抽油机运行自动控制装置及节能方法与流程

本发明涉及石油开采技术装备领域，特别是涉及到一种抽油机运行自动控制装置及节能方法。

背景技术：

在我国石油开采中，抽油机有杆泵采油井占到全部油井的80％以上，抽油机的运行效率特别低，平均水平仅为25.96％，而国外的平均水平为30.05％。在油田成本的构成中，电费支出是占比较高的几个项目之一，其中仅抽油机耗电就超过了油田总耗电量的40％，在当前国家“节能减排”的大背景下，降低生产成本，特别是降低抽油机能耗已成为各油田企业亟待解决的问题。

在抽油机有杆泵采油井的生产中，抽油机由持续运行的电动机驱动，普遍采用加装平衡块的方式实现平衡。抽油机调平衡是一种经常性的日常工作，当抽油机的载荷发生变化时，如不能及时调平衡，就会造成抽油机效率降低，增加能耗，严重时可能会导致抽油机故障。

还有一种双井抽油机(zl200820020465.3)现场试验节能效果明显，平均节电率达40％以上(scj12—6.0—40型双井节能抽油机，胜利油田分公司采油工艺研究院，李新华，《石油机械》2010年第38卷第9期)。该种双井抽油机通过两口井间交替上、下冲程，实现了电动机输出动力不间断作用于油井液体举升，克服了单井抽油机仅上冲程作用于油井液体举升的弊端，故节电效果明显。但该种双井抽油机的主副机间采用机械连接，实施受到井间距离限制。为此我们发明了一种新的抽油机运行自动控制装置及节能方法，解决了以上技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种解决了现有技术中单井抽油机电动机输出动力间断的作用于油井液体举升和双井抽油机实施受到井距限制的弊端，消除了抽油机经常性人工调平衡的体力劳动和实时性差的弊端的抽油机运行自动控制装置及节能方法。

本发明的目的可通过如下技术措施来实现：抽油机运行自动控制装置，该抽油机运行自动控制装置包括变频器，第一固态继电器，第二固态继电器和控制装置，该变频器连接于抽油机的电动机，控制电动机的启停和转速，并将工作参数传输给该控制装置；该第一固态继电器连接于电动机，控制电动机工频运行时的启停；该第二固态继电器与抽油机的减速机连接，控制减速机的启停；该变频器，该第一固态继电器和该第二固态继电器分别连接于该控制装置，该控制装置采集抽油机位置信息，电动机的运行模式和工作状态，以及启停时机的延迟量，减速机的工作状态，并在电动机运行模式和启动模式为变频时，该控制装置将启停时机和输出频率传递给该变频器，以控制电动机在上冲程开机、下冲程停机，并将启停时机传递给该第二固态继电器，以控制减速机在下冲程开机，上冲程停机；在电动机的运行模式和启动模式为工频时，该控制装置将启停时机传递给该第一固态继电器，以控制电动机在上冲程开机、下冲程停机，并将启停时机传递给该第二固态继电器，以控制减速机在下冲程开机，上冲程停机。

本发明的目的还可通过如下技术措施来实现：

该抽油机运行自动控制装置还包括位置开关，该位置开关连接于该控制装置，检测抽油机运行的位置信息，并将位置信息传输给该控制装置，该位置开关为上死点开关信号时表明所述抽油机由上冲程转为下冲程，该位置开关为下死点开关信号时表明所述抽油机由下冲程转为上冲程，该控制装置与该位置开关为数字量输入zigbee无线连接。

该抽油机运行自动控制装置还包括多功能电表，该多功能电表连接于该控制装置，计量电动机的用电量，检测电流、电压和输入功率，并将电参数传输给该控制装置，该控制装置根据电参数，判断电动机的开停机这些工作状态。

该控制装置与该多功能电表为rd485通讯采用双绞线连接。

该抽油机运行自动控制装置还包括人机接口，该人机接口连接于该控制装置，以进行参数设定，包括变频器工作频率、启停时机的延迟量这些参数，并显示系统运行状态，系统故障信息。

该抽油机运行自动控制装置还包括第一接触器和第二接触器，该第一接触器和该第二接触器联锁，连接于该控制装置，该第一接触器控制该变频器与电动机间的接通和切断，并将电动机的变频运行模式传输给该控制装置，该第二接触器控制电动机工频电路的接通和切断，并将电动机的工频运行模式传输给该控制装置。

该抽油机运行自动控制装置还包括第一启动开关，该第一启动开关连接于该控制装置，为电动机变频模式运行时的启动开关，并将变频启动开关信号传输给该控制装置。

该抽油机运行自动控制装置还包括第二启动开关，该第二启动开关连接于该控制装置，为电动机工频模式运行时的启动开关，并将工频启动开关信号传输给该控制装置。

该抽油机运行自动控制装置还包括减速机工作状态传感器，该减速机工作状态传感器连接于该控制装置，监测减速机工作状态，并将减速机工作状态传输给该控制装置。

该控制装置包括变频器检测单元，控制输出单元，控制单元和设备运行检测单元，该变频器参数检测单元连接于该变频器，检测该变频器的工作参数，获得该变频器的输出功率、电流、频率信号这些工作参数，该设备运行检测单元连接于该第一接触器、该第二接触器、该第一启动开关、该第二启动开关和该减速机工作状态传感器，以得到该电动机的运行模式和减速机的工作状态，该控制单元连接于该变频器检测单元，该控制输出单元和该设备运行检测单元，根据该变频器的工作状态、该电动机的运行模式和工作状态、减速机工作状态、抽油机位置信息，计算出该变频器的启停时机和输出频率，以及该第一固态继电器、该第二固态继电器的启停时机，并传递给该控制输出单元，该控制输出单元连接于该变频器，给该变频器传递启停信号和工作频率，并与该第一固态继电器、该第二固态继电器的控制信号输入端连接，以控制该第一固态继电器、该第二固态继电器的接通或切断。

该控制装置与该变频器为rd485通讯采用双绞线连接，该控制装置与该第一固态继电器、该第二固态继电器为数字量输出双绞线连接，该控制装置与该第一触器、该第二触器、该第一启动开关和第二启动开关为数字量输入双绞线连接，与该减速机工作状态传感器为模拟量输入双绞线连接。

本发明的目的也可通过如下技术措施来实现：抽油机节能方法，该抽油机设置为载荷大于平衡块的重量的欠平衡模式，该抽油机节能方法包括：步骤1，采集抽油机位置信息；步骤2，采集抽油机电动机的运行模式、启动模式和运行状态，减速机的工作状态，以及启停时机的延迟量；步骤3，控制电动机在上冲程开机、下冲程停机，控制减速机在下冲程开机，上冲程停机。

本发明的目的还可通过如下技术措施来实现：

该抽油机节能方法还包括，在步骤1之前，将抽油机停到下死点，变频启动抽油机；系统初始化为启动模式，接通变频工作电路，切断工频工作电路；变频器启动从而电动机开机，同时，控制减速机停机。

步骤3包括：

步骤a，当抽油机为启动模式时，若通过抽油机位置信息判断为上冲程结束，流程进入到步骤b；若通过抽油机位置信息判断为下冲程结束，流程进入到步骤e；

步骤b，当抽油机为启动模式时，则系统复位为工作模式，检查电动机运行模式和工作状态、减速机的工作状态，若电动机为变频模式开机状态，且减速机为停机状态，则流程进入到步骤c；否则，停机并输出故障码；

步骤c，控制电动机停机，减速机开机，流程进入到步骤d；

步骤d，若通过抽油机位置信息判断为下冲程结束，则流程进入到步骤e，若通过抽油机位置信息判断为上冲程结束，则停机，输出故障码；

步骤e，当抽油机为工作模式时，检查电动机运行模式和状态、减速机的工作状态，若电动机为变频模式停机状态，且减速机为停机状态，则流程进入到步骤f，否则停机，并输出故障码；

步骤f，控制电动机开机，减速机停机，流程返回到步骤a。

在步骤a中，当抽油机为工作模式时，若通过抽油机位置信息判断为上冲程结束，流程进入到步骤b；若通过抽油机位置信息判断为下冲程结束，则停机，输出故障码。

在步骤e中，当抽油机为启动模式时，检查电动机运行模式和状态、减速机的工作状态，若电动机为变频模式开机状态，且减速机为停机状态，系统复位为工作模式，流程进入到步骤f，否则停机，并输出故障码。

在步骤1之前，将抽油机停到下死点，工频启动抽油机；系统初始化为启动模式，接通工频工作电路，切断变频工作电路；控制电动机开机，同时，控制减速机停机。

步骤3包括：

步骤a，当抽油机为启动模式时，若通过抽油机位置信息判断为上冲程结束，流程进入到步骤b；若通过抽油机位置信息判断为下冲程结束，流程进入到步骤e；

步骤b，当抽油机为启动模式时，则系统复位为工作模式，检查电动机运行模式和状态、减速机的工作状态，若电动机为工频模式开机状态，且减速机为停机状态，则流程进入到步骤c；否则停机，并输出故障码；

步骤c，控制电动机停机，减速机开机，流程进入到步骤d；

步骤d，若通过抽油机位置信息判断为下冲程结束，则流程进入到步骤e，若通过抽油机位置信息判断为上冲程结束，则停机，输出故障码；

步骤e，当抽油机为工作模式时，检查电动机运行模式和工作状态、减速机的工作状态，若电动机为工频模式停机状态，，且减速机为停机状态，则流程进入到步骤f，否则停机，并输出故障码；

步骤f，控制电动机开机，减速机停机，流程返回到步骤a。

在步骤a中，当抽油机为工作模式时，若通过抽油机位置信息判断为上冲程结束，流程进入到步骤b；若通过抽油机位置信息判断为下冲程结束，则停机，输出故障码。

在步骤e中，当抽油机为启动模式时，检查电动机运行模式和状态，若电动机为工频模式开机状态，系统复位为工作模式，流程进入到步骤f，否则停机，并输出故障码。

本发明中的抽油机运行自动控制装置及节能方法，其中控制装置收集变频器的工作参数、电动机运行和启动模式、电动机工作状态、减速机工作状态、抽油机位置和启停时机延迟量等信息，自动控制电动机和减速机的启停，实现电动机在抽油机上冲程开机、下冲程停机，减速机在下冲程开机、上冲程停机的技术效果。由于所述电动机仅上冲程开机，有效减少了所述电动机工作时间；通过所述电动机功率与所述抽油机载荷匹配，实现了所述电动机负载率的提高和稳定，有利于提高所述电动机的运行效率；因所述电动机下冲程不开机，所述抽油机在下冲程的机械传动耗能来自所述抽油机载荷悬挂的抽油杆柱重力，以上三方面均有利于所述抽油机效率的提高，从而降低所述抽油机的能耗。为实现在电动机停机的情况下实现抽油机下冲程的完成，抽油机设置为欠平衡模式，即抽油机载荷要大于平衡块的重量，下冲程由抽油杆的重力提供下行动力。由于所述抽油机为欠平衡设置，不需要考虑上、下冲程的平衡问题，因此消除了抽油机经常性人工调平衡的体力劳动和实时性差的弊端。

附图说明

图1为本发明的抽油机运行自动控制装置的一具体实施例的结构图；

图2为本发明的抽油机运行节能方法的一具体实施例的流程图；

图3为本发明的抽油机运行节能方法的另一具体实施例的流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合附图所示，作详细说明如下。

如图1所示，图1为本发明的抽油机运行自动控制装置的结构图。该抽油机运行自动控制装置包括变频器3、固态继电器ⅰ4、固态继电器ⅱ5、控制装置6、位置开关7、电表8、人机接口9、启动开关ⅰ10、启动开关ⅱ11、接触器ⅰ12、接触器ⅱ13、减速机工作状态传感器14。

抽油机的电动机1用于给抽油机提供动力，并且，控制装置6通过变频器3控制电动机1的启停和转速，或者，控制装置6通过固态继电器ⅰ4控制电动机1的启停。

抽油机的减速机2在所述电动机1停机时，为抽油机运行减速，并且，控制装置6通过固态继电器ⅱ5控制减速机2的启停。

变频器3与所述电动机1连接，所述变频器3用于控制所述电动机1的启停和转速；

固态继电器ⅰ4与所述电动机1连接，所述固态继电器ⅰ4用于控制所述电动机1工频运行时的启停；

固态继电器ⅱ5与所述减速机2连接，所述固态继电器ⅱ5用于控制所述减速机2的启停；

接触器ⅰ12和接触器ⅱ13联锁，所述接触器ⅰ12控制所述变频器3和所述电动机1间的接通和切断，所述接触器ⅱ13控制所述电动机1工频电路的接通和切断；

多功能电表8用于计量所述电动机1的用电量，检测电流、电压和输入功率；

减速机工作状态传感器14连接于控制装置6，监测减速机工作状态，并将减速机工作状态传输给该控制装置6。

控制装置6与所述变频器3连接，所述控制装置6用于获得所述变频器3的工作参数；

所述控制装置6与所述接触器ⅰ12连接，所述控制装置6用于获得所述电动机1变频运行模式；

所述控制装置6与所述接触器ⅱ13连接，所述控制装置6用于获得所述电动机1工频运行模式；该控制装置与该接触器ⅰ12、该接触器ⅱ13为数字量输入双绞线连接，

所述控制装置6与所述减速机工作状态传感器14连接，所述控制装置6用于获得所述减速机工作状态，所述控制装置6与减速机工作状态传感器14为模拟量输入双绞线连接；

所述控制装置6与所述多功能电表8连接，所述控制装置6用于获得所述多功能电表8检测的电参数，从而判断所述电动机1的开停机状态等参数，所述控制装置6与所述多功能电表8连接的具体方式为rd485通讯采用双绞线连接；

位置开关7与所述控制装置6连接，所述位置开关7用于检测抽油机运行的位置信息，并将位置信息传输给所述控制装置6，该控制装置6与该抽油机位置开关7为数字量输入zigbee无线连接；

启动开关ⅰ10用于所述电动机1变频模式运行的启动，并将变频启动开关信号传输给所述控制装置6；

启动开关ⅱ11与所述控制装置6连接，所述启动开关ⅱ11用于所述电动机1工频模式运行的启动，并将工频启动开关信号传输给所述控制装置6；该抽油机启动开关ⅰ10、该启动开关ⅱ11与该控制装置为数字量输入双绞线连接。

其中，所述控制装置6通过获得所述变频器3工作参数、所述电动机1运行模式(工频或变频)、所述电动机1工作状态(开机或停机)，减速机2工作状态(开机或停机)，以及位置开关7信号和启停时机的延迟量，以实现对所述电动机1运行的自动控制，所述控制装置6与所述变频器3连接的具体方式为rd485通讯采用双绞线连接，所述控制装置6与所述固态继电器ⅰ4、所述固态继电器ⅱ5为数字量输出双绞线连接。

进一步的，控制装置6又由变频器检测单元61，控制输出单元62、控制单元63、设备运行检测单元64组成，其中：

变频器参数检测单元61与所述变频器3连接，用于检测变频器3的工作参数；通过rd485通讯，获得变频器3的输出功率、电流、频率信号等工作参数。

设备运行检测单元64与所述接触器ⅰ12、接触器ⅱ13、启动开关ⅰ10、启动开关ⅱ11连接、减速机工作状态传感器14，用于获得所述电动机1的运行模式(变频或工频)和减速机2工作状态(开机或停机)；

控制输出单元62与所述变频器3、固态继电器ⅰ4、固态继电器ⅱ5连接，用于给所述变频器3传递启停信号和工作频率，给所述固态继电器ⅰ4、固态继电器ⅱ5传递数字量，具体的，所述控制输出单元62是通过rd485协议与所述变频器3通讯传递信息，控制输出单元62与固态继电器ⅰ4、固态继电器ⅱ5控制信号输入端连接，进而控制所述固态继电器ⅰ4、固态继电器ⅱ5的接通或切断；

控制单元63分别与所述变频器检测单元61，控制输出单元62、设备运行检测单元64连接。其中，所述控制单元63根据变频器3工作状态、电动机1的运行模式和状态、减速机2工作状态、抽油机位置信息，计算出控制动作，并传递给所述变频器3和固态继电器ⅱ5或所述固态继电器ⅰ4、固态继电器ⅱ5，实现对抽油机的控制。

另外，该抽油机自动控制装置还包括人机接口9，通过人机接口9实现人工对自动控制装置进行人工设定参数，人机接口9可以对控制装置6进行编程，在系统安装完成后进行参数设置，如变频器工作频率、启停时机的延迟量等参数，并且可以显示系统运行状态，系统故障信息等。所述启停时机的延迟量是指所述电动机的启停时间相对于所述位置开关打开时间的延迟量。

本发明实施例还提供了一种抽油机节能方法，如图2所示：

步骤b1：将抽油机停到下死点，按下启动开关ⅰ，变频启动抽油机,转到步骤b2；

步骤b2：系统初始化为启动模式，接通变频工作电路，切断工频工作电路,转到步骤b3；

步骤b3：控制装置6将启动信息和工作频率传递给变频器3，变频器3启动从而电动机1开机,同时，控制装置6控制固态继电器ⅱ5切断，减速机停机，转到步骤b4；

步骤b4：位置开关7打开，系统为启动模式时，若为上死点开关信号(上冲程结束)，转到步骤b5；若为下死点开关信号(下冲程结束)，转到步骤b8；系统为工作模式时，若为上死点开关信号(上冲程结束)，转到步骤b5；若为下死点开关信号，停机，输出故障码；

步骤b5：系统为启动模式时，则系统复位为工作模式，检查电动机1运行模式和工作状态、减速机2工作状态，若电动机1为变频模式开机状态且减速机2为停机状态，则转到步骤b61、步骤b62，否则，若电动机1不是变频模式或电动机1不是开机状态，或减速机2不为关机状态，电动机1和减速机2都停机，并输出故障码；

步骤b61、步骤b62：控制装置将停机信息传递给变频器3，变频器3切断电源，电动机1停机，控制装置6控制固态继电器ⅱ5接通，减速机工作，转到步骤b7；

步骤b7：位置开关7打开，若为下死点开关信号(下冲程结束)，转到步骤b8，若为上死点开关信号，停机，输出故障码；

步骤b8：若系统为工作模式，检查电动机1运行模式和工作状态、减速机2工作状态，若电动机1为变频模式停机状态、且减速机2为开机状态，转到步骤b91、b92，否则停机，并输出故障码；若系统为启动模式，检查电动机1运行模式和工作状态、减速机2工作状态，若电动机1为变频模式开机状态，且减速机2为停机状态，系统复位为工作模式，转到步骤b91、b92，否则停机，并输出故障码；

步骤b91、步骤b92：控制装置6将启动信息和工作频率传递给变频器3，变频器3启动从而电动机1开机，同时控制装置6控制固态继电器5切断，减速机停机，转到步骤b4；

本发明实施例还提供了一种抽油机节能方法，如图3所示：

步骤g1：将抽油机停到下死点，按下启动开关ⅱ，工频启动抽油机,转到步骤g2；

步骤g2：系统初始化为启动模式，接通工频工作电路，切断变频工作电路,转到步骤g3；

步骤g3：控制装置6将控制固态继电器ⅰ4接通，电动机1开机,同时，控制装置6控制固态继电器ⅱ5切断，减速机停机，转到步骤g4；

步骤g4：位置开关7打开，系统为启动模式时，若为上死点开关信号(上冲程结束)，转到步骤g5；若为下死点开关信号(下冲程结束)，转到步骤g8；系统为工作模式时，若为上死点开关信号(上冲程结束)，转到步骤g5；若为下死点开关信号，停机，输出故障码；

步骤g5：系统为启动模式时，则系统复位为工作模式，检查电动机1运行模式和工作状态、减速机2工作状态，若电动机1为工频模式开机状态且减速机2为停机状态，则转到步骤g61、步骤g62，否则停机，并输出故障码；

步骤g61、步骤g62：控制装置6控制固态继电器ⅰ4切断电源，电动机1停机，控制装置6控制固态继电器ⅱ5接通，减速机工作，转到步骤g7；

步骤g7：位置开关7打开，若为下死点开关信号(下冲程结束)，转到步骤g8，若为上死点开关信号，停机，输出故障码；

步骤g8：若系统为工作模式，检查电动机1运行模式和状态、减速机2工作状态，若电动机1为工频模式停机状态、且减速机2为开机状态，转到步骤g91、g92，否则停机，并输出故障码；若系统为启动模式，检查电动机1运行模式和工作状态、减速机2工作状态，若电动机1为工频模式开机状态、且减速机2为停机状态，系统复位为工作模式，转到步骤g91、g92，否则停机，并输出故障码；

步骤g91、步骤g92：控制装置6将控制固态继电器ⅰ4接通，电动机1开机,同时，控制装置6控制固态继电器ⅱ5切断，减速机停机，转到步骤g4。

本发明中的抽油机运行自动控制装置及节能方法，通过采用控制装置实时监测变频器、电动机运行和启动模式、电动机工作状态、减速机工作状态，抽油机位置等信息，控制电动机在抽油机上冲程开机、下冲程停机，减速机在下冲程开机、上冲程停机，由于电动机仅在上冲程开机，有效减少电动机的工作时间，其负载率稳定而有利于提高电动机效率。因抽油机为欠平衡设置且下冲程电动机不工作，因此不需要抽油机调平衡工作，达到了抽油机效率提高、节电和降低工作量的目标。