一種油田抽油機節能控制系統的製作方法
2023-12-04 23:20:41
本實用新型涉及油田開採技術領域，具體涉及一種油田抽油機節能控制系統。
背景技術：
抽油機是一種周期交變負載，帶有衝擊性，轉動慣量較大，並且是帶負載起動，因此所需起動轉矩較大，需求的電動機功率也較大。抽油機在一個周期內負載波動很大，為了滿足起動要求，保證帶載起動時能克服抽油機較大的慣性扭矩，使得運行時有足夠的過載能力，以克服交變載荷的最大扭矩，要求在選擇驅動電機時留有足夠的餘量，這就導致抽油機的驅動電機經常處於「大馬拉小車」的運行狀況，驅動電機在抽油機運行過程中處於輕載狀態，負荷率很低，電機的運行效率很低。抽油機運行過程中，驅動電機電流的大小和相位在一個衝次內也是不斷變化的，在一個衝次中存在兩個瞬間發電狀態。電動機屬於感性負載，電流滯後於電壓，導致產生無功電流，功率因數較小，也造成電能的浪費。另一方面，當變頻器驅動抽油機的驅動電動機在制動或者下放位能性負載過程中,電動機處於再生制動狀態，傳動系統中的機械能通過電動機轉換成電能，變頻器中續流二極體將這種能量回饋到變頻器直流側電容C中，使直流側電壓升高，產生泵升電壓，若不及時釋放這部分能量，則勢必會引起變頻器過壓保護動作或造成主迴路大功率器件的過壓損壞。泵升電壓經過電阻耗散能量，不僅浪費了能源，有時也會產生某些副作用。
技術實現要素：
針對現有技術中存在的不足，本實用新型的目的在於提供一種抽油機節能控制系統，實現了高效節能自動控制的目的。
本實用新型的技術方案是這樣實現的：
一種油田抽油機節能控制系統，包括PLC模塊、變頻器、能量回饋單元和數據採集單元，所述PLC模塊、變頻器和能量回饋單元設於電控室的控制櫃內，所述變頻器通過RS485的方式與PLC模塊連接，所述PLC模塊通過變頻器控制抽油機驅動電機的啟停，所述能量回饋單元的輸入端與變頻器連接，其輸出端與電網電源連接，所述數據採集單元與PLC模塊連接。
進一步，所述數據採集單元包括稱重傳感器、載荷和角位移傳感器和智能電錶，所述重傳感器和載荷和角位移傳感器設於抽油機運行現場，所述智能電錶設於電控室的控制櫃內，所述稱重傳感器通過模擬量輸入模塊與PLC模塊連接，所述載荷和角位移傳感器通過Zigbee模塊與PLC模塊連接，所述智能電錶通過RS485的方式與PLC模塊連接。
進一步，所述數據採集單元還包括稱重傳感器單井計量裝置，所述單井計量裝置設於抽油機運行現場，所述單井計量裝置均通過RS485的方式與PLC模塊連接。
進一步，還包括HMI，所述HMI設於電控室的控制櫃內，並通過RS485的方式與PLC模塊連接。
進一步，還包括上位監控終端，所述上位監控終端通過通信模塊與PLC模塊連接。
進一步，所述通信模塊包括GRM無線終端、工業級交換機和無線路由器。
進一步，所述上位監控終端包括手機移動終端和PC終端。
本實用新型的有益效果是：
(1)本實用新型的一種油田抽油機節能控制系統，PLC模塊根據稱重傳感器採集的油井出液梁和智能電錶採集的抽油機驅動電機運行的電參數判斷是否需要啟動或停止抽油機，並通過變頻器控制抽油機驅動電機的啟動和停止，以抽油機驅動電機帶動抽油機運動，實現了抽油機自動間歇運行，達到了節能控制的目的。
(2)能量回饋單元的輸入端與變頻器連接，其輸出端與電網電源連接，當抽油機下行時，變頻器將抽油機機械能產生的交流電轉換成直流電，能量回饋單元則將直流電能通過PSG逆變技術轉換成同頻同相位的交流電能，進而把97.5％的再生電能回饋給局域電網，供附近設備使用，能量回饋單元完全取代電阻制動，效率更高，輸出純正弦波，始終回饋潔淨電能，節電率高達20％。
(3)通過通信模塊連接上位監控終端與PLC模塊，通信模塊包括GRM無線終端、工業級交換機和無線路由器，上位監控終端包括手機移動終端和PC終端，實現了遠程無線數據傳輸、遠程控制操作，使該系統可用於無人值守、野外環境、定期巡井等的油田抽油機控制。
附圖說明
圖1為一種油田抽油機節能控制系統的原理圖；
圖2為抽油機驅動電機主電路電氣原理圖；
圖3為抽油機驅動電機控制電路電氣原理圖；
圖4為電動抱閘控制電路電氣原理圖；
圖5為一種油田抽油機節能控制方法的流程圖；
具體實施方式
為了使本領域的人員更好地理解本實用新型的技術方案，下面結合本實用新型的附圖，對本實用新型的技術方案進行清楚、完整的描述，基於本申請中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的其它類同實施例，都應當屬於本申請保護的範圍。
實施例一：
如圖1所示，一種油田抽油機節能控制系統，包括PLC模塊、變頻器、能量回饋單元、數據採集單元、HMI和上位監控終端，所述PLC模塊、變頻器、能量回饋單元和HMI設於電控室的控制櫃內，所述變頻器和HMI通過RS485的方式與PLC模塊連接；所述數據採集單元包括稱重傳感器、載荷和角位移傳感器、智能電錶和單井計量裝置，所述稱重傳感器設於抽油機機旁，與進出油管連接，通過模擬量輸入模塊與PLC模塊連接，用於續液重量(即油井出液量)的檢測；所述載荷和角位移傳感器設於抽油機的遊梁之上，通過Zigbee模塊與PLC模塊連接，用於抽油杆載荷和抽油機衝程中的角位移的檢測；所述單井力量單元設於抽油機機旁，與進出油管連接，通過RS485的方式與PLC模塊連接，用於抽油機實際續液量、續液時間、油和液的(日、月、總)產量、含油比等的檢測；所述智能電錶設於電控室的控制櫃內，通過RS485的方式與PLC模塊連接，用於抽油機運行過程中電參數的檢測；所述上位監控終端通過通信模塊與PLC模塊連接，所述通信模塊包括GRM無線終端、工業級交換機和無線路由器，所述上位監控終端包括手機移動終端和PC終端，所述能量回饋單元的輸入端與變頻器連接，其輸出端與電網電源連接。
上述結構實現了抽油機運行數據的遠程傳輸和抽油機的遠程操作控制，使該系統可用於無人值守、野外環境、定期巡井等的油田抽油機控制。
如圖2所示，抽油機驅動電機主電路，所述抽油機驅動電機主電路包括智能電錶、斷路器QF1、抽油機驅動電機工頻運行主電路、抽油機驅動電機變頻運行主電路和能量回饋單元，所述智能電錶連接於AC380V進線端，所述智能電錶通過RS485觸頭與PLC模塊連接，本實施例智能電錶優選為EDA9033AC三相工頻電採集模塊，所述斷路器QF1為主電路的主斷路器，控制整個主電路電源的通斷，其主觸頭進線端連接於智能電錶之後，其主觸頭出線端連接抽油機驅動電機工頻運行主電路和抽油機驅動電機變頻運行主電路。
所述抽油機驅動電機工頻運行主電路包括斷路器QF2、接觸器KM2和熱繼電器FR，所述斷路器QF2主觸頭進線端與斷路器QF1主觸頭出線端連接，斷路器QF2主觸頭出線端與接觸器KM2主觸頭進線端連接，接觸器KM2主觸頭出線端通過熱繼電器FR與抽油機驅動電機電源進線端連接。
所述抽油機驅動電機變頻運行主電路包括變頻器、接觸器KM1、接觸器KM3、中間繼電器KA1和中間繼電器KA2，所述接觸器KM1主觸頭進線端與斷路器QF1主觸頭出線端連接，接觸器KM1主觸頭出線端與變頻器R、S、T觸頭連接，變頻器U、V、W觸頭與抽油機驅動電機電源進線端連接，所述變頻器X1觸頭和COM觸頭之間連接有接觸器KM3的常開輔助觸頭，用於控制變頻器的啟動和關閉，所述變頻器TA觸頭和+24v觸頭之間連接有中間繼電器KA1的線圈，用於輸出變頻器運行指示信息，所述變頻器Y1觸頭和+24v觸頭之間連接有中間繼電器KA2的線圈，用於輸出抽油機主電路故障信息，所述變頻器通過RS485觸頭與PLC模塊連接，本實施例變頻器優選為四象限運行變頻器，並選擇無速度傳感器質量控制方式來控制抽油機驅動電機運行，這樣可保證無抽油機驅動電機轉速反饋的情況下，轉矩也能快速響應，並且在抽油機驅動電機低速運行時也能獲得足夠大的轉矩。
所述能量回饋單元的進線端與變頻器的DC+觸頭和DC-觸頭連接，其出線端與斷路器QF1主觸頭的出線端連接，當衝程進行到某一程度出現抽油機帶動驅動電機的情況時，則關閉驅動電機，利用抽油機滑行達到節能的目的，即調不調速都節能，此時變頻器將驅動電機機械能產生的交流電轉換成直流電，能量回饋單元則將直流電能通過PSG逆變技術轉換成同頻同相位的交流電能，進而把97.5％的再生電能回饋給局域電網，供附近設備使用，能量回饋單元可完全取代電阻制動，效率更高，輸出純正弦波，始終回饋潔淨電能，節電率高達20％。
如圖3所述，抽油機驅動電機控制電路，所述抽油機驅動電機控制電路包括並聯連接於AC220V電源線之間抽油機驅動電機變頻運行第一控制電路、抽油機驅動電機變頻運行第二控制電路、抽油機驅動電機工頻運行控制電路、變頻器電源指示電路、變頻運行指示電路、工頻運行指示電路和故障指示電路，所述抽油機驅動電機控制電路還包括串接於AC220V電源火線一端的熔斷器FU1。
所述抽油機驅動電機變頻運行第一控制電路包括依次串聯連接的旋轉開關SA0和接觸器KM1的線圈，本實施例旋轉開關SA0優選為無自動復位的旋轉開關，所述抽油機驅動電機變頻運行第二控制電路包括依次串聯連接的旋轉開關SA1的3、4觸頭、第一PLC輸出點1、接觸器KM2的常閉輔助觸頭和接觸器KM3的線圈，所述旋轉開關SA1的3、4觸頭還通過數字量輸入模塊與PLC模塊的連接，所述抽油機驅動電機工頻運行控制電路包括依次串聯連接的旋轉開關SA1的1、2觸頭，常閉按鈕SB2、常開按鈕SB1、接觸器KM3的常閉輔助觸頭、接觸器KM2的線圈和熱繼電器FR1的常閉輔助觸頭，所述常開按鈕SB1還並聯有接觸器KM2的常開輔助觸頭，所述轉換開關，本實施例旋轉開關SA1優選為萬能轉換開關。
抽油機驅動電機運行首先需要閉合斷路器QF1，若需要抽油機驅動電機工頻運行，則閉合斷路器QF2，將轉換開關SA1轉到1、2觸頭一端將其接通，按下按鈕SB1時接觸器KM2的線圈得電，其主觸頭閉合，抽油機驅動電機得電，開始工頻運行，按下按鈕SB2時接觸器KM2的線圈失電，其主觸頭斷開，抽油機驅動電機停止，接觸器KM2的常開輔助觸頭用於自鎖，接觸器KM3的常閉輔助觸頭用於互鎖；若需要抽油機驅動電機變頻運行，則首先閉合旋轉開關SA0，接觸器KM1的線圈得電，其主觸頭閉合，變頻器得電，然後將轉換開關SA1轉到3、4觸頭一端將其接通，PLC模塊通過數字量輸入模塊讀取其狀態並控制所述第一PLC輸出點1閉合，接觸器KM3的線圈得電，其常開輔助觸頭閉合，啟動變頻器，這是變頻器通過RS485總線與PLC模塊通信，其U、V、W觸頭控制抽油機驅動電機變頻運行。
所述變頻器電源指示電路包括依次串聯連接的接觸器KM1的常開輔助觸頭和指示燈HG，當抽油機驅動電機變頻運行時，變頻器得電，指示燈HG亮；所述變頻運行指示電路包括依次串聯連接的中間繼電器KA1的常開輔助觸頭和指示燈HR1，變頻器啟動後其TA觸頭輸出控制中間繼電器KA1的線圈得電，中間繼電器KA1的常開輔助觸頭閉合，指示燈HR1亮；所述工頻運行指示電路包括依次串聯連接的KM2的常開輔助觸頭和指示燈HR2，當抽油機驅動電機工頻運行時，指示燈HG亮；所述故障指示電路包括依次串聯連接的中間繼電器KA2的常開輔助觸點和指示燈HY2，所述中間繼電器KA2的常開輔助觸點還並聯後熱繼電器FR1的常開輔助觸點，當抽油機驅動電機工頻運行時，電機過熱時，繼電器FR1的常開輔助觸點閉合，指示燈HY1亮，當抽油機驅動電機變頻運行時，發生故障時，變頻器Y1觸頭輸出控制中間繼電器KA2的線圈得電，指示燈HY1亮。
如圖4所示，電動抱閘控制電路，所述電動抱閘控制電路包括依次串聯連接於AC220v電源線之間的抱閘線圈控制電路和抱閘線圈，抱閘線圈控制電路包括相互並聯的抱閘線圈工頻控制電路和抱閘線圈變頻控制電路，所述抱閘線圈工頻控制電路設有接觸器KM2的常閉輔助觸點，所述抱閘線圈變頻控制電路設有依次串聯連接的接觸器KM3常閉輔助觸點和第二PLC輸出點。
抽油機驅動電機工頻運行時，關閉抽油機驅動電機，接觸器KM2線圈失電，其常閉輔助觸點閉合，抱閘線圈得電，啟動電動抱閘；抽油機驅動電機變頻運行時，關閉抽油機驅動電機，PLC模塊首先控制第一PLC輸出點斷開，接觸器KM3線圈失電，其常閉輔助觸點閉合，PLC模塊再控制第二PLC輸出點閉合，抱閘線圈得電，啟動電動抱閘。
PLC模塊控制第二PLC輸出點閉合的條件為2.5m<X<4.36m，所述X表示選點相對下死點位移，的計算公式如下：X＝a(θ-θ0)，公式中a表示抽油機遊梁前臂長，本實施例中a＝3m，θ表示遊梁與垂直方向的夾角，通過載荷和角位移傳感器檢測獲得，θ0表示下死點時遊梁與垂直方向的夾角。
通過電動抱閘的方式進行停機操作，實現了抽油機停機時的精確定位控制。
如圖1～5所示，一種油田抽油機節能控制方法，包括如下步驟：
閉合旋轉開關SA0，並將旋轉開關SA1轉到3、4觸頭一端將其接通，PLC模塊通過數字量輸入模塊讀取到旋轉開關SA1的3、4觸頭一端接通的狀態，系統進入節能控制模式；在一個預熱周期後(預熱周期為系統自檢時間和警示用報警時間之和，本實施例中預熱周期為5min)，PLC模塊通過模擬量輸入模塊讀取稱重傳感器採集的續液重量值，此時，續液重量值為20kg，然後將該值與預熱稱重(預熱稱重根據油井實際產液量確定，本實施例中預熱稱重為10kg)比較，大於預熱稱重，PLC模塊通過變頻器啟動抽油機驅動電機，帶動抽油機開始工作；
在一個運行周期(本實施例中抽油機第一次運行的運行周期為5，並從抽油機第二次運行開始，每次運行結束後，運行周期的時長均進行優化學習)後，PLC模塊通過模擬量輸入模塊讀取稱重傳感器採集的續液重量值，此時，續液重量值為14kg，然後將該值與停機稱重(停機稱重根據油井實際產液量確定，本實施例中停機稱重為10kg)比較，大於停機稱重；然後PLC模塊通過RS485總線讀取智能電錶採集的抽油機驅動電機的相電流、功率因數、下衝程最大電流和上衝程最大電流，其中相電流的值為10A，功率因數的值為0.4，並計算平衡度的值為105(平衡度的計算公式為：平衡度＝下衝程最大電流/上衝程最大電流*100％)，然後根據上述參數判斷抽油機是否處於輕載狀態(判斷抽油機處於輕載運行狀態需同時滿足以下三個條件：平衡度115％，抽油機相電流<9A，抽油機功率因數<0.3)，85％<平衡度9A，功率因數>0.3，判斷抽油機未處於輕載狀態；
抽油機繼續運行一個運行周期後，判斷續液重量和抽油機驅動電機運載狀態是否滿足上述條件，若滿足上述條件則抽油機繼續運行一個運行周期後繼續重複上述判斷，若不滿足上述條件則PLC模塊通過變頻器關閉抽油機驅動電機，並使用電動抱閘的方式進行制動，然後在一個停機周期(停機稱重根據油井實際產液量確定，本實施例中停機周期為10min)後，PLC模塊通過模擬量輸入模塊讀取稱重傳感器採集的續液重量值，然後將續液重量值與預熱稱重比較，並重複上述步驟。
本實施例中抽油機第一次總共運行了3個運行周期，第二次總共運行了4個運行周期，抽油機第二次運行結束後，運行周期的時長進行優化學習計算，計算公式為：T″＝T(nT)/(mT')，公式中T″表示此次抽油機運行結束運行周期優化學習後的時長(本實施例中T″為抽油機第二次運行結束運行周期優化學習後的時長)，n表示抽油機此次運行總共運行的周期數(本實施例中n為抽油機第二次運行總共運行的周期數，即n為4)，T表示抽油機此次運行的運行周期的時長(本實施例中T為抽油機第二次運行的運行周期的時長，即T為5min)，m表示抽油機上一次運行總共運行的周期數(本實施例中m為抽油機上一次運行總共運行的周期數，即m為3)，T'表示抽油機上一次運行的運行周期的時長(本實施例中T'為抽油機第一次運行的運行周期的時長，即T'為5min)，根據上述公式及參數計算T″(本實施例中T″為抽油機第二次運行結束運行周期優化學習後的時長)為6.7min。
若在抽油機運行過程中，斷開旋轉開關SA0或將旋轉開關SA1轉到1、2觸頭一端斷開3、4觸頭一端則抽油機直接跳出節能控制模式，若通過HMI或上位監控終端關閉抽油機，則抽油機在運行完當前運行周期後跳出節能控制模式。
本實施例的一種油田抽油機節能控制方法，通過判斷續液重量是否大於預熱稱重確定是否啟動抽油機，在抽油機工作一個運行周期後，依次判斷續液重量是否大於停機稱重和抽油機是否處於輕載狀態，若續液重量不大於停機稱重或抽油機處於輕載狀態則關閉抽油機，並在一個停機周期後啟動抽油機，在關閉抽油機後進行運行周期的優化學習，反之若續液重量大於停機稱重且抽油機不處於輕載狀態，且系統未結束運行，則抽油機繼續工作一個運行周期重複上述判斷，實現了抽油機自動間歇自尋優的運行，達到了節能控制的目的。
此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但並非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。