智能抽油机控制器的研究
最新毕业设计-游梁式抽油机的建模及自动控制
毕业设计-游梁式抽油机的建模及自动控制我国油田不像中东油田那样的自喷能力，多为低渗透的低能、低产油田，大部分油田靠注水压油入井，在用抽油机把油从底层中提取上来[2]。
以水换油或以电换油是我国油田的现实，因而电费在我国的石油开采中占相当大的比例，所以，石油行业十分重视节约电能[3]。
目前，我国抽油机保有量为10万台以上，电动机装机总容量3500MW，每年耗电量为百亿kWh。
抽油机的运行效率特别低，在我国平均效率为25.96%，而国外平均水平为30.05%，年节能潜力可达几十亿kw·h。
除了抽油机之外，油田还有大量注水泵、输油泵和潜油泵等设备，总耗电量超过油田总电量的80%，可见，石油行业也是推广“电机系统节能”的重点行业[4]。
抽油机在油田使用量大，而负载率普遍偏低，功率因数更低，电能的无谓浪费严重，节能降耗潜力巨大。
所以如何节能和提高抽油机系统的自动化程度是油田长期要解决的问题。
本课题的目的就是通过对游梁式抽油机工作原理的分析，建立游梁式抽油机的模型。
基于变频调速节能降耗的思路，设计一种抽油机的自动控制系统，实现抽油系统的自动化控制。
通过对游梁式抽油机模型的研究并进行仿真。
1.2抽油机的现状和发展趋势1.2.1抽油机的现状在油田开采生产中，抽油机将地下原油抽汲到地面的动力设备。
抽油机节能是全世界所关注的事情，对于我国来讲，节能具有更大的现实意义。
我国每年机械采油耗电量达40～50亿kW·h，是一个相当可观的数字[5]。
实测结果表明，我国在用的抽油系统(抽油机、抽油杆、抽油泵)的总效率只有16%～23%，有的甚至更低。
这就客观上要求我国应大力发展和推广应用高效、节能、可靠性高的抽油机，加速开发新型节能抽油机，基本停止常规抽油机的生产，并且加强对在役常规抽油机的节能改造[6]。
1．我国节能游梁式抽油机的现状随着油田的开发，抽油机的投入量日益增加。
提高抽油机效率，降低抽油机的能耗问题显得越来越突出，于是各式各样的新型抽油机便应运而生[7]。
油井智能间开的实践
油井智能间开的实践作者：武登峰商旭邸俊峰来源：《中国石油和化工标准与质量》2013年第19期【摘要】长庆油田是典型的低渗透油田，单井平均产量较低，随着油田不断开发深入，油井产液量不断递减，间歇出液油井增多，抽油机电机利用率普遍偏低。
本文以老油田油井为研究对象，探讨油井智能间开技术，结合当前成熟的油田配套数字化建设和功图计量技术应用，实现油井智能间开，提高抽油机利用效率，节约企业运行成本。
【关键词】智能控制泵效节能降耗2.1 基本技术原理油井智能间开控制研究一是实现油井自动化远程启停控制功能；二是建立抽油系统间歇抽油制度的优选方法，为间歇抽油制度制定提供理论依据，使间开制度具备智能性、广泛适应性，进一步提高油井的生产管理水平，在产量不降低的前提下，实现节能降耗（图1）。
油井智能间开控制包括站控系统部分、RTU采集控制单元、数据采集单元模块、采集设备，通过在井口安装电参模块等前端采集设备将数据传给单元模块进行处理，RTU对处理后数据进行二次运算后传回站内，站控系统将采集数据处理后显示供给站点值班人员查看，可完成对油井手动启停、自动启停两个模块功能使用，实现对抽油机启停操作，系统并完成对相关操作进行记录、保存。
3 自动控制方式实践3.1 方式一：系统定时控制启停根据地质上分析归类有规律的间歇出液井进行规律启停，这类型地质研究人员通过经验和技术判制定油井合理的实施方案，设置定时启、停控制，控制抽油机定时远程自动开机和关机，以达到间开抽油的目的，减小功率损耗。
3.2 方式二：电流功图面积法控制3.2.1？电流法电流法判断是指利用泵体出液间歇变化与抽油机电流变化规律进行开发设计，油井不出液时，下冲程时油管液注重量偏小，电动机负载相对下降，运行电机电流较小，当油井出液时，泵和管柱中充液，重量增加，下冲程时，电机负载增大，电流增加。
通过实时检测电流，对所采集电流进行取样，自动绘制曲线，设定标准电流值，油井未出液时，电流低于标准电流值时，控制器就关闭抽油机，在设计时通过取样间隔时间段实际平均电流的变化也可以判断油井是否需要启停。
数字化抽油机
Ｄ Ｏ Ｉ ：１ ０ ． ３ ９ ６ ９ ￣． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ２ — ３ ０ ２ ｘ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ４ ． （ ） １ ７
游 梁式 抽 油 机 是 国 内外 油 田应 用 广 泛 的采 油 设
机械结构 为基 础 ，在 游梁式抽 油机 上集成 油井参 数采 集模块 、控制 模块 、传感 器 、控制 装置 ，实现对 抽油 机运 行状 态 的参 数 采集 与上 传 、参数 的分析 与 调整 ， 具备远 程控 制 、调 节或抽 油机 自身智能 控制 和调节 功
６ ６ 石 油科技论坛 ・ ２ ０ １ ３年第 ４期
李
茂 等 ：数字化 抽 油机
为确保抽油机 安全 、可靠 、高效 地运行 ，数 字化
抽 油机严格按照 Ｓ Ｙ ／ Ｔ ５ ０ ４ ４ ～２ ０ ０ ３ 所规定 的试验方法和
不 用人 工再 次启 动 。
３． ２ 最 佳 冲次 自动判 断 和调 整 技术
耗 ，提高 系统 效率 ，降低采 油成 本 ，已成 为当前抽 油 机 节能技 术 的研 究工 作重点 １ ５ ～Ｉ 。
数字 化抽油 机的研 制开发 顺应 了长庆油 田数字 化
建设 和管理 的需要 ，该产 品结构 新颖 ，具有提 高油 田
采 油系统效率 ，降低油 田开发成本 ，低碳开 发油田 ，智 能 化和 高效节 能 的功 能和特 点 ，具 有 良好 的经 济效 益
７） 、“ 带有载荷 变送 器的 悬绳 器”（ 专利 号：Ｚ Ｌ ２ ０ １ ０ ２ ０ ２ ５ ２ ３ ６ ７ ． ｘ） 、“ 一种新型抽 油机 座体”（ 专利号 ：Ｚ Ｌ ２ ０ ０ ９ ２ ０ １ ０ ６ ５ ５ ６ ． ３） 、“ 游梁式抽
油机 驴 头 ”（ 专 利 号 ：Ｚ Ｌ ２ ０ ０ ９ ２ ０ １ ０ ８ １ ９ ８ ． Ｘ） 、“ 游 梁平 衡 抽 油机 的刹 车传 动 装 置 ” （ 专 利 号 ：Ｚ Ｌ ２ ０ ０ ９ ２ ０ １ ０ ８ １ ９ ７ ． ５ ） 、“ 一 种 不 停 机 调 平 衡
毕业设计常规游梁式抽油机设计
毕业设计常规游梁式抽油机设计引言：抽油机是石油开采中不可缺少的重要设备之一、游梁式抽油机作为抽油机的一种常见设计，已经在石油开采中得到广泛应用。
本文将对游梁式抽油机进行常规设计，从结构设计、工作原理、控制系统等方面进行详细阐述。
一、结构设计：游梁式抽油机的结构主要由主骨架、曲柄杆、游梁、连杆等组成。
主骨架是整个抽油机的主要支撑结构，承受着巨大的载荷。
曲柄杆通过曲轴与发动机相连接，通过往复运动驱动游梁实现抽油机的工作。
游梁由游梁杆和游梁头组成，游梁杆可以左右滑动，提供了抽油机的往复运动。
连杆连接着游梁和曲柄杆，使得游梁能够沿着曲柄杆方向运动。
二、工作原理：游梁式抽油机的工作原理基于连杆机构，将曲柄杆的旋转运动转变为游梁的往复运动。
曲柄杆与游梁通过连杆连接，当曲柄杆旋转时，连杆将转动力转移到游梁上。
由于游梁杆可以左右滑动，游梁在连杆驱动下完成了往复运动。
当游梁向上运动时，抽油杆与井下抽油泵相连，完成抽油工作。
当游梁向下运动时，抽油杆与井下抽油泵断开，准备进行下一次往复运动。
三、控制系统：常规游梁式抽油机的控制系统主要包括位置控制系统和液压系统。
位置控制系统通过传感器、控制器等实现对游梁位置的监测和控制，保证游梁的往复运动的准确性。
液压系统通过控制液压泵和液压缸等实现对游梁的驱动，控制游梁的上下运动。
在工作过程中，位置控制系统和液压系统紧密配合，以保证抽油机的正常工作。
四、优化设计：为了提高游梁式抽油机的效率和可靠性，可以进行优化设计。
首先，可以通过材料选择和结构设计来提高主骨架的强度和刚度，以承受更大的载荷。
其次，可以优化连杆的设计，减小摩擦损失，提高能量传递效率。
此外，还可以提高液压系统的控制精度和响应速度，以提高抽油机的工作效率。
结论：本文对游梁式抽油机进行了常规设计，并对其结构、工作原理和控制系统进行了详细阐述。
通过优化设计，可以进一步提高抽油机的效率和可靠性，促进石油开采工作的顺利进行。
这对于石油工业的发展具有重要意义，也为相关领域的研究提供了一定的参考。
几种抽油机节能装置节能效果及性能比较
几种抽油机节能装置节能效果及性能比较一、概述自从100多年前，以燃烧石油制品为动力的机器诞生以来，对石油的需求量飞速增长，也为石油工业的发展提供了契机。
随着采油业的发展，产生了被广泛使用的油井举升设备——抽油机。
抽油机的种类繁多，技术发明有数百种。
从采油方式上可分为两类，即有杆类采油设备和无杆类采油设备。
有杆类采油设备又可分为抽油杆往复运动类（国内外大量使用的游梁式抽油机和无游梁式抽油机）和旋转运动类（如电动潜油螺杆泵）；无杆类采油设备也可分为电动潜油离心泵，液压驱动类（如水力活塞泵）和气举采油设备。
我国的油田不像中东的油田那样有很强的自喷能力，多为低渗透的低能、低产油田，大部分油田要靠注水压油入井，再用抽油机把油从地层中提升上来。
以水换油或者以电换油是我国油田的现实，因而，电费在我国的石油开采成本中占了相当大的比例，所以，石油行业十分重视节约电能。
目前，我国抽油机的保有量在10万台以上，电动机装机总容量在3500MW，每年耗电量逾百亿kWh。
抽油机的运行效率特别低，在我国平均效率为25.96％，而国外平均水平为30.05％，年节能潜力可达几十亿kW·h。
除了抽油机之外，油田还有大量的注水泵、输油泵和潜油泵等设备，总耗电量超过油田总用电量的80％，可见，石油行业也是推广“电机系统节能”的重点行业。
抽油机节能包括节能型抽油机和抽油机节能电控装置的研制与推广两个方面，对此两大技术的研究方兴未艾。
介绍和宣传的文章很多，众说纷纭，莫衷一是。
厂家的产品性能介绍亦有“王婆卖瓜”之嫌。
因此，有必要将目前常见的几种类型的抽油机节能电控装置作一个科学的分析比较，以供用户选用时参考。
在全国各油田进行试验或已投运的节能电控装置不下数十种之多，大体上可以分为以下几个类型，下面分别加以讨论。
二、间抽控制器由于抽油机是按照油井最大化的抽取量来进行选择的，并且还留有设计余量。
另外，随着油井由浅入深的抽取，井中液面逐渐下降，泵的充满度越来越不足，直到最后发生空抽的现象，如果不加以控制，就会白白地浪费大量的电能。
变频控制器在抽油机上的应用
图 １ 设备结构原理
油气田地面工程 （ ｈ ｔ ｔ ｐ ： ／ ／ Ｗ Ｗ Ｗ ． ｙ ｑ ｔ ｄ ｍ ｇ ｃ ． ｃ ｏ ｎ ｒ ）
一５ ７ —
第３ ３ 卷第 ｌ 期 （ ２ ０ １ ４ ． Ｏ １ ）（ 仪表 电气）
油田联合站消防控制系统
宋敬 江 朱 颍莉 江 西 科技 师范 大学 通信电 子 学院
所示。主要采用 的设备装置有 总值占到抽油生产总值 的３ ５ ％左右 ，而电力资源浪 结构原理图 ，如图 １ 费能 占到电力消耗总值 的１ ７ ％左右 ，可以说电力能 提 油液 化 配 置 器 、悬 绳 、接地 开 关 、配重 起 步 机 、 连杆 、变 频 控制 器 、电动 机 、Ｐ Ｌ Ｃ 控 制 开关 。提 油 源方 面 的浪 费几 乎能 占到整个 电力 系统 的一半 。随 着科技技术的不断进步 ，当前 的抽油机设备都是应 液化配置器的作用是在抽取提炼时压缩 占地面积 ， 用大规模的集成电路 ，零部件 的配置相 当高 ，但在 在运输 途 中通 过石 油 管道对 石 油原 液进 行压 缩 ，实
摘要 ：基 于 Ｐ Ｌ Ｃ控 制 的联 合 站 消防控 制 系统采 用 了 Ｗ内部 的
软件和硬件 系统都进行 了新 的技术改造。该控制 系统具有 兼容性强 、可靠性 能高、功能完善 、
PK系列抽油机节电控制器及应用
对节 电率 测试 验 收 ， 用 直 接 在 用 电设 备 上 安装 采 三相 有功 电度 表 ， 比较 在 负荷相 近 的情 况下 、 同 的运 相 行时 间 内 ， 电与 节 电两种运 行 方式下 的实际用 电量 ， 市
用。
１ 工作 原 理
１ １ 软启 动工 作原理 ．
形间的间隔也越大。微处理器将监测波形间的间隔并 相应 的调整可控硅 的触发脉 冲， 其速度每秒钟可改变 １０次 。这 一 速 度 比 电机所 能 响应 的速 度 要 快 得 多 ， ０
但对 防止 电 机在任 何 负载 工 况时 出现失速 是十 分必要 的。抽油 机 节 电保 护器通 过 改变 电机 的相 位角来 实现
Ｋ正偏 时 会迅速 地 由“ 闭” 关 状态 转为“ 通 ” 开 状态 。 随
着控制晶闸管在每个供电半弦波（ 电压接近 ０ 的开 和 ） 关， 便可控制通过 晶闸管的电流。当启动点越接近供 电弦波的尾端时 ， 所容许通过的电流较少 ； 当启动点越
接近供 电 弦 波 的 开端 时 ， 容 许 通 过 的 电流 就 越 大 。 所
第 ２期
姚建豪等 ：Ｋ系列抽 油机节 电控制器及应用 Ｐ
・８ ｌ・
端 双 向晶闸管 等半导 体开关 元件 来 “ 切削 ” 电压而 进行 控 制。三 端双 向可控 硅 只允 许 电源 电压正 半周 和负半 周 的一部 分供 给 电机 ， 电机 电压 电流波 形 如图 １ 示 。 所
安装 后 的 ７ｄ绝 对 液量值 。 １ ５ 综合 节 电率计 算 ．
能源的浪费及提高油井产量 ， 已引起人们的高度重视 。
Ｐ Ｋ系列抽 油 机节 电控 制 器 是专 门针对 油 田抽 油 机 而设计 的智 能化控 制 的最 新节 电产 品 。它 以微 电脑 技术 为基 础 ， 门用 于对 活 塞 式 抽 油机 的节 电控 制 。 专 通过 科学 调整抽 油 机 的运 行 模式 ， 固定 不变 的机 械 变 运行 为 动态响应 的智 能运 行 ， 而节省用 电量 ， 从 提高 产 液量， 而且 能有 效地 保护 电机 ， 同时降低 设备 的维护 费
抽油机变速运行控制节能效果评价
技术应用/TechnologyApplication随着油田开发进入中后期，地层能量也逐渐下降，大多数油井开采速度大于地层供液能力。
为了提高单井产量，部分油井加快了抽汲速度，但是过快的抽汲速度并没有带来产量的提高，反而提高了耗能并降低了系统效率；同时，由于井下供液能力不足，致使井下抽油泵的充满程度不足、充满系数低，导致抽油机上行时泵筒不能完全充满，使游动阀到泵内流体液面的空间内形成一个低压区。
在抽油机下行时，游动阀在低压区无法打开，当遇到泵内流体后，游动阀迅速打开，载荷从抽油杆柱转移到油管柱上并产生液击现象，导致系统寿命降低、能耗增加[1]。
随着油田开采技术的发展，变频技术已在油田上广泛应用，赵来军提出变频器向闭环控制、智能诊断方向发展的思路[2]。
为使油井达到供排平衡，降低油井因供液不足而造成的产量下降和能量浪费，闭环控制技术开始在多家油田应用，并取得了一定的节能效果[3-4]。
2011年，柔性控制技术在游梁式抽油机上应用，达到了抽油机变速运行降低油井能耗的目的：在单周期运行过程中，通过改变曲柄运动的周向加速度，自适应调整曲柄轴承受的扭矩值和扭矩分布的变速策略，实现降低扭矩峰值和峰谷差值[5]。
多数专家学者对变速运行在油田现场应用情况进行了分析评价和运行理论的研究，均得出变速运行有利于改善抽油机系统运行和能耗的结论[6-10]。
为了解决油田低效井的能耗问题，在华北油田推广应用了变速智能控制技术，并根据各单井目前生产状况及地面设备情况对闭环柔性控制装置后期调试重点进行分类：一类井，泵效低，重点进行闭环控制，合理动态调整冲速；二类井，有一定供液能力，综合采用闭环+柔性控制；三类井，供液能力较好，重点采用柔性闭环，优化工况。
1抽油机变速运行的技术特点1.1技术方案通过闭环控制技术实现抽油机井运行冲速的实时调节，达到供排协调；通过柔性控制技术控制电动机转速实现抽油机井运行的“按需输出”，优化单抽汲周期内系统的运行速度及加速度，提高泵的充满程度，提高泵效及油井系统效率。
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图 １ 抽 油 机 电 机 负载 转 矩 特 性 随 时 间 变 化 曲 线
频率 波 动的 。
２ ）平 均 负载 转 矩通 常 是最 大转 矩 的 １ 在贫 油 １ ３
一
訇 出
（ 图２ 示 ）。电机 端 子 电压 能通 过 晶 闸管触 发 如 所 角 进 行调 整 。霍 尔 电流 传 感器 用 于 检 测 软 件 启 动 器和过 载保 护时 的 电机 电流 。 零 电压检 测电路可 以检 测每相 电压 的过零 点 ， 它使 用 了同步信 号触发 电路和缺 相保护 电路 。 显示 电路用 于 显示设 定值 和系统 工作 状 态。
０ 引 言
在 石 油 工 业 中 ，抽 油机 电机 的 电 能 消 耗 约 占 石油 领域 总 电能 消耗 的４ ％。因为 抽 油机 的负载 转 ０
菖 邑
矩 随 着其 上 下 行 程 而 波 动 ，抽 油 机 电 机 的 负 载 率 周 期性 变 化 ， 而且 ， 抽 油机 电 机 需 要 一 个 大 的 起 动 转 矩 用 于 抽 油机 的操 作 需 求 。通 常 ， 抽 油机 电
３ ）因 为经 常 重 载 启动 ，抽 油机 电机需 要 一 个 启 动转 矩裕 量 。 由 于 上 述 规 定 和 限 制 ， 抽 油 机 电 机 的 平 均 负 载 率 仅 仅 达 ￣ ２ ％，极 少 的 富 油 井 中也 不 超 过 １０
３ ％。抽 油机 电机 的效率 和 功率 因数 非常 低 ，因 为 ０
、 Ｉ
ｌ 化 Ｉ ５
智 能抽 油机 控 制 器 的研 究
Ｓｔ ｄｙ ｔ ｌｇｅｎｔｃｏｎ ｒ ｌ ｏｒｏｉ ｐｕｍ ｐｉ ｇ ｕ ｏｎ ｉｅｌｉ ｔ ｏｌｅｒｆ ｌ － ｎ ｕｎｉ ｔ
高 宇
ＧＡＯ Ｙｕ
（ 沈阳职业技术学院 ，沈 阳 １ ０ ４ ） １０机 电机控制器 的结 构原 理。这种控制器具备节 能的特点 ，也 可以由 中控计算 机监控 。通过对 负载率 、触发角 、功率 因数等关系 的分析 ，提 出一种新 型的提高功 率因数方 案。系统分析表明 ，该控制器可 以有 效改善功 率因数和节约 能源 。
制 定 新 的 能 源 节 约 策 略 。为 了提 高 效 率 和 功 率 因
数 ，可 以使 用可 控硅 调 节 电压 的方法 。 图２ 示 为 电压 调 整 电路 示 意 图 。 已知 电机 参 所
数 ，功 率 因数 、 负 载 率 、晶 闸管 的触 发 角 之 间的
关 系 ，如 图３ 示 。 图 中可 以看 出 ，这 里 有一 个 最 所 佳 触 发 角 ，产 生 最 佳 的 触 发 电 压 ，以 使 功 率 因数
键 盘 电 路 用 于输 入设 定 值 和 系统 必 须 的 参 数
些石油含量较少的老油井，抽油机的 占空比可
以进行调整 ，以保持最佳的系统效率和 更加节能。
（ ：占空 比、启动 时 间和控制 参数 等 ） 。 如 当 软 启动 器 失 效 或 需 要 快 速 启 动 时 可 以通 过
接触 器直 接启动 。
井 中会更 少 。
３ ）抽 油机 的 停 止位 置 能 够选 择 在 最接 近 负载 转 矩 平 均 测 量 点游 梁 摆 动 的 角 度 ， 以便 软 启 动 器 能 够进 行再 一次 的 启动 。 ４ ）抽油 机 电机 的超 载 ，丢 相 及其 他 故 障 ，能
够 被检 测 以便于 保 护 电机 。 ５ ）抽 油 机 电机 能 与 中控 计 算机 通 信 ，抽 油 机
它 们 多数时 间在低 负载 条件 下 运行 。
按 照 抽 油 机 电 机 的 负 载 转 矩 分 析 ，我 们 能 够
电机 的运 行状 态能 被 中控计 算 机所 监控 。
１ 抽油机 电机 负载性 和节能原理
如 图 １ 示 ，很 明 显 ，抽 油机 电机 负载 转 矩 在 所
上 冲 程 和 下 冲程 之 间有 很 大 的不 同 。实 际上 ， 负 载 转 矩 在 不 同 的油 井 中特 性 并 不 相 同 ， 抽 油机 电 机 负载 转矩 有 以下 特性 ： １ ）抽 油机 电机 负载 转矩 是每 分 钟６ １次 的 — ２
机 的平 均 负载 率小 于额 定值 的 ３ ％，因 此电能 浪 费 ０
相当 巨大 。
蓦
簇
为 了节 约 能 源 实 现 自动 控 制 ，在 本 文 中重 点
论 述一种 抽 油机 智 能控 制器 。
智 能控 制器 具 备如 下功 能 ： ’
１ ）能 够 优化 抽 油 机 电机 的 功 率 因数 和 性 能 ，
收稿 日期：２ １－ １ ５ ０ ０ ０ －２ 作者简介：高宇 （ ９ ９ ），男，沈阳人 ，副教授 ，硕士导师 ，研 究方 向为电气 自动化 。 １６ 一 第３ 卷 ２ 第６ 期 ２１— ００ ６ ｜３ ］ １３
务Ｉ
达 到 最 大 。在 不 同 的负 载 条件 下 保 持 功 率 因数 为 常 量 是 不可 能 的 ，为 了在 不 同负 载 转 矩下 使 功 率 因数 达 到最 大 ，我 们 必 须小 心 控 制 晶 闸 管 的触 发 角 。 当功 率 因数 增 加 时 ，效率 也 因为 定 子 电流 和 电压 改善 而提 高 。
关键词 ：抽油机 ；智能控制器 ；节能
中图分类号 ：Ｔ ７ Ｐ２ ３ 文献标识码 ：Ｂ 文章编号 ：１ ０ —０ ３ （ ０ ０ ０ — １ ３ ４ ９ １ ４ ２ １ ） ６ ０ —０ ０ ３
Ｄｏｉ １ ． ９ ９ ．ｓ ｎ． ０ －０ ４ ２ １ ０ ４ ： ３ ６ ／ｉｉｓ １ ９ １ ． ０ ６．４ ０ ０ ３ Ｏ．