上连接有用于采集抽油机载荷数据的载荷传感器、用于采集抽油机位移数据的位移传感器以及用于采集抽油机曲柄位置数据的曲柄位置传感器，所述转速传感器、电参采集模块、载荷传感器、位移传感器以及曲柄位置传感器均连接至控制器。

2.根据权利要求1所述的一种抽油机曲柄摆动控制装置，其特征在于，所述载荷传感器安装于抽油机的悬绳器和方卡子之间。

3.根据权利要求1所述的一种抽油机曲柄摆动控制装置，其特征在于，所述位移传感器安装于抽油机的游梁下方。

4.根据权利要求1所述的一种抽油机曲柄摆动控制装置，其特征在于，所述曲柄位置传感器安装于抽油机的曲柄位置上。

5.根据权利要求1所述的一种抽油机曲柄摆动控制装置，其特征在于，所述转速传感器、载荷传感器、位移传感器和曲柄位置传感器与控制器之间均通过无线传输数据。

6.一种采用权利要求1所述装置的抽油机曲柄摆动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：通过载荷传感器、位移传感器以及曲柄位置传感器采集抽油机载荷、位移及曲柄位置数据，同时通过转速传感器和电参采集模块采集电动机转速和电参数据，实现对抽油机运转状态监控；

步骤二：控制器根据步骤一所测参数进行分析计算，自适应调整曲柄摆动的工作制度，计算电机运行及停止时间、电机转速、转速分布和电流频率分布，并将计算得到的参数发送给变频装置；

步骤三：变频装置控制电动机运行，进而控制抽油机曲柄摆动。

7.根据权利要求6所述的抽油机曲柄摆动控制方法，其特征在于，步骤二中具体包括：

(a)通过载荷及位移数据得到载荷与时间、位移与时间曲线，进而得到井口光杆示功图，根据光杆示功图得到该井的冲程损失，冲程损失大小即为光杆运动长度，由光杆运动长度折算到曲柄最大摆动幅度，初步确定曲柄摆动位置和曲柄摆动幅度；

(b)控制器根据曲柄摆动位置和曲柄摆动幅度以及实时采集的曲柄位置数据，给变频器发送指令，控制电机转速和驱动时间，实现曲柄摆动初步控制；

(c)在摆动过程中，控制器通过采集电参数据计算电动机功率，并根据摆动过程中功率最小值得到曲柄最佳驱动位置，然后折算到电机运行及停止时间、电机转速、转速分布和电流频率分布，并将计算得到的参数发送给变频装置。

8.根据权利要求7所述的抽油机曲柄摆动控制方法，其特征在于，每个冲程周期内等时间间隔测取数据组点数不少于200个。

9.根据权利要求7所述的抽油机曲柄摆动控制方法，其特征在于，步骤(a)中初步确定曲柄摆动位置为上死点位置。