液壓式抽油機的運行控制系統以及相應的控制方法
2023-09-11 05:15:10 2
液壓式抽油機的運行控制系統以及相應的控制方法
【專利摘要】公開了一種液壓式抽油機的運行控制系統，包括：電機，其用於為液壓式抽油機提供驅動動力，且傳動連接到勢能蓄能器；傳感器，其至少能夠確定液壓式抽油機的抽油杆的上下運動的極限位置和行進方向；以及運動控制器和變頻驅動器，其設置在為液壓式抽油機提供電能的供電裝置與電機之間，以能夠變頻的方式驅動和控制電機的運行，並為二次控制液壓單元提供控制信號，而且所述運動控制器和變頻驅動器具有與傳感器連接的用於接收傳感器的信號的第一輸入埠並至少能夠根據由傳感器提供的信號控制電機和二次控制液壓單元的運行。還相應地公開了一種控制液壓式抽油機的運行的方法。本發明的系統和方法確保電機高效運行且防止汙染和衝擊電網。
【專利說明】液壓式抽油機的運行控制系統以及相應的控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種液壓式抽油機的運行控制系統以及一種利用該運行控制系統控制液壓式抽油機的運行的方法。
【背景技術】
[0002]在目前的採油過程中，不論是因為缺乏內部壓力還是其他原因，如果不能從生產井自然流出原油，則必須尋求一種「人工方法」，現在最常用的就是遊梁式抽油機，通常被稱作「磕頭機」。遊梁式抽油機主要由遊梁-連杆-曲柄機構、減速箱、三相異步電機和輔助裝備等組成。採油時，抽油杆上、下往復運動。在抽油杆上、下往復運動的一個周期中，負載是實時變化的，相應地電機負載轉矩也是實時變化的，因此輸入電機的電功率也是實時變化的。這使得電機的功率特性難以與負載變化相匹配，從而會使電機的綜合效率比較低，功率因數比較小，電能消耗高。而且，這種遊梁式抽油機體積龐大，產量低。
[0003]為此，中國專利CN202181885U公開了一種液壓式抽油機，其具有二次控制液壓單元、由二次控制液壓單元控制進而帶動抽油杆往復運動的油缸、用於設定油缸活塞杆(即，抽油杆)的衝程的傳感器、與二次控制液壓單元傳動連接的異步電機、與異步電機傳動連接的勢能蓄能器(優選採用飛輪的形式)以及基於上述傳感器的信號控制二次控制液壓單元運動正反向的二次控制液壓單元控制器。利用這種液壓式抽油機，可以根據油井的特性靈活地控制衝程和速度，從而，能夠充分採油，提高了產量，且由於勢能蓄能器能儲存勢能並隨後釋放，因此降低了電能損耗，提高了生產效率。
[0004]由於這種周期性的能量轉換，異步電機還是會承受頻繁且相當大的速度變化和負載轉矩變化。但異步電機所允許的工作速度和轉矩受其基本設計和驅動電頻率限制。現有設計的抽油機中的異步電機直接連接到電網而由50Hz的交流電直接驅動，使得難以匹配所需的速度變化和負載轉矩變化。
[0005]因此，現場實驗發現了以下問題:
[0006]I)電機始終被電激勵和輸出功率，但實際生產過程中僅在一個工作周期的某段時間內才需要激勵電機使其輸出功率，特別是在向下的衝程中電機由於始終被激勵，輸出了不必要的功率。
[0007]2)由於電機轉速持續變化，而電頻率恆定，電機長時間處於高功率低負載的低效率狀態並產生較大無功功率。
[0008]3)工頻異步電機允許的速度變化範圍較小，相應的勢能蓄能器所能吸收轉化的勢能也較小，不能滿足大負載應用的要求。
[0009]4)在向下的衝程的某段時間內，電機轉速超過電頻率要求轉速，異步電機運行在充當發電機的模式下，這時由於異步電機直接連接到電網而會對電網產生一定的衝擊和汙染。
[0010]在這種情況下，迫切需要一種能夠高效運行、靈活控制且不會衝擊電網的液壓式抽油機和一種相應的控制方法。
【發明內容】
[0011]本發明的目的是提供一種液壓式抽油機的運行控制系統以及一種利用該運行控制系統控制液壓式抽油機的運行的方法，以便克服上述至少一個缺點。
[0012]根據本發明的第一個方面，提供了一種液壓式抽油機的運行控制系統，包括:電機，其用於為液壓式抽油機提供驅動動力，且傳動連接到勢能蓄能器；傳感器，其至少能夠確定液壓式抽油機的抽油杆的上下運動的極限位置和行進方向；以及運動控制器和變頻驅動器，其設置在為液壓式抽油機提供電能的供電裝置與電機之間，以能夠變頻的方式驅動和控制電機的運行，並為二次控制液壓單元提供控制信號，而且所述運動控制器和變頻驅動器具有與傳感器連接的用於接收傳感器的信號的第一輸入埠並至少能夠根據由傳感器提供的信號控制電機和二次控制液壓單元的運行。
[0013]優選地，所述運動控制器和變頻驅動器還具有用於接收能夠反映電機的運行狀態的反饋信號的第二輸入埠。
[0014]優選地，所述電機是異步電機或同步電機。
[0015]根據本發明的第二個方面，提供了一種利用上述運行控制系統控制液壓式抽油機的運行的方法，其中，所述運動控制器和變頻驅動器至少根據由傳感器提供的信號以能夠變頻的方式控制電機和二次控制液壓單元的運行。
[0016]優選地，所述運動控制器和變頻驅動器還具有用於接收能夠反映電機的運行狀態的反饋信號的第二輸入埠，且所述運動控制器和變頻驅動器根據由傳感器提供的信號以及該反饋信號控制電機和二次控制液壓單元的運行。
[0017]優選地，在抽油杆向上運動的衝程中，所述運動控制器和變頻驅動器根據反饋的電機轉速信號基於閉環電機速度控制策略以電機轉速為控制目標控制電機的運行；和/或在抽油杆向下運動的衝程中，所述運動控制器和變頻驅動器通過控制向電機輸送的電的頻率使電機轉矩為O或最小化，或簡單地切斷向電機的電輸送。
[0018]優選地，在抽油杆向上運動的衝程以及向下運動的衝程中，所述運動控制器和變頻驅動器根據反饋信號基於閉環功率-頻率控制策略以向電機高效輸送的功率為控制目標控制電機的運行。
[0019]優選地，在抽油杆向上運動的衝程中，所述運動控制器和變頻驅動器使電機工作在額定轉差率下；和/或在抽油杆向下運動的衝程中，所述運動控制器和變頻驅動器使電機工作在O轉差率下。
[0020]優選地，所述反饋信號為電機編碼器測量結果或電機速度估算結果。
[0021]優選地，分別為抽油杆向上運動的衝程和向下運動的衝程離線指定從運動控制器和變頻驅動器期望輸出的功率特性並將該功率特性儲存在所述運動控制器和變頻驅動器中，當抽油機工作時，所述運動控制器和變頻驅動器根據由傳感器提供的信號基於所述儲存的功率特性來控制電機的運行。
[0022]根據本發明的系統和方法可在不需要電機輸出功率時切斷或最小化向電機的電輸送，且可在合適的時刻再以較大的電輸送啟動電機。而且，可根據電機的工作狀態以合適的電頻率驅動電機，以確保電機始終高效地工作。此外，電機與電網電隔離，以防止由於可能的載荷變化對電網造成衝擊。【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]下面，通過參看附圖更詳細地描述本發明，可以更好地理解本發明的原理、特點和優點。附圖包括:
[0024]圖1示出了現有的液壓式抽油機的基本構成的簡圖。
[0025]圖2示出了現有的液壓式抽油機的異步電機在實際工作期間的有效電流的一個示例性的變化過程。
[0026]圖3示出了根據本發明的系統結構的一個示例性實施例的簡圖。
[0027]圖4示出了現有方法與根據本發明的方法在一分鐘時長內的電機轉速比較。
【具體實施方式】
[0028]下面，將參看附圖更詳細地描述本發明的具體實施例，以便更好地理解本發明的基本思想。
[0029]圖1示出了現有的液壓式抽油機的基本構成的簡圖。如圖1所示，液壓式抽油機包括:二次控制液壓單元1、由該二次控制液壓單元I控制進而帶動抽油杆3上下往復運動的油缸2、用於設定抽油杆3的衝程的傳感器4、與二次控制液壓單元I傳動連接的異步電機5、與異步電機5傳動連接的勢能蓄能器6以及基於該傳感器4的信號控制二次控制液壓單元I運動正反向的二次控制液壓單元控制器7。抽油杆3伸入到油缸2中充當活塞杆，且抽油杆3的下端連接到位於油井內的負載(抽油泵)8。此外，液壓式抽油機還包括液壓連接到油缸2的第一液壓管路9、液壓連接油缸2與二次控制液壓單元I的第二液壓管路10以及液壓連接到二次控制液壓單元I的第三液壓管路11。
[0030]圖2示出了現有的液壓式抽油機的異步電機5在實際工作期間的有效電流的一個示例性的變化過程。在圖2中，區間tl-t5對應異步電機5的一個完整的運行周期。根據異步電機5的運行特性，一個完整的運行周期又可分為三個階段tl-t2、t2-t4、t4-t5。在第一階段tl-t2中，抽油杆3向下運動，異步電機5的電流逐漸減小，而異步電機5的轉速逐漸增大。當達到時刻t2時,異步電機5處於第一臨界狀態。此時，當抽油杆3進一步向下運動時，異步電機5會進一步加速旋轉而進入第二階段t2-t4。在第二階段t2-t4中,異步電機5處於發電模式，即，異步電機5此時相當於一個發電機。第二階段t2-t4根據電流變化特性又可分為兩個子段t2-t3和t3-t4。異步電機5的電流在子段t2-t3中先逐漸增大，然後在時刻t3達到最大值,接著在子段t3-t4中又會逐漸減小。當達到時刻t4時，異步電機5處於第二臨界狀態，然後進入到第三階段t4-t5中而脫離發電模式。在第三階段t4-t5中，異步電機5的電流逐漸上升，輸出的轉矩逐漸增大，以便有足夠的動力推動抽油杆3向上移動。
[0031]因此，理論上，僅第三階段t4_t5中的異步電機5的功率輸出才是實際所需的功率輸出。因此，理想情況下，第一階段tl-t2的下降曲線SI應階躍下降，即豎直下降，因為抽油機的抽油杆3的較高勢能理想情況下應能夠獨自地推動抽油杆3向下運動並有能量節餘，而不需要異步電機5再輸出動力。類似地，理想情況下，第三階段t4-t5中的上升曲線S2應從t3時刻開始階躍上升，即豎直上升，因為理想情況下異步電機5的電流應立即達到較高的值來提供足夠大的驅動轉矩，以推動抽油杆3向上運動。但實際中受到異步電機5本身的特性和抽油機工作條件等諸多因素的限制，不可能使異步電機5運行在理想狀態下。當然，理想情況下，還應使異步電機5不要工作在發電模式下，因為，如上所述，在發電模式下，異步電機5不僅不能輸出實際需要的有效功率，並且會將抽油杆3的勢能轉化為異步電機5作為發電機工作時所產生的熱量，而且產生的電能還會衝擊和汙染電網。
[0032]第三階段t4_t5中的上升曲線S2成斜坡變化意味著，當需要最大輸出功率(即滿負載)驅動抽油杆3向上運動時，異步電機5卻有相當長的時間工作在輕載條件下，這意味著異步電機5具有低的效率。如上所述，理想情況下，異步電機5在抽油杆3的向下的衝程中還應不被電激勵和輸出功率，然而，實際中發現，異步電機5在向下的衝程中仍會被電激勵和輸出功率，這顯然是不利的。而且，異步電機5在第二階段t2-t4中的轉速大於電網工頻所對應的轉速，因此會使得異步電機5工作在發電模式下，這會將本應儲存以便循環使用的勢能轉換為熱能和衝擊電網的電能。
[0033]為此，需要根據抽油機的工作狀態對異步電機5進行控制，以便明顯地提高勢能循環利用效率和系統的用電效率以及避免對電網造成汙染和衝擊。
[0034]圖3示出了根據本發明的系統結構的一個示例性實施例的簡圖。如圖3所示，本發明的系統包括運動控制器和變頻驅動器12，該運動控制器和變頻驅動器12設置在異步電機5與電網AC之間，即，運動控制器和變頻驅動器12 —方面通過埠 P1、P2和P3分別電連接到電網AC的三相U、V、W上，另一方面通過埠 P4、P5、P6分別電連接到異步電機5的三相A、B、C上。而且，如圖3所示，運動控制器和變頻驅動器12通過埠 P7電連接到傳感器4。傳感器4至少能夠確定抽油杆3的上下運動的極限位置和行進方向，以便至少能夠判斷出抽油杆3是處於向上的衝程、還是處於向下的衝程以及確定上、下衝程之間的變換時刻。根據一個實施例，傳感器4可以是開關量傳感器，例如分別設置在油缸支架(未示出)的上、下部的兩個接近開關:上部接近開關4A和下部接近開關4B，如圖1和3所示。根據另一個實施例，傳感器4也可以是模擬量傳感器，例如位移傳感器，此時不僅可以確定抽油杆3的上下運動的極限位置和行進方向，而且可以確定抽油杆在任何時刻的準確位置。
[0035]由於運動控制器和變頻驅動器12設置在異步電機5與電網AC之間，因此，異步電機5是被運動控制器和變頻驅動器12直接驅動的，而不是被電網AC直接驅動的。因此，異步電機5與電網AC電隔離，此時，任何可能的電汙染和電衝擊可被運動控制器和變頻驅動器12吸收，而不會傳導到電網。根據抽油機的工作狀態，運動控制器和變頻驅動器12為異步電機5計算出最佳的電壓和頻率，並根據該最佳的電壓和頻率驅動異步電機5。換言之，通過運動控制器和變頻驅動器12，可提供具有所要求的電壓和頻率的交流電來驅動異步電機5。具體的控制方法可基於系統的性能要求和系統配置設計。下面，將給出三種典型的控制方法。
[0036]I)高性能設計:閉環電機速度控制
[0037]在該閉環電機速度控制方法中，需要將運動控制器和變頻驅動器12的一個埠P8連接到異步電機5，用於實時獲取異步電機5的轉速信號，如圖3所示。當然，該信號也可採集自電機所在軸上的任何其他位置，只要能夠獲得電機轉速即可。此時，形成閉環電機速度控制策略。在這種情況下，建議使用高性能的變頻電機，例如變頻異步電機、變頻同步電機、各種伺服電機等。
[0038]對於該閉環電機速度控制方法，根據一個示例性實施例，在向上的衝程中，精確地控制電機的速度，以在電效率與採油效率之間實現良好的平衡。
[0039]對於該閉環電機速度控制方法，根據另一個示例性實施例，在向下的衝程中，運動控制器和變頻驅動器12通過控制向異步電機5輸送的電的頻率使電機轉矩為O或最小化，或簡單地將運動控制器和變頻驅動器12的頻率設為OHz而切斷向異步電機5的電輸送。此時，在向下的衝程中實際上沒有消耗任何電能或消耗非常小的電能，即，沒有使用任何電能或使用非常小的電能來使系統的抽油杆加速或制動該系統。換言之，此時完全或主要依靠抽油杆的重力勢能來完成抽油機的向下衝程。
[0040]這種閉環電機速度控制方法確保了最佳的能效，且對機械系統擾動具有高的可靠性。
[0041]2)中等性能設計:閉環功率-頻率控制
[0042]實際中，在大部分應用場合不需要精確的速度控制，真正重要的是電機的效率，該效率由功率與轉子頻率之間的配合情況決定。
[0043]在這種情況下，向上衝程的控制目標不再是電機的轉速，而是向電機輸送的電功率。由於是閉環控制，此時運動控制器和變頻驅動器12仍需要從異步電機5或其他位置獲取相應的反饋，例如編碼器測量結果或轉速估算結果。運動控制器和變頻驅動器12基於上述反饋計算向異步電機5輸送的最佳電功率，以匹配電機的轉動。
[0044]根據一個優選實施例，在向上的衝程中，運動控制器和變頻驅動器12使異步電機5始終工作在額定轉差率下，即最大電能效率下。
[0045]根據一個優選實施例，在向下的衝程中，使電機始終工作在O轉差率下，即最小化電功率輸出。
[0046]除了可使用高性能電機以外，也可選擇普通的感應電機，而不會明顯地影響系統性能。而且，這種控制方法降低了對運動控制器和變頻驅動器12的要求，因為此時使用簡單的恆壓頻比控制就能夠實現該控制過程。
[0047]3)低性能設計:開環功率-頻率控制
[0048]根據抽油機的具體工作條件、期望的控制目標等因素，為向上的衝程和向下的衝程分別離線指定從運動控制器和變頻驅動器12輸出的功率特性，以使異步電機5按照預先指定的功率特性工作。因此，在這種情況下，需要預留大的功率餘量來應對意外的幹擾。相比前兩種控制方法，該開環功率-頻率控制方法的性能和可靠性相對較差些，但仍比現有的系統具有很大的優勢，而且不需要從異步電機5或其他位置處接收任何反饋，同時降低了對運動控制器和變頻驅動器12的要求，節省了系統的硬體成本。
[0049]對於本領域的技術人員來說，顯然，上面給出的三種控制方法僅是示例性的，而非限制性的。本領域的技術人員根據具體情況完全可以採用其他任何合適的控制方法，例如，向上的衝程米用閉環功率_頻率控制，而向下的衝程米用開環功率_頻率控制。
[0050]當運動控制器和變頻驅動器12控制和驅動異步電機5運行時，顯然還應使二次控制液壓單元I的操作適配異步電機5的運行，為此，運動控制器和變頻驅動器12還應為二次控制液壓單元I提供相應的控制信號。
[0051]為了驗證根據本發明的控制系統和控制方法的有效性，經過模擬仿真驗證。系統配置基於中等性能設計。驗證結果如圖4所示。
[0052]圖4示出了現有方法與根據本發明的方法在一分鐘時長內的電機轉速比較，其中，虛線表示的是現有方法的電機轉速，實線表示的是根據本發明的方法的電機轉速。從圖4中可以看出，在相同的硬體配置(S卩，具有相同的電機、泵、油缸、飛輪)和負載條件下，本發明的方法可在一分鐘內完成6個工作循環，而現有的方法僅能完成4個工作循環。這種工作節奏的加快意味著電機具有更高的效率和更平穩的勢能循環利用。傳統方法的魚翅形曲線(虛線)表明，電機轉速以非線性的較慢速率變化，因為需要消耗額外的能量使電機減速，而根據本發明的方法的鋸齒形曲線(實線)表明沒有消耗額外的能量來使電機減速。而且，根據本發明的方法的速度變化(或動能漲落)大於現有方法的速度變化(或動能漲落)，這種速度變化意味著飛輪的轉動勢能的變化情況，變化越大意味著飛輪收集和釋放越多的勢能，從而提聞了抽油機的能效。
[0053]從以上描述可以看出，根據本發明的系統和方法可在不需要電機輸出功率時切斷或最小化向電機的電輸送，且可在合適的時刻再啟動電機。而且，可根據電機的工作狀態向電機輸送具有合適頻率的交流電，以確保電機始終高效地工作。此外，使電機與電網電隔離，以防止由於可能的載荷變化對電網造成衝擊。
[0054]而且，需要指出的是，通過使用運動控制器和變頻驅動器，除了可使用三相異步電機以外，還可以使用其他任何合適的電機，例如，諸如磁阻電機的同步電機等。作為一個例子，所述異步電機可以為滑差電機。
[0055]對於本領域的技術人員而言，本發明的其他優點和替代性實施方式是顯而易見的。因此，本發明就其更寬泛的意義而言並不局限於所示和所述的具體細節、代表性結構和示例性實施例。相反，本領域的技術人員可以在不脫離本發明的基本精神和範圍的情況下進行各種修改和替代。
【權利要求】
1.一種液壓式抽油機的運行控制系統，包括: 電機，其用於為液壓式抽油機提供驅動動力，且傳動連接到勢能蓄能器； 傳感器，其至少能夠確定液壓式抽油機的抽油杆的上下運動的極限位置和行進方向；以及 運動控制器和變頻驅動器，其設置在為液壓式抽油機提供電能的供電裝置與電機之間，以能夠變頻的方式驅動和控制電機的運行，並為二次控制液壓單元提供控制信號，而且所述運動控制器和變頻驅動器具有與傳感器連接的用於接收傳感器的信號的第一輸入埠並至少能夠根據由傳感器提供的信號控制電機和二次控制液壓單元的運行。
2.如權利要求1所述的運行控制系統，其特徵在於，所述運動控制器和變頻驅動器還具有用於接收能夠反映電機的運行狀態的反饋信號的第二輸入埠。
3.如權利要求1或2所述的運行控制系統，其特徵在於，所述電機是異步電機或同步電機。
4.一種利用權利要求1所述的運行控制系統控制液壓式抽油機的運行的方法，其特徵在於，所述運動控制器和變頻驅動器至少根據由傳感器提供的信號以能夠變頻的方式控制電機和二次控制液壓單元的運行。
5.如權利要求4所述的方法，其特徵在於，所述運動控制器和變頻驅動器還具有用於接收能夠反映電機的運行狀態的反饋信號的第二輸入埠，且所述運動控制器和變頻驅動器根據由傳感器提供的信號以及該反饋信號控制電機和二次控制液壓單元的運行。
6.如權利要求5所述的方法，其特徵在於， 在抽油杆向上運動的衝程中，所述運動控制器和變頻驅動器根據反饋的電機轉速信號基於閉環電機速度控制策略以電機轉速為控制目標控制電機的運行；和/或 在抽油杆向下運動的衝程中，所述運動控制器和變頻驅動器通過控制向電機輸送的電的頻率使電機轉矩為O或最小化，或簡單地切斷向電機的電輸送。
7.如權利要求5所述的方法，其特徵在於，在抽油杆向上運動的衝程以及向下運動的衝程中，所述運動控制器和變頻驅動器根據反饋信號基於閉環功率-頻率控制策略以向電機高效輸送的功率為控制目標控制電機的運行。
8.如權利要求7所述的方法，其特徵在於， 在抽油杆向上運動的衝程中，所述運動控制器和變頻驅動器使電機工作在額定轉差率下；和/或 在抽油杆向下運動的衝程中，所述運動控制器和變頻驅動器使電機工作在O轉差率下。
9.如權利要求7或8所述的方法，其特徵在於，所述反饋信號為電機編碼器測量結果或電機速度估算結果。
10.如權利要求4所述的方法，其特徵在於，分別為抽油杆向上運動的衝程和向下運動的衝程離線指定從運動控制器和變頻驅動器期望輸出的功率特性並將該功率特性儲存在所述運動控制器和變頻驅動器中，當抽油機工作時，所述運動控制器和變頻驅動器根據由傳感器提供的信號基於所述儲存的功率特性來控制電機的運行。
【文檔編號】H02P23/00GK103967449SQ201310039380
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2013年1月31日 優先權日:2013年1月31日
【發明者】孫培, 雷正忠, 陳永伯, 劉洋 申請人:博世力士樂（常州）有限公司