智慧型節(jié)能抽油機(jī)及其自動(dòng)控制方法技術(shù)

一種智慧型節(jié)能抽油機(jī)，包括游梁、驢頭、尾梁、支架、底座、主電機(jī)、曲柄、連桿、懸繩器、智能控制柜和若干工況傳感器，其中，主電機(jī)采用低速恒轉(zhuǎn)矩永磁直驅(qū)電機(jī)，電機(jī)軸直接與曲柄連接，曲柄離心端通過(guò)連桿與游梁連接，在游梁上設(shè)置有外置式精調(diào)平衡裝置或內(nèi)置式精調(diào)平衡裝置，游梁的尾端設(shè)置有尾梁平衡裝置，在智能控制柜中設(shè)有電控單元和遠(yuǎn)程終端智能單元，遠(yuǎn)程終端智能單元與電控單元有線連接，遠(yuǎn)程終端智能單元與各工況傳感器無(wú)線連接。本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)智能自動(dòng)化程度高，功率因數(shù)高、平衡度調(diào)節(jié)精準(zhǔn)，節(jié)能效果好，較傳統(tǒng)游梁式抽油機(jī)可有效節(jié)能40%以上。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專(zhuān)利技術(shù)屬于抽油設(shè)備
，具體涉及一種智慧型節(jié)能抽油機(jī)及其自動(dòng)控制方法。
技術(shù)介紹
抽油機(jī)是油田主要耗能設(shè)備，目前油田中所使用的抽油機(jī)絕大部分是游梁式抽油機(jī)。這種抽油機(jī)由普通電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)多級(jí)減速箱并經(jīng)連桿和游梁作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。由于抽油機(jī)工作時(shí)是一種帶有沖擊性的周期交變負(fù)載，為保障運(yùn)行時(shí)有足夠的過(guò)載能力，往往采用最大容量的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，普遍存在“大馬拉小車(chē)”的問(wèn)題，且電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)需經(jīng)多級(jí)減速箱和連桿機(jī)構(gòu)輸出，需要消耗大量動(dòng)力，導(dǎo)致運(yùn)行效率和功率因數(shù)都很低，一般系統(tǒng)整體效率只有30%~40%。另外，游梁式抽油機(jī)工作時(shí)，因懸點(diǎn)載荷變化的不均勻性使得抽油機(jī)平衡效果差，導(dǎo)致磨損與能耗大、穩(wěn)定性差，為了減少這種載荷的不均勻性，游梁式抽油機(jī)普遍加裝了平衡裝置，部分抽油機(jī)安裝有平衡錘并固定在曲柄上，但這種方式的負(fù)荷和離心力較大，還有部分抽油機(jī)在游梁上安裝有平衡裝置或平衡配重，通過(guò)人工移動(dòng)配重物位置或人工加減配重物質(zhì)量改變平衡力矩來(lái)調(diào)節(jié)平衡，這兩種平衡方法或二者構(gòu)成的復(fù)合平衡，仍存在笨重且耗時(shí)耗力、平衡過(guò)輕或平衡過(guò)重導(dǎo)致調(diào)節(jié)范圍極為有限，平衡精度效果不佳和維護(hù)成本高的缺點(diǎn)，因此現(xiàn)有游梁式抽油機(jī)無(wú)法很好的適應(yīng)載荷的動(dòng)態(tài)變化，一般靠增大電動(dòng)機(jī)的輸出功率來(lái)彌補(bǔ)，這樣就增大了抽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的能耗，而且抽油機(jī)運(yùn)行時(shí)工況噪音巨大。另外，抽油機(jī)的智能自動(dòng)化控制水平也存在滯后缺陷，地面和井下情況無(wú)法實(shí)時(shí)并真實(shí)有效的納入智能控制系統(tǒng)，在油田生產(chǎn)復(fù)雜工況條件下存在明顯的局限性，特別是沖次和平衡不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)且無(wú)損耗或低損耗調(diào)整，平衡精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)載荷變化。如2015年7月15日公開(kāi)的公布號(hào)為CN104775792A的智能抽油機(jī)專(zhuān)利技術(shù)專(zhuān)利申請(qǐng)，該智能抽油機(jī)雖然實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)調(diào)整平衡度的功能，但是受其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和普通電機(jī)的限制，使該機(jī)的平衡度調(diào)節(jié)粗獷，不夠精準(zhǔn)，并且調(diào)節(jié)范圍有限。同時(shí)，該抽油機(jī)還存在電機(jī)功率因數(shù)小、傳動(dòng)鏈長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和能耗損失大的缺陷。且在油田抽油作業(yè)中，抽油桿輕微卡阻的情況時(shí)有發(fā)生，一旦出現(xiàn)抽油桿輕微卡阻，抽油桿下落速度慢于驢頭下落速度，則出現(xiàn)過(guò)平衡現(xiàn)象，將造成電機(jī)負(fù)載急劇加重，能耗極大，并且可能造成停機(jī)或電機(jī)燒毀，嚴(yán)重影響油田作業(yè)。我國(guó)油田抽油機(jī)現(xiàn)逾10萬(wàn)臺(tái)，年耗電量達(dá)數(shù)百億kW?h，年維護(hù)管理費(fèi)用也是一筆龐大消耗。因此針對(duì)我國(guó)油氣田開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀，為滿足數(shù)字化油田建設(shè)和節(jié)能降耗的需要，研制開(kāi)發(fā)高效節(jié)能的智慧型油田抽油機(jī)具有非常重要的意義。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專(zhuān)利技術(shù)的目的是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種功率因數(shù)高、節(jié)能效果好，智能控制自動(dòng)化程度高，能夠確保平衡度調(diào)節(jié)精確，并能有效降低操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理，提高抽油效率和設(shè)備使用壽命的智慧型節(jié)能抽油機(jī)。同時(shí)，本專(zhuān)利技術(shù)的另一目的是提供一種該智慧型節(jié)能抽油機(jī)的自動(dòng)控制方法，有效實(shí)現(xiàn)各平衡裝置的協(xié)同配合，使平衡度的調(diào)節(jié)更加快速便捷，精確性更高。為實(shí)現(xiàn)本專(zhuān)利技術(shù)的目的所采用的技術(shù)方案是：該智慧型節(jié)能抽油機(jī)包括游梁、驢頭、尾梁、支架、底座、主電機(jī)、曲柄、連桿、懸繩器、智能控制柜和若干工況傳感器，工況傳感器包括位于懸繩器上的載荷傳感器、位于游梁與支架連接處上部的角位移傳感器以及分別位于井口上的液位傳感器、壓力傳感器、流量變送器和溫濕度傳感器，在游梁的尾端設(shè)置有尾梁平衡裝置，該裝置包括裝配在尾梁本體上的尾梁配重箱和驅(qū)動(dòng)該配重箱移動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)設(shè)置在游梁上，通過(guò)萬(wàn)向聯(lián)軸器與設(shè)置在尾梁上的滑動(dòng)絲杠連接，通過(guò)該滑動(dòng)絲杠帶動(dòng)尾梁配重箱在尾梁上移動(dòng)，其特征在于：主電機(jī)采用低速恒轉(zhuǎn)矩永磁直驅(qū)電機(jī)，電機(jī)軸直接與曲柄連接，曲柄離心端通過(guò)連桿與游梁連接，在游梁上設(shè)置有外置式精調(diào)平衡裝置或內(nèi)置式精調(diào)平衡裝置，在智能控制柜中設(shè)有電控單元和遠(yuǎn)程終端智能單元，遠(yuǎn)程終端智能單元與電控單元有線連接，遠(yuǎn)程終端智能單元與各工況傳感器無(wú)線連接。所述外置式精調(diào)平衡裝置位于結(jié)構(gòu)為工字鋼的游梁頂部，該裝置包括由左向右依次設(shè)在游梁頂部的伺服電機(jī)、左支座和右支座，左支座和右支座之間設(shè)有與游梁平行的絲杠，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)該絲杠旋轉(zhuǎn)，在絲杠上穿設(shè)有與其螺紋配合連接的精調(diào)配重箱，該配重箱的垂直截面呈倒U型結(jié)構(gòu)，騎跨在游梁上，并設(shè)有沿游梁上表面滾動(dòng)的左、右滾輪，箱內(nèi)盛裝有精調(diào)配重塊。所述內(nèi)置式平衡精調(diào)裝置位于結(jié)構(gòu)為矩形筒體的游梁體內(nèi)，該裝置包括由左向右依次設(shè)在游梁體內(nèi)的伺服電機(jī)、左支座和右支座，左支座和右支座之間設(shè)有與游梁平行的絲杠，該絲杠與伺服電機(jī)連接，絲杠上穿裝有與其螺紋配合連接的精調(diào)配重鉛塊。所述電控單元包括變壓器、主驅(qū)動(dòng)模塊和平衡驅(qū)動(dòng)模塊，其中，主驅(qū)動(dòng)模塊與抽油機(jī)的主電機(jī)導(dǎo)線連接，平衡驅(qū)動(dòng)模塊分別與尾梁平衡裝置和精調(diào)平衡裝置導(dǎo)線連接，變壓器與遠(yuǎn)程終端智能單元導(dǎo)線連接，所述主驅(qū)動(dòng)模塊，包括斷路器、電力監(jiān)控模塊、接觸器和具有相位控制功能的變頻器，用于電參數(shù)的測(cè)量以及實(shí)現(xiàn)對(duì)電力的輸入輸出控制；所述平衡驅(qū)動(dòng)模塊，包括斷路器、熱過(guò)載繼電器、正反向接觸器和伺服控制器，用于驅(qū)動(dòng)并控制尾梁平衡裝置上的步進(jìn)電機(jī)以及游梁上設(shè)置的外置式精調(diào)平衡裝置或內(nèi)置式精調(diào)平衡裝置上的伺服電機(jī)。所述遠(yuǎn)程終端智能單元包括通訊模塊、數(shù)/模混合采集模塊、數(shù)據(jù)運(yùn)算模塊、運(yùn)行控制模塊和顯示模塊，所述數(shù)/模混合采集模塊，用于數(shù)字量和模擬量的計(jì)量數(shù)據(jù)采集、測(cè)量數(shù)據(jù)采集和設(shè)備開(kāi)關(guān)狀態(tài)采集；所述數(shù)據(jù)運(yùn)算模塊，包括CPU和存儲(chǔ)器，用于負(fù)責(zé)處理各種信息數(shù)據(jù)，經(jīng)運(yùn)算處理后輸出并存儲(chǔ)各種臨時(shí)或永久性數(shù)據(jù)；所述運(yùn)行控制模塊，用于對(duì)開(kāi)關(guān)按鈕自動(dòng)控制和將邏輯指令轉(zhuǎn)化為控制動(dòng)作，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)抽油機(jī)的運(yùn)行控制；所述顯示模塊包括顯示屏或儀表，用于顯示抽油機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行情況及各類(lèi)警告信息；所述通訊模塊包括RJ45或RS485或RS232或USB輸入輸出端口與線纜，以及ZigBee或GPRS無(wú)線模塊，用于智能控制柜內(nèi)各單元及模塊之間通訊連接、數(shù)據(jù)信息傳輸以及與各工況傳感器無(wú)線通訊連接和外部互聯(lián)通訊。本專(zhuān)利技術(shù)智慧型節(jié)能抽油機(jī)的自動(dòng)控制方法，包括啟動(dòng)、運(yùn)行、沖次調(diào)整、沖程調(diào)整、平衡調(diào)整、異常處理和停機(jī)處理7個(gè)步驟，其中：沖次的調(diào)整是以井口流量為主反饋量，其它傳感采集數(shù)據(jù)為輔，由遠(yuǎn)程終端智能單元的數(shù)/模混合采集模塊通過(guò)數(shù)據(jù)混合，交由數(shù)據(jù)運(yùn)算模塊對(duì)混合后的數(shù)據(jù)通過(guò)運(yùn)算進(jìn)行處理分析后發(fā)送相應(yīng)指令至運(yùn)行控制模塊，運(yùn)行控制模塊收到指令后控制電控單元的主驅(qū)動(dòng)模塊，主驅(qū)動(dòng)模塊通過(guò)具有相位控制功能的變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)主電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行無(wú)級(jí)變速調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)沖次變化的實(shí)時(shí)調(diào)整；平衡的調(diào)整是按以下步驟進(jìn)行：步驟1，由載荷傳感器和角位移傳感器將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采集的地面數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸反饋至遠(yuǎn)程終端智能單元；步驟2，由井口上的液位傳感器、壓力傳感器、流量變送器、溫濕度傳感器將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采集的井下數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸反饋至遠(yuǎn)程終端智能單元；步驟3，由遠(yuǎn)程終端智能單元的數(shù)/模混合采集模塊對(duì)井下數(shù)據(jù)和地面數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)混合，并將混合后的數(shù)據(jù)匯總至遠(yuǎn)程終端智能單元的數(shù)據(jù)運(yùn)算模塊；步驟4，設(shè)定平衡度理論值為A，A=100%，設(shè)定抽油機(jī)實(shí)時(shí)平衡度為N，由數(shù)據(jù)運(yùn)算模塊將混合后的數(shù)據(jù)與平衡度實(shí)時(shí)數(shù)值進(jìn)行運(yùn)算處理分析，當(dāng)本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種智慧型節(jié)能抽油機(jī)，包括游梁、驢頭、尾梁、支架、底座、主電機(jī)、曲柄、連桿、懸繩器、智能控制柜和若干工況傳感器，工況傳感器包括位于懸繩器上的載荷傳感器、位于游梁與支架連接處上部的角位移傳感器以及分別位于井口上的液位傳感器、壓力傳感器、流量變送器和溫濕度傳感器，在游梁的尾端設(shè)置有尾梁平衡裝置，該裝置包括裝配在尾梁本體上的尾梁配重箱和驅(qū)動(dòng)該配重箱移動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)設(shè)置在游梁上，通過(guò)萬(wàn)向聯(lián)軸器與設(shè)置在尾梁上的滑動(dòng)絲杠連接，通過(guò)該滑動(dòng)絲杠帶動(dòng)尾梁配重箱在尾梁上移動(dòng)，其特征在于：主電機(jī)采用低速恒轉(zhuǎn)矩永磁直驅(qū)電機(jī)，電機(jī)軸直接與曲柄連接，曲柄離心端通過(guò)連桿與游梁連接，在游梁上設(shè)置有外置式精調(diào)平衡裝置或內(nèi)置式精調(diào)平衡裝置，在智能控制柜中設(shè)有電控單元和遠(yuǎn)程終端智能單元，遠(yuǎn)程終端智能單元與電控單元有線連接，遠(yuǎn)程終端智能單元與各工況傳感器無(wú)線連接。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種智慧型節(jié)能抽油機(jī)，包括游梁、驢頭、尾梁、支架、底座、主電機(jī)、曲柄、連桿、懸繩器、智能控制柜和若干工況傳感器，工況傳感器包括位于懸繩器上的載荷傳感器、位于游梁與支架連接處上部的角位移傳感器以及分別位于井口上的液位傳感器、壓力傳感器、流量變送器和溫濕度傳感器，在游梁的尾端設(shè)置有尾梁平衡裝置，該裝置包括裝配在尾梁本體上的尾梁配重箱和驅(qū)動(dòng)該配重箱移動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)設(shè)置在游梁上，通過(guò)萬(wàn)向聯(lián)軸器與設(shè)置在尾梁上的滑動(dòng)絲杠連接，通過(guò)該滑動(dòng)絲杠帶動(dòng)尾梁配重箱在尾梁上移動(dòng)，其特征在于：主電機(jī)采用低速恒轉(zhuǎn)矩永磁直驅(qū)電機(jī)，電機(jī)軸直接與曲柄連接，曲柄離心端通過(guò)連桿與游梁連接，在游梁上設(shè)置有外置式精調(diào)平衡裝置或內(nèi)置式精調(diào)平衡裝置，在智能控制柜中設(shè)有電控單元和遠(yuǎn)程終端智能單元，遠(yuǎn)程終端智能單元與電控單元有線連接，遠(yuǎn)程終端智能單元與各工況傳感器無(wú)線連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智慧型抽油機(jī)，其特征在于：所述外置式精調(diào)平衡裝置位于結(jié)構(gòu)為工字鋼的游梁頂部，該裝置包括由左向右依次設(shè)在游梁頂部的伺服電機(jī)、左支座和右支座，左支座和右支座之間設(shè)有與游梁平行的絲杠，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)該絲杠旋轉(zhuǎn)，在絲杠上穿設(shè)有與其螺紋配合連接的精調(diào)配重箱，該配重箱的垂直截面呈倒U型結(jié)構(gòu)，騎跨在游梁上，并設(shè)有沿游梁上表面滾動(dòng)的左、右滾輪，箱內(nèi)盛裝有精調(diào)配重塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智慧型抽油機(jī)，其特征在于：所述內(nèi)置式平衡精調(diào)裝置位于結(jié)構(gòu)為矩形筒體的游梁體內(nèi)，該裝置包括由左向右依次設(shè)在游梁體內(nèi)的伺服電機(jī)、左支座和右支座，左支座和右支座之間設(shè)有與游梁平行的絲杠，該絲杠與伺服電機(jī)連接，絲杠上穿裝有與其螺紋配合連接的精調(diào)配重鉛塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智慧型抽油機(jī)，其特征在于：所述電控單元包括變壓器、主驅(qū)動(dòng)模塊和平衡驅(qū)動(dòng)模塊，其中，主驅(qū)動(dòng)模塊與抽油機(jī)的主電機(jī)導(dǎo)線連接，平衡驅(qū)動(dòng)模塊分別與尾梁平衡裝置和精調(diào)平衡裝置導(dǎo)線連接，變壓器與遠(yuǎn)程終端智能單元導(dǎo)線連接，所述主驅(qū)動(dòng)模塊，包括斷路器、電力監(jiān)控模塊、接觸器和具有相位控制功能的變頻器，用于電參數(shù)的測(cè)量以及實(shí)現(xiàn)對(duì)電力的輸入輸出控制；所述平衡驅(qū)動(dòng)模塊，包括斷路器、熱過(guò)載繼電器、正反向接觸器和伺服控制器，用于驅(qū)動(dòng)并控制尾梁平衡裝置上的步進(jìn)電機(jī)以及游梁上設(shè)置的外置式精調(diào)平衡裝置或內(nèi)置式精調(diào)平衡裝置上的伺服電機(jī)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智慧型抽油機(jī)，其特征在于：所述遠(yuǎn)程終端智能單元包括通訊模塊、數(shù)/模混合采集模塊、數(shù)據(jù)運(yùn)算模塊、運(yùn)行控制模塊和顯示模塊，所述數(shù)/模混合采集模塊，用于數(shù)字量和模擬量的計(jì)量數(shù)據(jù)采集、測(cè)量數(shù)據(jù)采集和設(shè)備開(kāi)關(guān)狀態(tài)采集；所述數(shù)據(jù)運(yùn)算模塊，包括CPU和存儲(chǔ)器，用于負(fù)責(zé)處理各種信息數(shù)據(jù)，經(jīng)運(yùn)算處理后輸出并存儲(chǔ)各種臨時(shí)或永久性數(shù)據(jù)；所述...

【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：賈俊培，戚思明，李軍，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：唐河科林沃特環(huán)保科技有限公司，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：河南;41