[发明专利]往复泵控制系统

说明书

本申请是申请日为2003年6月10日、申请号为03801646.X、发明名称为“往复泵控制系统”的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种用来改变转动致动的往复泵的速度的系统。更具体地，它涉及一种用来控制泵传动装置(pumpjack)的周期内杆速的方法和设备。

背景技术

诸如泵传动装置的往复泵在曲臂转动期间典型地是按固定电机速度运行的。对吊在井架(horsehead)上的抽油杆柱施加的直线运动的速度、加速度和位置是由曲臂的速度、加速度和位置以及泵作动筒的几何形状决定的。在图1中描绘泵作动筒的典型几何形状。泵传动装置的常规运行保持固定的曲臂速度。因此，泵传动装置的几何形状决定本质上为正弦曲线的杆速。

为优化井产量过去已做出的调整涉及改变泵的几何形状或者提高或减小曲臂的总转速。在一个周期内，曲臂速度曲型地保持固定并且泵的动态特性由几何形状决定。

已经实施各种改变冲程内的速度的方法，它们通常提高上行程期间的速度以使效率最大并且减小下行程期间的速度以消除对流体柱的击打。在美国4,102,394号专利中，公开一种用于向泵传动装置供能的变速电动电机的控制系统。据说该控制系统允许比下行程速度要大的上行程速度并且允许响应于井中以及储存设施中的油高度来改变冲程频率。但是，未详细公开该控制系统。此外，该系统不能实施定制的速度分布。

从而，需要一种包含方法和设备的、用于方便地和完整地控制冲程周期内的曲臂速度以及杆速度的控制系统。

发明内容

概括地说，本发明包括一种用于由电动机或内燃机驱动的摆动梁(rocking beam)泵的速度控制系统。通过对抽运单元(pumping unit)的几何形状进行补偿的调整，该系统使得用户能控制抽运过程的动力学特性。本质上，使抽油杆柱的动力学特性和运动与抽运单元几何形状解耦。该系统包括电气和电子硬件、数值方法、软件算法和用户接口的设计，以便能把对抽运单元和速度分布的控制设计成控制杆的运动和动力学特性，并且同时补偿所使用的抽运单元的具体几何形状。

在一个方面，本发明可包括一种控制系统，其用于改变具有某种几何形状的并且包含变速电机和转动曲臂的抽运单元的杆速，该系统包括：

(a)用来对该电机提供速度设定值的可变频驱动器；

(b)可操作地和该可变频驱动器连接并包含根据曲臂速度分布输出速度设定值的装置的控制器；以及

(c)处理器，其包含用来建立曲臂速度分布(speed profile)并把该曲臂速度分布传送到该控制器的装置。该系统最好还包括一个含有该抽运单元几何形状的数学表达的存储器，并且其中该处理器还包括用于建立杆速度分布的装置以及把杆速度分布转换成曲臂速度分布的装置。

在另一方面，本发明可包括一种用于控制一个具有某种几何形状的抽运单元的杆速度的方法，其中该抽运单元包括可变频驱动器、变速电机和转动曲臂，该方法包括步骤：

(a)建立抽运单元几何形状的数学模型；

(b)从用户接收杆速度分布或曲臂速度分布；

(c)若接收到杆速度分布，利用该数学模型把杆速度分布转换成曲臂速度分布；以及

(d)根据该曲臂速度分布向该可变频驱动器输出速度设定值。

附图说明

现通过一示范实施例参照简化、不按比例的附图说明本发明。附图中：

图1(现有技术)示意示出能实施本发明的方法或系统的常规泵传动装置单元的几何形状。

图2图示常规固定的曲臂速度分布和正弦杆速度分布。

图3示意表示泵传动装置速度控制系统的一种实施例。

图4是示意表示图3实施例的方块图。

图5是计算机软件窗口图，示出泵传动装置几何形状的计算机表示。

图6是计算机软件窗口图，示出线性杆速度分布。

图7是计算机软件窗口图，示出线性曲臂速度分布。

图8是计算机软件窗口图，示出从图6的线性杆速度分布导出的模拟曲臂速度分布。

图9是速度分布输入进程的流程图。

图10是速度控制进程的流程图。

具体实施方式

本发明涉及用于由电动机或内燃机驱动的摇梁(waling beam)抽运单元的速度控制系统。在说明本发明时，本文所有未说明的术语具有它们通常技术上公认的含义。