智慧型節能抽油機及其自動控制方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于抽油設備技術領域，具體涉及一種智慧型節能抽油機及其自動控制方法。
【背景技術】
[0002]抽油機是油田主要耗能設備，目前油田中所使用的抽油機絕大部分是游梁式抽油機。這種抽油機由普通電機驅動，經多級減速箱并經連桿和游梁作往復運動。由于抽油機工作時是一種帶有沖擊性的周期交變負載，為保障運行時有足夠的過載能力，往往采用最大容量的驅動電動機，普遍存在“大馬拉小車”的問題，且電動機運行時需經多級減速箱和連桿機構輸出，需要消耗大量動力，導致運行效率和功率因數都很低，一般系統整體效率只有30%?40%。另外，游梁式抽油機工作時，因懸點載荷變化的不均勻性使得抽油機平衡效果差，導致磨損與能耗大、穩定性差，為了減少這種載荷的不均勻性，游梁式抽油機普遍加裝了平衡裝置，部分抽油機安裝有平衡錘并固定在曲柄上，但這種方式的負荷和離心力較大，還有部分抽油機在游梁上安裝有平衡裝置或平衡配重，通過人工移動配重物位置或人工加減配重物質量改變平衡力矩來調節平衡，這兩種平衡方法或二者構成的復合平衡，仍存在笨重且耗時耗力、平衡過輕或平衡過重導致調節范圍極為有限，平衡精度效果不佳和維護成本高的缺點，因此現有游梁式抽油機無法很好的適應載荷的動態變化，一般靠增大電動機的輸出功率來彌補，這樣就增大了抽油機運轉的能耗，而且抽油機運行時工況噪音巨大。另夕卜，抽油機的智能自動化控制水平也存在滯后缺陷，地面和井下情況無法實時并真實有效的納入智能控制系統，在油田生產復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現自動且無損耗或低損耗調整，平衡精度遠遠不能適應載荷變化。如2015年7月15日公開的公布號為CN 104775792 A的智能抽油機發明專利申請，該智能抽油機雖然實現了自動調整平衡度的功能，但是受其傳動機構和普通電機的限制，使該機的平衡度調節粗礦，不夠精準，并且調節范圍有限。同時，該抽油機還存在電機功率因數小、傳動鏈長、結構復雜和能耗損失大的缺陷。且在油田抽油作業中，抽油桿輕微卡阻的情況時有發生，一旦出現抽油桿輕微卡阻，抽油桿下落速度慢于驢頭下落速度，則出現過平衡現象，將造成電機負載急劇加重，能耗極大，并且可能造成停機或電機燒毀，嚴重影響油田作業。
[0003]我國油田抽油機現逾10萬臺，年耗電量達數百億kW4，年維護管理費用也是一筆龐大消耗。因此針對我國油氣田開發現狀，為滿足數字化油田建設和節能降耗的需要，研制開發高效節能的智慧型油田抽油機具有非常重要的意義。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是針對上述現有技術的不足，提供一種功率因數高、節能效果好，智能控制自動化程度高，能夠確保平衡度調節精確，并能有效降低操作人員勞動強度，實現精細化管理，提高抽油效率和設備使用壽命的智慧型節能抽油機。
[0005]同時，本發明的另一目的是提供一種該智慧型節能抽油機的自動控制方法，有效實現各平衡裝置的協同配合，使平衡度的調節更加快速便捷，精確性更高。
[0006]為實現本發明的目的所采用的技術方案是:該智慧型節能抽油機包括游梁、驢頭、尾梁、支架、底座、主電機、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動該配重箱移動的步進電機，步進電機設置在游梁上，通過萬向聯軸器與設置在尾梁上的滑動絲杠連接，通過該滑動絲杠帶動尾梁配重箱在尾梁上移動，其特征在于:主電機采用低速恒轉矩永磁直驅電機，電機軸直接與曲柄連接，曲柄離心端通過連桿與游梁連接，在游梁上設置有外置式精調平衡裝置或內置式精調平衡裝置，在智能控制柜中設有電控單元和遠程終端智能單元，遠程終端智能單元與電控單元有線連接，遠程終端智能單元與各工況傳感器無線連接。
[0007]所述外置式精調平衡裝置位于結構為工字鋼的游梁頂部，該裝置包括由左向右依次設在游梁頂部的伺服電機、左支座和右支座，左支座和右支座之間設有與游梁平行的絲杠，伺服電機驅動該絲杠旋轉，在絲杠上穿設有與其螺紋配合連接的精調配重箱，該配重箱的垂直截面呈倒U型結構，騎跨在游梁上，并設有沿游梁上表面滾動的左、右滾輪，箱內盛裝有精調配重塊。
[0008]所述內置式平衡精調裝置位于結構為矩形筒體的游梁體內，該裝置包括由左向右依次設在游梁體內的伺服電機、左支座和右支座，左支座和右支座之間設有與游梁平行的絲杠，該絲杠與伺服電機連接，絲杠上穿裝有與其螺紋配合連接的精調配重鉛塊。
[0009]所述電控單元包括變壓器、主驅動模塊和平衡驅動模塊，其中，主驅動模塊與抽油機的主電機導線連接，平衡驅動模塊分別與尾梁平衡裝置和精調平衡裝置導線連接，變壓器與遠程終端智能單元導線連接，所述主驅動模塊，包括斷路器、電力監控模塊、接觸器和具有相位控制功能的變頻器，用于電參數的測量以及實現對電力的輸入輸出控制;所述平衡驅動模塊，包括斷路器、熱過載繼電器、正反向接觸器和伺服控制器，用于驅動并控制尾梁平衡裝置上的步進電機以及游梁上設置的外置式精調平衡裝置或內置式精調平衡裝置上的伺服電機。
[0010]所述遠程終端智能單元包括通訊模塊、數/模混合采集模塊、數據運算模塊、運行控制模塊和顯示模塊，所述數/模混合采集模塊，用于數字量和模擬量的計量數據采集、測量數據采集和設備開關狀態采集;所述數據運算模塊，包括CPU和存儲器，用于負責處理各種信息數據，經運算處理后輸出并存儲各種臨時或永久性數據;所述運行控制模塊，用于對開關按鈕自動控制和將邏輯指令轉化為控制動作，最終實現對抽油機的運行控制;所述顯示模塊包括顯示屏或儀表，用于顯示抽油機系統運行情況及各類警告信息；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無線模塊，用于智能控制柜內各單元及模塊之間通訊連接、數據信息傳輸以及與各工況傳感器無線通訊連接和外部互聯通訊。
[0011 ]本發明智慧型節能抽油機的自動控制方法，包括啟動、運行、沖次調整、沖程調整、平衡調整、異常處理和停機處理7個步驟，其中:
沖次的調整是以井口流量為主反饋量，其它傳感采集數據為輔，由遠程終端智能單元的數/模混合采集模塊通過數據混合，交由數據運算模塊對混合后的數據通過運算進行處理分析后發送相應指令至運行控制模塊，運行控制模塊收到指令后控制電控單元的主驅動模塊，主驅動模塊通過具有相位控制功能的變頻器實現對主電機運轉進行無級變速調節，實現沖次變化的實時調整；
平衡的調整是按以下步驟進行:
步驟I，由載荷傳感器和角位移傳感器將實時監測采集的地面數據通過無線傳輸反饋至遠程終端智能單元；
步驟2，由井口上的液位傳感器、壓力傳感器、流量變送器、溫濕度傳感器將實時監測采集的井下數據通過無線傳輸反饋至遠