[发明专利]抽油机的液体配重游码自动调整平衡装置

说明书

一、技术领域：本发明涉及抽油机的调整平衡技术领域，尤其是一种抽油机的液体配重游码自动调整平衡装置。

二、背景技术：抽油机是油田石油生产的主要设备，也是主要的电能消耗源之一。在抽油机的工作过程中，它的平衡直接关系着其效能。从理论上讲，一个平衡很好的抽油机仅需消耗极少的电能。但在实际使用中，井下载荷随着生产的进行会不断发生变化，从而不断打破抽油机原有的平衡，要实现再平衡就需要操作人员不断的调整抽油机的平衡机构，成为机械采油管理中一项基础工作。调整抽油机的平衡是一件十分费时费力的工作，一方面要测定平衡状态(通过现场测量、计算电流差值)；另一方面，要停机、卸载，调整平衡机构，然后再开机测量、计算校验，有时反复数次才抽油机平衡率粗略达到80％的要求，而且抽油机在运行中会造成平衡率波动，为此，大多数抽油机都工作在不平衡状态，造成了电能的浪费，缩短了抽油机的使用寿命，增加了生产能耗。以目前开采难度大、机井管理困难的稠油热采井为例，其抽油期分为三个生产阶段：初期、中期、后期，抽油机负荷是逐渐上升的，稠油热采井普遍采用变频系统来调节冲次，抽油机的不平衡工作给变频系统带来的过电压对变频电器元件具有危害性，而且制动电阻消耗能耗损失也是巨大的，生产阶段的前两期为产油好阶段，应避免停井，因此使得工人调平衡的工作任务变得紧迫而且繁琐。

三、发明内容：本发明的目的就是提供一种在现有配重式抽油机原有配重的基础上附加一套装置，利用液体的重量作为微调游码，配重液的重量是原采油井正常运行期间井下载荷变化导致相应的配重铁的变化重量。采油井载荷变化，可导致抽油机载荷及电动机电流、电压、功率变化，采集这些数据来控制液体配重游码的重量，及时自动精确地调整平衡，使抽油机整个机械系统以及电气系统都处在最佳运行状态，实现系统效率的提高，达到安全节能增产的目的抽油机的液体配重游码自动调整平衡装置。其技术方案是：抽油机的液体配重游码自动调整平衡装置，包括抽油机的底座、电动机、配重，在底座上设有主储液箱、电器控制箱、执行单元，配重设有配重液箱，主储液箱和配重液箱内为配重液，执行单元包括泵和电磁阀，电器控制箱内设有PLC等CPU微处理器程序控制器以及电动机运行电信息采集传感器，主储液箱、执行单元、配重液箱之间通过管线连接。主储液箱设液位传感器、液量指示器、连接管、通气管呼吸器、液位计、检修入孔、密封箱盖，箱盖上设有检修入孔和通气管，通气管呼吸器管口朝下设置。配重液箱设有通气管呼吸器，液量指示器，主储液箱和配重液箱内为配重液，配重液为纯水，或含有防腐、防冻等添加剂的水混合液，或如机械油、变压器油、液压油、矿物油等等单质或混合液体物。电磁阀为二位二通单稳态常闭型电磁阀，电磁阀为4个进行导向作用，工作时相应的电磁阀成对接通，实现控制液体的流动方向的作用，电磁阀设有止回装置，管线包括固定管线和过度软管线，连接主储液箱、电磁阀、泵、配重液箱，构成液体正反方向流动的通路，在运动的部件之间采用过度软管线。电磁阀和泵设有CPU微处理器程序控制系统来控制电磁阀和泵的开启运转，及时适量地增加或减少配重液箱中的液体的重量，CPU微处理器为单片机或PLC可编程控制器。电气控制箱内设有电传感器，电传感器包括电流传感器、电压传感器、功率传感器，对电动机的运行数据电流、电压、功率变化信号进行采集。抽油机的悬绳器上设有载荷传感器，测量一个冲次过程中各点压力值。主储液箱上设有液位传感器，感应液量的变化。PLC可编程控制器设有A/D模块单元和D/A模块单元，根据电传感器采集的信号、抽油机上下冲程(位置传感器感应)测定一个冲程中各个位置不同的电流值，来综合计算抽油机的平衡度，判定是否要进行抽油机平衡调整，根据不同的平衡度数值，控制电磁阀打开，同时泵运行，改变液体流动方向，来增加或减少液体配重重量(液位传感器感应量)，从而达到调整抽油机平衡目的。底座抽油机下始点曲柄对应的位置上设有位置传感器，或设在游梁上下运动始点的对应的位置上；皮带式抽油机可安装在中平台附近或抽油机平衡箱上始点或者下始点的平衡箱对应的位置上。根据电传感器采集的信号，电动机的运行数据：电流、电压、功率变化信号，和抽油机上下冲程状态位置传感器感应来判断抽油机的平衡状况，运用模糊控制理论技术由单片机或PLC可编程控制器等CPU微处理器程序控制系统来控制电磁阀和泵的开启运转，及时适量地增加或减少配重液箱中的液体的重量(液位传感器感应)，也就是跟随负载的变化调节配重的变化，来达到抽油机在最佳平衡点或最佳运行点处运行的效果。本发明与现有技术相比较，具有以下的优点。可以针对抽油机需要监测的各种数据，采用电流、载荷、角位移传感器来进行各种信号的测量，PLC作为该装置核心控制器，进行各类信号的采集和数据运算。采集抽油机冲程周期内的有功功率、各相电压、电流的变化数据，计算抽油机的冲程周期，自动计算抽油机冲程周期内的上冲程电流最大值、下冲程电流最大值，根据电流法来计算抽油机的平衡率。自动计算抽油机冲程周期的上冲程有功功率之和、下冲程有功功率之和，然后根据上、下冲程有功功率之和的比值来进行计算抽油机的平衡率。如果抽油机配重平衡，其上下冲程内的所作负功应没有或者较少，所以增加冲程内负功的累计，通过冲程内负功所占做功的百分比，来判断配重是否合理。CPU作为数据运算和存储的核心模块，模拟量采集模块采集电流和载荷传感器输出的标准电压、电流信号，信号采集模块采集的输出值，最后采用自由口编程的方式，通过CPU上的串行通讯口将数据发送至无线数据传输终端，从而将数据通过无线网络传输至上位监控计算机。PLC的CPU模块支持自由协议编程，能够方便地与众多的无线数据传输终端进行连接。抽油载荷是每时每刻都在变化的，而平衡配重不可能和抽油载荷作完全一致的变化。上冲程载荷与下冲程载荷不一致时，实现自动(具有手动选择)添加或减少配置液，达到抽油机的平衡度的要求；抽油杆、油管断脱、油井停机、结蜡等载荷异常变化以及电源缺相或电动机烧毁等故障造成的电流波动剧烈时，该装置发出报警预告；主储液箱中液量用完或蓄满时，发出重新调整平衡的预告报警，对于本装置系统故障具有自检报警功能；电磁阀、动力泵通电运行时间较短，长期运转时而液位不发生变化，控制单元会发出报警信号；配重液量显示功能、抽油机平衡度显示功能以及实现远程监控功能。使抽油机最大限度的达到节能与安全高效运行目标。1)、精确平衡效果好，根据井下载荷自动调整，可精确快速地调整平衡，调整平衡标准可按需求采用常规的“电流平衡”或更为精确的“功率平衡”等方式，平衡度远大于目前的80％要求，理论设计值可接近100％，在实际运用中可根据要求给予设定；2)、快速掌握井下载荷情况，及早发出油井异常以及须调平的预告信号，具有超载和断载保护装置，并能自动停机报警；3)、延长工人被动调平周期，准确了解须调平重量，减少停井时间；4)、当配重不平衡时，在抽油机工作的一个冲程中，会出现电动机处于发电状态，普通变频器加能耗制动单元以多耗电能为代价造成能量的损失较大，对于同一井场上有多口油井的场所，可以采用共用直流母线系统方案，系统整体显得更复杂。对于更大功率的系统，采用能量回馈装置，将再生能量回馈电网，当然有可能存在电磁污染问题，而且投资也就更高了。此项发明没有纠结在回馈能量的回收和释放上，能量是不可能无缘无故产生的，回馈能量的产生源于电动机在抽油机不平衡状态下电动机在前半个冲程中(电动机状态)多做的功。问题产生的根本：抽油机的平衡度。此项发明使变频器在抽油机井中的使用发挥最好的功效，消除电能的浪费流失。同时避免了抽油机的不平衡工作造成变频系统过电压，由此对变频电器元件的危害，使抽油机异步电机用变频器供电真正做到既安全又节能；5)、避免工频电机在抽油机井的使用中经常性的出现的发电运行状态，从而提高电网的功率因数并减少对“污染”电网以及设备的机械磨损；6)、抽油机运行在最佳状态，延长抽油机各部件的使用寿命；7)、可以使油井的用电设备包括变压器、配电柜、电动机都运行在最佳状态，安全及节能效果明显；8)、电路配合实现容易，可以单独成控制柜，也可和油井的电气控制柜组合使用。油井的电气控制柜分为工频柜和变频控制柜，工频控制柜内部空间大，抽油机液体配重自动调平衡控制部分可与抽油机电气控制柜组合；抽油机液体配重自动调平衡可以减少变频柜中的制动单元，因此也有安装空间，而且信号采集、程序控制也可以采用变频器中的CPU完成，可以说在抽油机上的应用和变频控制系统是最佳组合。9)、容易推广，便于制造，便于现场改装，对现有常规型游梁抽油机及异相型、双驴头式、下偏杠铃式、复合平衡式等配重抽油机改装方便；对在目前先进的立式(皮带式)抽油机上安装制造更为简易可行。10)、具有以平衡液体积形式直观显示反映平衡状况的功能和油井异常情况报警功能，便于工人及时方便地掌握抽油机、采油井的工作状态。11)、可以技术先进设备匹配，可与实时采集的载荷示功图分析仪器或电动机调速器、变频器结合使用，便于与监测抽油机电机的各种电参数及油井其它参数(如井口压力、井口温度、电机温度、示功图等)各种仪器以及计算机远程监控系统完美配合，实现油井科学管理。