專利名稱：降低裝機功率的變頻液壓抽油機的制作方法
所屬技術(shù)領(lǐng)城本發(fā)明涉及從井中開采流體的裝置，尤其涉及一種降低裝機功率的變頻液壓抽油機。
背景技術(shù)：
有桿抽油機是目前油田開發(fā)中普遍使用的一種機械抽油設(shè)備，分為游梁式抽油機和無游梁式抽油機。游梁式抽油機由于其經(jīng)久耐用、元件可靠、維修方便等特點，在油田得到了廣泛的應(yīng)用。但在游梁式抽油機的長期使用過程中，暴露了不少問題1)裝機功率大，能耗高、效率低抽油機體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝機功率大。目前陸上油田的一臺抽油機的裝機容量平均為32.6KW以上，我國陸上油田有桿抽油機的年耗電量約為67.6億千瓦時。由于其巨大的平衡塊、減速器、四聯(lián)桿機構(gòu)和皮帶傳動方式，在運行過程中，耗費了大量的能量。此外，電動機不能根據(jù)抽油機上、下運行行程的負載變化而自動調(diào)節(jié)其輸出功率，因此抽油機的系統(tǒng)效率很低，僅為26％左右。
2)無法根據(jù)復(fù)雜多變的油井工況要求實現(xiàn)自動控制目前的機械式游梁抽油機無法實時調(diào)節(jié)其運動規(guī)律來滿足油井不同沖程、沖次的工況工藝要求，同時游梁式抽油機也無法解決抽油機的供液不足、泵效降低等問題。
游梁式抽油機不能根據(jù)油井工況的變化而自動調(diào)節(jié)其工作規(guī)律，從而不能對油井故障進行自動診斷和控制，因此許多故障(如抽油桿或抽油泵斷脫等)無法及時發(fā)現(xiàn)和避免，從而影響產(chǎn)量并造成不必要的浪費。
在抽油機上應(yīng)用液壓技術(shù)，容易實現(xiàn)抽油機的長沖程、低沖次，可使抽油機的整機重量和占地面積都大大降低。液壓抽油機參數(shù)調(diào)節(jié)方便，容易實現(xiàn)無級調(diào)速，能很好地適應(yīng)井況的變化。近年來，隨著我國油田越來越多地需要長沖程、低沖次的抽油機來提高產(chǎn)液量，人們研究了多種節(jié)能型的液壓抽油機，這些抽油機在改善抽油機的運行參數(shù)，提高抽油機的效率方面有了一定的進步，但由于設(shè)計的液壓系統(tǒng)只是單純地從如何回收抽油機下沖程的能量角度出發(fā)，并沒有充分地利用電機和液壓泵的效率，同時抽油機自適應(yīng)能力差，導(dǎo)致系統(tǒng)效率低、抽油機節(jié)能效果不明顯，因而也就沒有得到有效推廣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種降低裝機功率的變頻液壓抽油機。通過采用變壓變頻技術(shù)來控制三相交流異步電動機的轉(zhuǎn)速，從而控制定量液壓泵輸出流量，達到按一定規(guī)律控制液壓缸進而控制液壓抽油機運行速度；通過采用蓄能器配重的方式來降低液壓系統(tǒng)的裝機功率。
為了達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是包括機械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、由交流矢量變頻器和控制器組成的檢測控制系統(tǒng)。
1)機械系統(tǒng)包括抽油機光桿一端接采油樹，抽油機光桿另一端的鋼絲繩經(jīng)滾輪與液壓缸的柱塞連接，柱塞側(cè)面裝有速度位置傳感器，柱塞頂端安裝擋鐵；2)液壓系統(tǒng)包括液壓泵經(jīng)電磁開關(guān)閥、限速閥、與液壓缸的有桿柱塞腔相連；蓄能器經(jīng)電磁開關(guān)閥與雙向泵/馬達相連；補油裝置與雙向泵/馬達相連；手動泵與液壓缸的有桿柱塞腔相連；電動機一端接電機軸的測速光電編碼器，電動機一端經(jīng)連軸器與液壓泵剛性同軸連接；手動下降閥與液壓缸的有桿柱塞腔相連；3)檢測控制系統(tǒng)包括控制器分別與抽油機速度位置傳感器、電磁開關(guān)閥、電磁開關(guān)閥信號線連接，控制器還經(jīng)交流矢量變頻器分別與電動機和與電機軸的測速光電編碼器信號線連接。
本發(fā)明與背景技術(shù)相比，具有的有益的效果是①采用蓄能器配重的平衡方式，降低了抽油機的裝機功率，簡化了液壓缸結(jié)構(gòu)；②本設(shè)計采用數(shù)控技術(shù)來控制液壓抽油機。通過微機控制單元控制，可使抽油桿、抽油泵的運行速度達到理想的最佳曲線。
③通過調(diào)節(jié)變頻調(diào)速器輸出電源的頻率，改變電動機轉(zhuǎn)速，利用液壓容積調(diào)速原理可無級調(diào)節(jié)抽油機沖次、沖程。根據(jù)電動機上、下沖程的不同，實時調(diào)節(jié)電動機的功率，使電動機始終工作在最佳狀態(tài)，可使抽油機—抽油桿—抽油泵能動態(tài)協(xié)調(diào)，增產(chǎn)、節(jié)能明顯。
④由于使用變頻調(diào)速器，使電動機啟動電流大幅降低，從而延長了電機和液壓泵的壽命。功率因數(shù)大幅度提高；同時啟動電流平穩(wěn)，對電網(wǎng)沖擊小。
⑤由于采用數(shù)字控制的變頻技術(shù)，使抽油系統(tǒng)實現(xiàn)了軟停、軟啟，勻速提升排液和勻速下降進液，整機工作平穩(wěn)，運行沖擊載荷減小。
⑥具有過載、過電流、過電壓、瞬時失速等多種較強的保護功能。
⑦液壓抽油機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)采用傳感器矢量閉環(huán)控制技術(shù)。
總之，它將液壓技術(shù)和變頻技術(shù)、控制技術(shù)集成為一體，根據(jù)油井工況來動態(tài)調(diào)節(jié)液壓抽油機的工作狀態(tài)，變頻液壓抽油機結(jié)合了當代的液壓容積調(diào)速技術(shù)、計算機技術(shù)、變頻控制技術(shù)，軟硬件資源豐富，系統(tǒng)控制靈活，使其具有結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)能效果顯著、自適應(yīng)性強等優(yōu)點。本變頻液壓抽油機具有連續(xù)的無級調(diào)速、調(diào)沖程功能，具有過載、斷載、過電流、瞬時失速等多種較強的自保護功能。


圖1是降低裝機功率的變頻液壓抽油機結(jié)構(gòu)原理圖；圖2是液壓抽油機系統(tǒng)工作原理圖。
圖中1機械系統(tǒng)，2液壓系統(tǒng)，3檢測控制系統(tǒng)，4是底座，5側(cè)支架，6基架加強筋，7上基板，8滾輪支架，9鋼絲繩，10滾輪，11導(dǎo)軌，12速度位置傳感器，13擋鐵，14懸繩器，15光桿，16采油樹，17油管，18柱塞，19液壓缸，20管路，21、22分別為油缸柱塞下、上極限位置的保護行程開關(guān)，23交流矢量變頻器，24控制器到變頻器的輸出信號，25抽油機速度、位置傳感器到控制器的輸出信號，26管路，27手動泵，28油箱，29限速切斷閥，30電動機光電編碼器到變頻器的輸出信號，31電機軸的測速光電編碼器，32電動機，33聯(lián)軸器，34電磁開關(guān)閥，35控制器到電磁開關(guān)閥34的輸出信號，36控制器，37控制器到電磁開關(guān)閥43的輸出信號，38管路，39雙向泵/馬達，40、41為管路，42補油裝置，43電磁開關(guān)閥，44管路，45蓄能器，46變頻器23到電動機32的輸出信號，47安全閥，48管路，49補油泵，50單向閥，51聯(lián)軸器，52補油電機，53管路，54手動下降閥，55管路。
具體實施例方式
由圖1和圖2可知，變頻液壓抽油機是由機械系統(tǒng)1、和液壓系統(tǒng)2、檢測控制系統(tǒng)3組成的，其中1)機械系統(tǒng)1包括4底座，側(cè)支架5，基架加強筋6，上基板7，滾輪支架8，鋼絲繩9，滾輪10，導(dǎo)軌11，速度位置傳感器12，擋鐵13，懸繩器14，光桿15，采油樹16，油管17，柱塞18，液壓缸19，管路20；抽油機光桿15一端經(jīng)采油樹16接油管17，抽油機光桿15另一端的鋼絲繩經(jīng)滾輪10與液壓19的柱塞18連接，柱塞18側(cè)面裝有速度位置傳感器12，柱塞18頂面裝有擋鐵13；
2)液壓系統(tǒng)2包括液壓泵39通過管路38、電磁開關(guān)閥34、限速閥29、管路20與液壓缸19的有桿柱塞腔相通；蓄能器45通過管路44、電磁開關(guān)閥34與雙向泵/馬達39相連；補油裝置42通過管路41與雙向泵/馬達39相連；手動泵27經(jīng)管路26與管路20相連。電動機32通過連軸器33與液壓泵39剛性同軸連接，手動下降閥54通過管路55與管路20相通。
3)檢測控制系統(tǒng)3包括控制器36分別與抽油機速度位置傳感器12、電磁開關(guān)閥34、電磁開關(guān)閥43信號線連接，控制器36還經(jīng)交流矢量變頻器23分別與電動機32和與電機軸的測速光電編碼器31信號線連接。
所說的補油裝置42中，補油電機52通過聯(lián)軸器51與補油泵49相連通，補油泵49通過單向閥50與管路41相通；安全閥47通過管路48與管路41相通，通過管路53與油箱28相連。
本發(fā)明的工作原理如下A)上行抽油機上沖程時，控制器36給變頻器23輸出控制信號24，驅(qū)動電動機32低速運轉(zhuǎn)；同時控制器36輸出控制信號35、37，將電磁開關(guān)閥34、電磁開關(guān)閥43打到上位；電動機32通過聯(lián)軸器33驅(qū)動液壓泵39，將蓄能器45內(nèi)的高壓油經(jīng)過電磁開關(guān)閥43的上位、管路40、41、38，再經(jīng)電磁開關(guān)閥34上位、限速切斷閥29、打入液壓缸19的有桿腔；從而推動柱塞18下行，帶動抽油桿15上行。在運行過程中，控制控制器36實時檢測速度、位移傳感器12輸出的信號25，并計算出此時抽油機的運行速度和位移；變頻器23檢測光電編碼器31輸出的信號30，算出此時電動機33的轉(zhuǎn)速。在控制器36內(nèi)，將輸入的位移信號與預(yù)先設(shè)定的沖程相比較，將輸入的速度信號與理想運行速度曲線相對比后，不斷輸出控制信號24到變頻器23，使變頻器不斷輸出信號46來調(diào)節(jié)電動機32的轉(zhuǎn)速，改變進入液壓缸19的油液流量，進而不斷調(diào)節(jié)抽油桿15的運行速度，將其運行在最理想的工作狀態(tài)下。當抽油桿的位移接近設(shè)定沖程時，控制器36發(fā)出控制信號24，變頻器23降低電動機25的轉(zhuǎn)速，使抽油泵39的供油減少，直至電動機32轉(zhuǎn)速變?yōu)?，液壓泵39無流量輸出，同時電磁開關(guān)閥34、43失電，抽油桿15速度變?yōu)?。抽油桿15到達上沖程死點后，按理想速度曲線要停留一段時間，將抽油桿15的變形能釋放掉。
b)下行抽油機下沖程時，控制器36給變頻器23輸出控制信號24，驅(qū)動電動機32低速運轉(zhuǎn)；同時控制器36輸出控制信號35、37，將電磁開關(guān)閥34、電磁開關(guān)閥43打到上位；電動機32通過聯(lián)軸器33驅(qū)動液壓泵39，將油液由柱塞缸19中的有桿腔經(jīng)過管路20、限速切斷閥29、電磁開關(guān)閥34，打入管路38，再經(jīng)雙向泵/馬達39、管路41、40、電磁開關(guān)閥43，管路44，打入蓄能器45，將油液儲存在蓄能器45內(nèi)；隨著油缸有桿腔內(nèi)油液的減少，柱塞18在抽油桿15的拉力下向上運行，抽油桿15下行。在運行過程中，控制器36實時檢測速度、位移傳感器12輸出的信號25，并計算出此時抽油機的運行速度和位移；變頻器36檢測光電編碼器31輸出的信號30，算出此時電動機32的轉(zhuǎn)速。在控制器36內(nèi)，將輸入的位移信號與預(yù)先設(shè)定的沖程相比較，將輸入的速度信號與理想運行速度曲線相對比后，不斷輸出控制信號24到變頻器23，使變頻器不斷輸出信號46來調(diào)節(jié)電動機32的轉(zhuǎn)速，改變輸出液壓缸19內(nèi)的油液流量，進而不斷調(diào)節(jié)抽油桿15的運行速度，將其運行在最理想的工作狀態(tài)下。當抽油桿的位移接近設(shè)定沖程時，控制器36發(fā)出控制信號24，變頻器23降低電動機32的轉(zhuǎn)速，使液壓泵39的吸油量減少，直至電動機32轉(zhuǎn)速變?yōu)?，液壓泵39無流量輸出，同時電磁開關(guān)閥34、43失電，抽油桿15速度變?yōu)?。抽油桿15到達下沖程死點后，按理想速度曲線要停留一段時間，使抽油泵的添滿系數(shù)達到最佳。
在抽油機上、下運行過程中，抽油機速度、位置信號實時反饋給控制器36并記錄下來，通過與控制器36內(nèi)設(shè)定的理想運行曲線相比較，構(gòu)成抽油機速度反饋大閉環(huán)，從而對抽油機速度進行實時調(diào)節(jié)控制，使其達到最佳的采油狀態(tài)。在抽油機的運行過程中，電動機能夠根據(jù)負載的變化，不斷地調(diào)節(jié)其輸出功率，進而節(jié)省了大量能量。
將所需要的抽油機沖程和沖次數(shù)輸入到控制器36，控制器36會自動調(diào)節(jié)流入、流出液壓缸19的油液流量，從而調(diào)節(jié)抽油機的沖次；同時自動設(shè)置、檢測抽油機的位置傳感器，從而自動調(diào)節(jié)抽油機的沖程。
系統(tǒng)其它組成部件中，限速切斷閥29安裝在靠近液壓缸的管路20上。在抽油機工作的過程中，抽油機由于斷載會導(dǎo)致使液壓缸19與液壓泵39間的管路20或38壓力突然升壓，此時限速切斷閥29、快速進入工作狀態(tài)，切斷液壓缸19油路，使抽油機安全制動。在抽油機的上行程中，由于超載，會使液壓泵39的出口壓力上升，此時安全閥47迅速打開，將壓力保持在工作壓力上限，防止其繼續(xù)上升。
和安全閥47一樣，手動泵27、手動下降閥54在系統(tǒng)處于正常狀態(tài)時，不參與工作。當系統(tǒng)失電或變頻器-電機-泵動力環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障時，手動泵27、手動下降閥54能將抽油機上升或下降至期望位置。
當油缸柱塞18由于以外事故而沖出其規(guī)定行程時，其端部擋鐵13將接觸油缸柱塞桿18上、下極限位置的保護行程開關(guān)21、22，迫使系統(tǒng)斷電，實現(xiàn)斷電保護。
權(quán)利要求
1.一種降低裝機功率的變頻液壓抽油機，包括機械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、由交流矢量變頻器和控制器組成的檢測控制系統(tǒng)；其特征在于1)機械系統(tǒng)(1)包括抽油機光桿(15)一端接采油樹(16)，抽油機光桿(15)另一端的鋼絲繩經(jīng)滾輪(10)與液壓缸(19)的柱塞(18)連接，柱塞(18)側(cè)面裝有速度位置傳感器(12)，柱塞(18)頂端安裝擋鐵(13)；2)液壓系統(tǒng)(2)包括液壓泵(39)經(jīng)電磁開關(guān)閥(34)、限速閥(29)、與液壓缸(19)的有桿柱塞腔相連；蓄能器(45)經(jīng)電磁開關(guān)閥(34)與雙向泵/馬達(39)相連；補油裝置(42)與雙向泵/馬達(39)相連；手動泵(27)與液壓缸(19)的有桿柱塞腔相連；電動機(32)一端接電機軸的測速光電編碼器(31)，電動機(32)一端經(jīng)連軸器(33)與液壓泵(39)剛性同軸連接；手動下降閥(54)與液壓缸(19)的有桿柱塞腔相連；3)檢測控制系統(tǒng)(3)包括控制器(36)分別與抽油機速度位置傳感器(12)、電磁開關(guān)閥(34)、電磁開關(guān)閥(43)信號線連接，控制器(36)還經(jīng)交流矢量變頻器(23)分別與電動機(32)和與電機軸的測速光電編碼器(31)信號線連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種降低裝機功率的變頻液壓抽油機，其特征在于所說的補油裝置(42)中，補油電機(52)通過聯(lián)軸器(51)與補油泵(49)相連，補油泵(49)經(jīng)單向閥(50)和安全閥(47)與雙向泵/馬達(39)相連；安全閥(47)的另一端接油箱(28)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種降低裝機功率的變頻液壓抽油機。包括機械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、由交流矢量變頻器和控制器組成的檢測控制系統(tǒng)。采用變壓變頻技術(shù)來控制三相交流異步電動機的轉(zhuǎn)速，從而控制定量液壓泵的輸出流量，驅(qū)動液壓缸控制抽油機的運行速度。同時，利用蓄能器配重的平衡方式，降低了抽油機的裝機功率，并能有效地利用抽油機下沖程的勢能，節(jié)能效果十分明顯。本抽油機采用數(shù)字變頻控制技術(shù)，可使抽油機的運行速度曲線達到最佳的理想狀態(tài)，從而使抽油機系統(tǒng)效率達到最高。本變頻液壓抽油機具有連續(xù)的無級調(diào)速、調(diào)沖程功能，具有過載、斷載、過電流、瞬時失速等多種較強的自保護功能。
文檔編號E21B43/00GK1544796SQ200310108820
公開日2004年11月10日 申請日期2003年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月21日
發(fā)明者徐兵, 歐陽小平, 平, 徐 兵 申請人:浙江大學(xué)