叢式井抽油機(jī)分布式集散變頻控制節(jié)能裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種叢式井抽油機(jī)分布式集散變頻控制節(jié)能裝置，包括外部高壓電網(wǎng)、變壓器、整流裝置、直流母線排、兩臺(tái)或兩臺(tái)以上的逆變裝置、兩臺(tái)或兩臺(tái)以上的抽油機(jī)和分布式集散控制裝置。所述整流裝置的輸出端連接到所述直流母線排的輸入端；所述直流母線的輸出端分布連接到兩臺(tái)或兩臺(tái)以上所述逆變裝置的輸入端；每臺(tái)所述逆變裝置的輸出端連接一臺(tái)所述抽油機(jī)電機(jī)的輸入端。所述分布式集散控制裝置的輸出端分別連接控制兩臺(tái)或兩臺(tái)以上所述逆變裝置的控制端。本實(shí)用新型可以避免多臺(tái)抽油機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中同時(shí)達(dá)到功率峰值，從而減少因供電電網(wǎng)或發(fā)電機(jī)受到?jīng)_擊導(dǎo)致過(guò)載停機(jī)的故障，能充分利用電動(dòng)機(jī)的回饋能量，達(dá)到節(jié)能目的。
【專利說(shuō)明】叢式井抽油機(jī)分布式集散變頻控制節(jié)能裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種油田開(kāi)采設(shè)備。特別是涉及叢式井抽油機(jī)分布式集散變頻控制節(jié)能裝置。
技術(shù)背景
[0002]游梁式抽油機(jī)是國(guó)內(nèi)普遍應(yīng)用的一種油田開(kāi)采設(shè)備，一種變形的四連桿機(jī)構(gòu)，其整機(jī)結(jié)構(gòu)像一架天平，一端是抽油載荷，另一端是平衡配重載荷。抽油機(jī)在上下行運(yùn)行過(guò)程中，由于負(fù)載的特殊性，沖擊電流很大，正常運(yùn)行時(shí)其功率只有額定功率的1/4-1/3，變壓器容量浪費(fèi)嚴(yán)重；抽油機(jī)正常運(yùn)行時(shí)電網(wǎng)功率因數(shù)很低，無(wú)功功率較大，增加了供電線路的損失，降低了外部電源品質(zhì)，發(fā)、供電設(shè)備的有效利用率也隨之降低。
[0003]叢式井的優(yōu)點(diǎn):⑴節(jié)約土地資源，大大減少鉆前費(fèi)用，保護(hù)周圍環(huán)境；(2)方便鉆井和壓裂作業(yè)，減少的搬家費(fèi)用；(3)多口井可以統(tǒng)一進(jìn)行壓裂及排采維護(hù)，降低地面建設(shè)費(fèi)及管理成本。但叢式井也存在的問(wèn)題:當(dāng)叢式井中有多臺(tái)抽油機(jī)同時(shí)出現(xiàn)最大功率輸出時(shí)，會(huì)導(dǎo)致變頻器過(guò)載停機(jī)，影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行。常用的解決方法是采用加大發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量，由此將增加設(shè)備投資。
[0004]針對(duì)游梁式抽油機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)的效率低下、耗能大、沖次調(diào)節(jié)不方便等問(wèn)題，部分采油廠進(jìn)行了變頻改造，許多油井和煤層氣井使用變頻器進(jìn)行抽油機(jī)調(diào)速，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能、增產(chǎn)的目的。使用兩象限變頻器，這種變頻器通過(guò)二極管整流橋?qū)?lái)自外部電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換成直流電，采用IGBT逆變技術(shù)將直流電轉(zhuǎn)化成電壓頻率皆可調(diào)整的交流電，進(jìn)而調(diào)節(jié)抽油機(jī)的運(yùn)行沖次。利用兩象限變頻器只解決了沖擊電流大的問(wèn)題，卻又引入了新問(wèn)題，電流諧波大大增加，并且不能解決功率因數(shù)低，無(wú)功功率大的問(wèn)題，同時(shí)在抽油機(jī)的配重不平衡時(shí)，在一個(gè)沖程過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速的情況，使電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，電機(jī)回饋能量，回饋再生能量通過(guò)與變頻器逆變橋IGBT并聯(lián)的續(xù)流二極管的整流作用，反饋到變頻器直流母線，引起主回路直流母線電壓升高，當(dāng)主回路直流母線電壓過(guò)高會(huì)導(dǎo)致變頻器故障停機(jī)無(wú)法正常工作。由于兩象限變頻器采用二極管整流橋，無(wú)法實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，所以不具有將電機(jī)回饋能量送回電網(wǎng)的功能，導(dǎo)致再生能量只能對(duì)直流母線濾波電容器進(jìn)行充電，致使直流母線電壓過(guò)高，使得濾波電容器和功率開(kāi)關(guān)器件損壞。目前，為解決電機(jī)的能量回饋問(wèn)題，通常采用以下方法:如圖1所示，現(xiàn)有技術(shù)提供的抽油機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)，交流電由整流單元101把整流成直流電、通過(guò)濾波單元102后、再經(jīng)過(guò)逆變單元IGBT 104轉(zhuǎn)換成變頻的交流電，如果直流母線111和113的電壓過(guò)高，則通過(guò)制動(dòng)單元103來(lái)消耗電能。為了保護(hù)電容器及功率開(kāi)關(guān)器件的安全，還會(huì)在變頻器直流母線上通過(guò)電力電子開(kāi)關(guān)連接一個(gè)大功率電阻，將抽油機(jī)電機(jī)產(chǎn)生的反發(fā)電能量通過(guò)電阻以熱量的形式消耗掉，造成了大量的能源浪費(fèi)。
[0005]上述方法主要存在以下問(wèn)題:⑴兩象限變頻器所采用的二極管整流橋會(huì)對(duì)外部電網(wǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重諧波污染，降低了功率因數(shù)；(2)回饋再生能量被制動(dòng)耗能電阻直接消耗掉，浪費(fèi)了電能；(3)每臺(tái)抽油機(jī)均需要配置一臺(tái)變壓器和一臺(tái)變頻器，每個(gè)變頻器都具有整流環(huán)節(jié)，對(duì)于多臺(tái)抽油機(jī)相距較近的場(chǎng)合，浪費(fèi)變壓器容量，增加系統(tǒng)制造成本。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本實(shí)用新型的目的是提供一種叢式井抽油機(jī)分布式集散變頻控制節(jié)能裝置，在保證抽油機(jī)設(shè)定的沖次要求前提下，通過(guò)分布式集散變頻控制節(jié)能裝置，避免多臺(tái)抽油機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中同時(shí)達(dá)到功率峰值，從而減少因供電電網(wǎng)或發(fā)電機(jī)受到?jīng)_擊導(dǎo)致過(guò)載停機(jī)的故障，能充分利用電動(dòng)機(jī)的回饋能量，達(dá)到節(jié)能目的；同時(shí)還提高了功率因數(shù)、系統(tǒng)的可靠性以及降低了叢式井井場(chǎng)電網(wǎng)或發(fā)電機(jī)的裝機(jī)容量，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)節(jié)能降耗、降低投資系統(tǒng)成本。
[0007]叢式井抽油機(jī)分布式集散變頻控制節(jié)能裝置，包括外部高壓電網(wǎng)、變壓器、整流裝置、直流母線排、兩臺(tái)或兩臺(tái)以上的逆變裝置、兩臺(tái)或兩臺(tái)以上的抽油機(jī)和分布式集散控制裝置；所述外部高壓電網(wǎng)輸出的三相交流電連接到所述變壓器的輸入端；所述變壓器的輸出端連接到所述整流裝置的輸入端；所述整流裝置的輸出端連接到所述直流母線排的輸入端；所述直流母線的輸出端分布連接到兩臺(tái)或兩臺(tái)以上所述逆變裝置的輸入端；每臺(tái)所述逆變裝置的輸出端連接一臺(tái)所述抽油機(jī)電機(jī)的輸入端；控制各個(gè)抽油機(jī)的沖次，反向發(fā)電電能作為其他抽油機(jī)電機(jī)的動(dòng)力電能的所述分布式集散控制裝置的輸出端分別連接控制兩臺(tái)或兩臺(tái)以上所述逆變裝置的控制端。
[0008]所述分布式集散控制裝置和與叢式井場(chǎng)內(nèi)每臺(tái)抽油機(jī)對(duì)應(yīng)的逆變裝置之間采用實(shí)時(shí)總線通訊。所述逆變裝置的直流母線采用并聯(lián)。
[0009]所述逆變裝置的直流母線采用通過(guò)開(kāi)關(guān)或者接觸器實(shí)現(xiàn)直流母線并聯(lián)的通斷。
[0010]所述逆變裝置包括串聯(lián)的短路保護(hù)電路、緩沖電路和逆變器。
[0011]所述整流裝置為PWM脈寬調(diào)制可控制的IGBT整流電路。
[0012]還包括一個(gè)控制所述分布式集散控制裝置總電源開(kāi)關(guān)的總斷路器和分別控制各個(gè)抽油機(jī)電源的斷路器。
[0013]本實(shí)用新型的有益效果如下:
[0014]本實(shí)用新型提供一種叢式井抽油機(jī)分布式集散變頻控制節(jié)能裝置系統(tǒng)，具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)控制裝置結(jié)構(gòu)合理、簡(jiǎn)單，共用一個(gè)整流裝置，可拖動(dòng)同一井場(chǎng)上多臺(tái)抽油機(jī)進(jìn)行變頻控制，實(shí)現(xiàn)沖次的調(diào)節(jié)，從而降低了系統(tǒng)成本。(2)當(dāng)使用多臺(tái)抽油機(jī)時(shí)，各臺(tái)抽油機(jī)各自獨(dú)立配置逆變裝置，可實(shí)現(xiàn)單臺(tái)的獨(dú)立控制。(3)每臺(tái)抽油機(jī)配置一臺(tái)四象限變頻器，當(dāng)電機(jī)回饋能量時(shí)，可以通過(guò)PWM整流器回饋給電網(wǎng)，或者作為其他抽油機(jī)電機(jī)的動(dòng)力電能，從而充分利用了回饋再生電能，極大減少電能浪費(fèi)，達(dá)到節(jié)能目的，減小抽油機(jī)系統(tǒng)對(duì)供電電網(wǎng)的沖擊，從而降低叢式井的裝機(jī)容量及故障率，同時(shí)也降低了回饋電流對(duì)電網(wǎng)側(cè)的諧波污染，提高了功率因數(shù)和系統(tǒng)的可靠性。
【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1為現(xiàn)有技術(shù)提供的抽油機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖2為本實(shí)用新型提供抽油機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖3為本實(shí)用新型提供的叢式井抽油機(jī)分布式集散變頻控制節(jié)能裝置系統(tǒng)示意圖；
[0018]圖4為本實(shí)用新型提供的分布式集散變頻控制節(jié)能裝置控制逆變裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖5為本實(shí)用新型提供的分布式集散變頻控制節(jié)能裝置的內(nèi)部框架示意圖；
【具體實(shí)施方式】
[0020]本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是:外部高壓電網(wǎng)、變壓器、整流裝置、直流母線排、兩臺(tái)含兩臺(tái)以上的逆變裝置、兩臺(tái)含兩臺(tái)以上的抽油機(jī)和分布式集散控制裝置構(gòu)成?？刂蒲b置和與叢式井場(chǎng)內(nèi)每臺(tái)抽油機(jī)對(duì)應(yīng)的逆變裝置，逆變裝置和控制裝置之間采用實(shí)時(shí)總線通訊，所述逆變裝置的直流母線采用并聯(lián)；所述控制裝置作為主站，通過(guò)對(duì)作為分布式從站的逆變裝置的變頻參數(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)及控制，實(shí)現(xiàn)叢式井場(chǎng)內(nèi)每臺(tái)抽油機(jī)電機(jī)的反向發(fā)電電能再利用以及抽油機(jī)功率削峰填谷控制，使產(chǎn)生的再生回饋能量和內(nèi)部消耗的能量達(dá)到平衡，同時(shí)滿足現(xiàn)場(chǎng)抽油機(jī)實(shí)際工況需求。所述逆變裝置的直流母線采用直接并聯(lián)，或者通過(guò)開(kāi)關(guān)或者接觸器實(shí)現(xiàn)直流母線并聯(lián)的通斷。所述逆變裝置包括串聯(lián)的短路保護(hù)電路、緩沖電路和逆變器。所述整流裝置為PWM脈寬調(diào)制可控制的IGBT整流電路。還包括一個(gè)控制所述控制裝置總電源開(kāi)關(guān)的總斷路器，和分別控制各個(gè)抽油機(jī)電源的斷路器。
[0021]以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明:
[0022]如圖2所示，為本實(shí)用新型提供抽油機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖，交流電由整流單元201把整流成直流電、通過(guò)濾波單元202后、再經(jīng)過(guò)逆變單元IGBT 204轉(zhuǎn)換成變頻的交流電，如果直流母線211和213的電壓過(guò)高，則通過(guò)整流單元201里逆變單元IGBT 204逆變回外部電網(wǎng)，或者通過(guò)制動(dòng)單元203來(lái)消耗電能。
[0023]如圖3所示，本實(shí)用新型包括該節(jié)能裝置包括外部高壓電網(wǎng)、變壓器、整流裝置、直流母線排、兩臺(tái)含兩臺(tái)以上的逆變裝置、兩臺(tái)含兩臺(tái)以上的抽油機(jī)，分布式集散控制裝置。所述外部高壓電網(wǎng)輸出的三相交流電連接到所述變壓器的輸入端；所述變壓器的輸出端連接到所述整流裝置的輸入端；所述整流裝置的輸出端連接到所述直流母線排的輸入端；所述直流母線的輸出端分布連接到兩臺(tái)及兩臺(tái)以上所述逆變裝置的輸入端；每臺(tái)所述逆變裝置的輸出端連接一臺(tái)所述抽油機(jī)電機(jī)的輸入端；所述分布式集散控制裝置的輸出端分別連接控制兩臺(tái)及兩臺(tái)以上所述逆變裝置的控制端，控制調(diào)節(jié)叢式井各個(gè)抽油機(jī)的沖次，反向發(fā)電電能作為其他抽油機(jī)電機(jī)的動(dòng)力電能，使產(chǎn)生的再生回饋能量和內(nèi)部消耗的能量達(dá)到平衡。所述分布式集散控制裝置作為主站，采用現(xiàn)有的產(chǎn)品及工作模式，通過(guò)對(duì)作為分布式從站的逆變裝置的變頻參數(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)及控制，實(shí)現(xiàn)叢式井場(chǎng)內(nèi)每臺(tái)抽油機(jī)電機(jī)的反向發(fā)電電能再利用以及抽油機(jī)功率削峰填谷控制，使產(chǎn)生的再生回饋能量和內(nèi)部消耗的能量達(dá)到平衡，同時(shí)滿足現(xiàn)場(chǎng)抽油機(jī)實(shí)際工況需求。
[0024]如圖4所示，I號(hào)逆變器411、2號(hào)逆變器412、……、N號(hào)逆變器41N，若干臺(tái)變頻器之間的直流母線端431用短路保護(hù)電路、緩沖電路開(kāi)關(guān)裝置401、短路保護(hù)電路、緩沖電路開(kāi)關(guān)裝置開(kāi)關(guān)402、……、短路保護(hù)電路、緩沖電路開(kāi)關(guān)裝置開(kāi)關(guān)40N進(jìn)行通斷實(shí)現(xiàn)并聯(lián)，或者使用接觸器替代開(kāi)關(guān)，通過(guò)開(kāi)關(guān)或接觸器實(shí)現(xiàn)變頻器組直流母線的通斷，或者去掉開(kāi)關(guān)直接并聯(lián)，始終保持各組變頻器之間直流母線端431的并聯(lián)連接；分布式集散控制裝置420與逆變器411、逆變器412、……、逆變器4IN之間實(shí)現(xiàn)總線通訊432連接，分布式集散控制裝置420作為主站，各逆變裝置41作為從站，進(jìn)行各逆變裝置變頻參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及控制。
[0025]如圖5所示，分布式集散控制裝置由四大模塊構(gòu)成，分別為人機(jī)界面模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)模塊和其他模塊。其中人機(jī)模塊有由實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示、歷史數(shù)據(jù)顯示、報(bào)警故障顯示和控制參數(shù)設(shè)置組成；通信模塊由定時(shí)啟動(dòng)通信、逆變裝置通信、上位機(jī)通信和通信故障處理組成；數(shù)據(jù)庫(kù)模塊由現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行信息、歷史報(bào)警信息、數(shù)據(jù)庫(kù)報(bào)表和歷史信息查詢組成；其他功能模塊由密碼設(shè)置、幫助信息、打印設(shè)置和軟件版本信息組成。
[0026]本實(shí)用新型提供一種應(yīng)用于叢式井抽油機(jī)分布式集散變頻控制節(jié)能裝置系統(tǒng)的工作原理為:將多口油井的變頻器直流母線進(jìn)行并聯(lián)，將某一臺(tái)變頻器的回饋能量作為其它變頻器的動(dòng)力，在保證抽油機(jī)設(shè)定的沖次要求前提下，通過(guò)分布式集散變頻控制節(jié)能裝置的控制算法，控制調(diào)節(jié)叢式井各個(gè)抽油機(jī)的沖次，避免多臺(tái)抽油機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中同時(shí)達(dá)到功率峰值，從而減少因供電電網(wǎng)或發(fā)電機(jī)受到?jīng)_擊導(dǎo)致過(guò)載停機(jī)的故障，能充分利用電動(dòng)機(jī)的回饋能量，達(dá)到節(jié)能目的；同時(shí)還提高了功率因數(shù)、系統(tǒng)的可靠性以及降低了叢式井井場(chǎng)電網(wǎng)或發(fā)電機(jī)的裝機(jī)容量，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)節(jié)能降耗、降低投資系統(tǒng)成本。
[0027]以上所述僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，但是，對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員應(yīng)該知曉的是，在符合本實(shí)用新型原理精神的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
[0028]本實(shí)用新型相比較一臺(tái)抽油機(jī)配備一臺(tái)變壓器和整流裝置的系統(tǒng)，本系統(tǒng)的變壓器和整流裝置總?cè)萘靠蓽p小70%左右；整流裝置使用可控整流IGBT，實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)；通過(guò)對(duì)分布式從站的逆變裝置的變頻參數(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)，控制調(diào)節(jié)叢式井各個(gè)抽油機(jī)的沖次，實(shí)現(xiàn)叢式井場(chǎng)內(nèi)每臺(tái)抽油機(jī)電機(jī)的反向發(fā)電電能再利用以及抽油機(jī)功率削峰填谷控制，使產(chǎn)生的再生回饋能量和內(nèi)部消耗的能量達(dá)到平衡，同時(shí)滿足現(xiàn)場(chǎng)抽油機(jī)實(shí)際工況需求，可將再生能量回饋給直流母線排，用于其他逆變裝置，使功率因數(shù)提高到接近于I，滿載輸入電流諧波可控制在5%之內(nèi)；啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊??；抽油機(jī)下行時(shí)，所產(chǎn)生的回饋能量可通過(guò)直流母線給處于上行工作狀態(tài)的抽油機(jī)供電，進(jìn)一步減少了對(duì)電網(wǎng)能量的需求。
【權(quán)利要求】
1.叢式井抽油機(jī)分布式集散變頻控制節(jié)能裝置，包括外部高壓電網(wǎng)、變壓器、整流裝置、直流母線排、兩臺(tái)或兩臺(tái)以上的逆變裝置、兩臺(tái)或兩臺(tái)以上的抽油機(jī)和分布式集散控制裝置；其特征是:所述外部高壓電網(wǎng)輸出的三相交流電連接到所述變壓器的輸入端；所述變壓器的輸出端連接到所述整流裝置的輸入端；所述整流裝置的輸出端連接到所述直流母線排的輸入端；所述直流母線的輸出端分布連接到兩臺(tái)或兩臺(tái)以上所述逆變裝置的輸入端；每臺(tái)所述逆變裝置的輸出端連接一臺(tái)所述抽油機(jī)電機(jī)的輸入端；控制各個(gè)抽油機(jī)的沖次，反向發(fā)電電能作為其他抽油機(jī)電機(jī)的動(dòng)力電能的所述分布式集散控制裝置的輸出端分別連接控制兩臺(tái)或兩臺(tái)以上所述逆變裝置的控制端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的叢式井抽油機(jī)分布式集散變頻控制節(jié)能裝置，其特征是:所述分布式集散控制裝置和與叢式井場(chǎng)內(nèi)每臺(tái)抽油機(jī)對(duì)應(yīng)的逆變裝置之間采用實(shí)時(shí)總線通訊，所述逆變裝置的直流母線采用并聯(lián)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的叢式井抽油機(jī)分布式集散變頻控制節(jié)能裝置，其特征是:所述逆變裝置的直流母線采用通過(guò)開(kāi)關(guān)或者接觸器實(shí)現(xiàn)直流母線并聯(lián)的通斷。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的叢式井抽油機(jī)分布式集散變頻控制節(jié)能裝置，其特征是:所述逆變裝置包括串聯(lián)的短路保護(hù)電路、緩沖電路和逆變器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的叢式井抽油機(jī)分布式集散變頻控制節(jié)能裝置，其特征是:所述整流裝置為PWM脈寬調(diào)制可控制的IGBT整流電路。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述叢式井抽油機(jī)分布式集散變頻控制節(jié)能裝置，其特征是:還包括一個(gè)控制所述分布式集散控制裝置總電源開(kāi)關(guān)的總斷路器和分別控制各個(gè)抽油機(jī)電源的斷路器。
【文檔編號(hào)】H02P27/06GK204216804SQ201420700891
【公開(kāi)日】2015年3月18日 申請(qǐng)日期:2014年11月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月20日
【發(fā)明者】高肇凌, 劉凱輝, 張少雷, 劉樹(shù)成, 卞和滿, 許宏奇, 郭雪, 邢福林, 王蓓 申請(qǐng)人:河北華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司