北京超同步抽油机伺服控制系统.ppt

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1、抽油机伺服控制系统（2009年1月）目 录 抽油机的原理-3 抽油机节能控制-10 抽油机伺服控制系统-20 抽油机控制系统的发展-20采油工业的发展 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。最早提出“石油”一词的是公元977年中国北宋 编著的太平广记。正式命名为“石油”是根据中国北宋杰出的科学家沈括（1031一1095）在所著梦溪笔谈中根据这种油生于水际砂石，与泉水相杂，惘惘而出而命名的。在“石油一词出现之前，国外称石油为”魔鬼的汗珠“、”发光的水“等，中国称”石脂水“、”猛火油“、”石漆“等。世界（我国）上第一口石油井，第

2、一个炼油厂于1907在陕西延长建成。抽油机的原理 采油工业的发展 自从1950发现大庆油田以来，我国在过去的50年里不断发现并开发了胜利、辽河等十几个大型油气田，为我国的石油工业作出了巨大的贡献。我国主要油田及其分部抽油机的原理 序号 名称 地点 建成时间 范围1大庆油田大庆(黑龙江）1963哈尔滨、齐齐哈尔市之间 2胜利油田 东营（山东）东营、滨洲、德洲、济南、潍坊、淄博、聊城、烟台 3辽河油田 盘锦（辽宁）兴隆台、曙光、欢喜岭、锦州、高升、沈阳、茨榆坨、冷家、科尔沁 4克拉玛依油田 克拉玛依(新疆）准噶尔盆地、塔里木盆地 我国主要油田及其分部抽油机的原理序号 名称 地点 建成时间 范围5四

3、川油田（四川）四川盆地，我国第一大气田6华北油田 任丘（河北）1975年京、冀、晋、蒙 7大港油田大港区(天津）大港探区及新疆尤尔都斯盆地 8中原油田 濮阳(河南)1975年河南省濮阳地区 9吉林油田 扶余（吉林）扶余、新民 10河南油田 南阳（河南）南阳、驻马店、平顶山 11长庆油田 西安（陕西）1970年陕甘宁盆地 12江汉油田 潜江（湖北）潜江、荆沙、广饶县（山东）、衡阳市 13江苏油田 扬州、盐城、淮阴、镇江 14青海油田 青海省西北部柴达木盆地 我国主要油田及其分部抽油机的原理序号 名称 地点 建成时间 范围15塔里木油田塔里木(新疆）1988年新疆南部的塔里木盆地 16吐哈油田吐鲁

4、番(新疆）1995年新疆吐鲁番、哈密盆地境内 17玉门油田 玉门（甘肃）1939年甘肃玉门市境内 18滇黔桂油田 百色、赤水、楚雄 19冀东油田 唐海（河北）唐山、秦皇岛、唐海 20海洋石油南海东部公司 1983年 南海东部东经11310以东、面积约13.1万平方公里海域 抽油机的原理采油技术的发展四次采油技术 随着人类的发展，社会的进步，科学技术的迅速发展，人们对石油及以石油为原料的产品的开发和需求日益旺盛，作为战略性能源，有限的石油资源得到全世界的重视。随着石油储量的减少，如何开采有限的石油资源，得到人们的关注，使得采油技术不断地发展进步。【一次采油】由于地壳压力作用，原有从地下自动喷出，

5、也叫自喷井。【二次采油】向地下注入高压水（30MPa)，增加地下油层压力，提高出油量。普遍采用 典型设备注水站【三次采油】向地下注入高压水蒸汽（30MPa)，促进稠油流动。注汽站【四次采油】向地下注入聚苯化合物，融解固体原油。注聚站 抽油机的原理抽油机的发展 随着石油工业迅速发展，抽油设备作为原有生产的关键设备，得到了广泛的重视和发展。特别是近30年，对采油设备的效率，节能的研究不断深入，抽油机及其控制技术得到了迅猛发展，新兴的电机技术、控制技术、电力电子技术等前沿技术在抽油机上得到了普遍应用。世界上第一台抽油机机于1900年在美国诞生 世界上第一台立式抽油机于1950年在大庆诞生 我国第一台

6、游梁式抽油机于1960年在大庆诞生 我国第一个抽油机厂于1950年在大庆建成 抽油机的原理抽油机的分类 抽油机的种类繁多，产品有数百种。抽油机有杆类油杆往复运动油杆旋转运动游梁式抽油机立式抽油机电动潜油螺杆泵无杆类电动潜油离心泵水力活塞泵气举采油设备 游梁式抽油机竖井系统示意图抽油机的原理游梁式抽油机电控箱抽油泵抽油杆柱抽油机的原理 游梁式抽油机构成电动机减速箱四连杆机构曲柄连杆游梁机械抱闸驴头抽油泵的构成抽油机的原理2 泵筒3 柱塞4 排出阀1 吸入阀1234套管油管抽油杆出油口功能从井下吸入原油，通过抽油杆提出地面。常用术语【冲次】抽油杆上下往复运动一次，称为一个冲次。【冲次数】抽油机在1

7、分钟内完成的冲次数量，即为冲次数。【冲程】抽油杆的最大行程，叫做冲程。【上冲程】抽油杆由最下端运动到的最上端，叫做上冲程。【下冲程】抽油杆由最上端运动到的最下端，叫做下冲程。【充满系数】抽油泵的充油量与泵的额定容量之比，叫做充满系数。【泵效】抽油泵的实际出油量与泵的额定出油量之比，叫做泵效。【出油量】单口井24小时的出油量总和，叫做出油量，单位，立方米。抽油机的原理 抽油机（泵）的工作过程抽油机的原理 排出阀关闭 抽油杆泵带动塞向上运动 原油从油管向上被提出油管 吸入阀打开，泵外原油被压进泵筒出油停止出油上冲程 上冲程极限抽油杆向上运动到最大行程油管停止出油吸入阀关闭，泵外原油停止进入泵筒充油

8、结束2 1抽油机的原理 抽油机（泵）的工作过程 排出阀打开，原油通过排出 阀由活塞下方进入活塞上方 下冲程下冲程极限抽油杆向下运动到最大行程排出阀关闭，原油完全转移到活塞上方3 4抽油机的原理 抽油机（泵）的工作过程分析关键过程 出油过程但出油多少，取决于充油多少 充油多少。上冲程 充油过程充油多少，取决于油面高度 油面高度 地下压力 地下压力 流体粘稠度 流体粘稠度 上冲程速度 上冲程速度 活塞及排出阀的泄漏程度 活塞及排出阀的泄漏程度抽油机的原理 抽油机（泵）的工作过程分析 油位转换过程将原油从活塞下方转移到活塞上方转换快慢，取决于下冲程速度 下冲程速度下冲程越快，转换越快 结 论下冲程在

9、理想状态下，上冲程越慢，越有利于油泵充油，下冲程越快，转换越快即：减慢上冲程，加快下冲程，有力于提高泵效，提高产量。游梁式抽油机工作原理抽油机的原理电动机电动机通过皮带带动减速机运转曲轴曲轴带动连杆做上下运动减速机减速机带动曲轴做圆周运动连杆连杆带动游梁在支架上摆动游梁游梁带动驴头做上下圆弧运动驴头驴头带动抽油杆做上下垂直运动立式抽油机工作原理 其工作原理是：电动机通过皮带带动齿轮减速器，减速后带动主动链轮作连续定向转动、主动链轮带动封闭链轮和循环轴循环运行，循环轴的上下分别连接着两条钢丝绳、一条通过天轮与光杆上的悬绳器相连、另一条通过地轮和小天轮与平衡箱相连。循环轴上下循环运动的同时带动抽油

10、杆上下往返运动，从而实现开采作业的主要功能。抽油机的原理螺杆泵式抽油机工作原理 螺杆泵是利用螺杆的回转来吸排液体的。中间螺杆为主动螺杆，由原动机带动回转，两边的螺杆为从动螺杆，随主动螺杆作反向旋转。主、从动螺 杆的螺纹均为双头螺纹。由于各螺杆的相互啮合以及螺杆与衬筒内壁的紧密配合，在泵的吸 入口和排出口之间，就会被分隔成一个或多个密封空间。随着螺杆的转动和啮合，这些密封空间在泵的吸入端不断形成，将吸入室中的液体封入其 中，并自吸入室沿螺杆轴向连续地推移至排出端，将封闭在 各空间中的液体不断排出，犹如一螺母在螺纹回转时被不断 向前推进的情形那样，这就是螺杆泵的基本工作原理。抽油机的原理电潜离心泵

11、抽油机工作原理 电潜离心泵抽油机依靠旋转叶轮对液体的作用把原动机的机械能传递给液体。由于的作用液体从叶轮进口流向出口的过程中，其速度能和压力能都得到增加，被叶轮排出的液体经过压出室，大部分速度能转换成压力能，然后沿排出管路输送出去，这时，叶轮进口处因液体的排出而形成真空或低压，吸水池中的液体在液面压力（大气压）的作用下，被压入叶轮的进口，于是，着的叶轮就连续不断地吸入和排出液体。抽油机的原理抽油机的节能控制 抽油机的基本控制 抽油机的节能控制 抽油机的变频控制抽油机常用电动机 随着电机制造业的发展，抽油机用电动机先后经历了从直流到交流，从异步到同步的过程，目前国内常用抽油机电机列表如下：(负荷

12、率为0.40)抽油机的基本控制 序号 电机名称 系统增效(%)适用抽油机效率(%)功率因数 起动性能1 Y系列电机 0立式.游梁式 88 0.60 差 2电磁调速电机 18 游梁式 90 0.83 较好 3双速电机 0 游梁式 90 0.80 较好 4高转差电机 15 游梁式 80 0.85 好 5变频调速电机 20 游梁式 89 1.00 好 6永磁同步电机 0 游梁式 95 0.90 差 7开关磁阻电机 15 游梁式 90 0.83 好 传统抽油机控制电路抽油机的基本控制功能：完成抽油机的起停控制RST电磁接触器M过载继电器起动按钮 停止按钮空气断路器 具有远程监控的抽油机控制系统抽油机的

13、基本控制RST电磁接触器M过载继电器电源状态井台信号采集箱空气断路器A运转状态 故障型号 运行电流监控室信号接收器功能：可以完成对抽油机运转状态的远程监控 游梁式抽油机的传统冲次/冲程调节抽油机的基本控制减速机带轮电机带轮方法 改变电机带轮和减速机带轮的直径，使加速比发生变化，从而实现冲次调节。方法更换带轮不方便，且减速比可调范围有限，比之不易调配。问题冲次调节冲程调节上冲程速度下冲程速度不可调节 游梁式抽油机配重的调节抽油机的基本控制使配种产生的力矩与抽油杆产生的力矩基本平衡，减少发电运行，提高电动机的功率因数。目的方法调节配重在曲柄上的位置，使抽油机视在功率达到最小为宜。问题配重严重失衡会

14、导致 抽油机起动困难 功率因数很低 机械冲击加大配重曲柄?功率检测需专用设备。?配重调整难度大。!间抽节能控制(IPOC)间歇性开起抽油机，实现节能抽油机的节能控制原因 抽油机的设计和选型留有设计余量。井中液面逐渐下降，泵的充满度越来越不足。液量不足发生空抽的现象方法 当油井出液量不足或发生空抽时,关闭抽油机。当井下液量的蓄积到一定深度时，再开起抽油机。结果 提高了抽油机的工作效率，避免了大量的电能浪费充 液 不 足实现手动控制 根据出液量，人工手动起/停抽油机。自动控制 使用间抽控制器，根据液面传感器或流 量传感器、电流传感器、油杆负荷传感器信号，自动起/停抽油机。降压节能控制降低抽油机的供

15、电电压，提高功率因数，实现节能抽油机的节能控制原理 抽油机电机的设计和选型留有设计余量。油井的产液量减少，电动机的负荷减少。大部分抽油机的负荷只有2030，最高不超过50。电动机轻载运行时，效率和功率因数低。降低电动机供电电压，减小励磁电流，降低铁损和无功功率，提高电动机效率 和功率因数。方法1./Y 切换供电，接时电机的相电压为380V，Y接时电机的相电压为220V。2.使用可控硅移相减压软起动器。为保证足够起动运行扭矩，应保证 全压起动，降压运行 运行电压不宜过低!无功补偿节能装置在电动机上并联电容器，提高功率因数，实现节能抽油机的节能控制原理 抽油机电机的功率因数较低，一般只有0.10.

16、3。在电动机上并联补偿电热器，为电机提供无功功率，有功功率由电网提供。电网功率因数提高，使整个供电线路的容量及线路损耗、变压器容量减少。电网质量提高方法MRST将合适容量的无功补偿电容并联安装在电动机的进线端合理补偿，功率因数可达0.9 以上提高功率因数，对节能的贡献有限 3 只节省了线路上的铜损，电机无功损耗依然存在 改善电网的质量，对电网的贡献更大!C C C 变频控制原理 用变频器调节电动机转速，实现对冲程、充次的无级调节，并可节能抽油机的变频控制原理框图电源输入M抽油杆位置检测起/停控制冲次冲程调节变频器可编程控制器制动单元 变频器接线图抽油机的变频控制电源输入M可编程控制器制动电阻制

17、动单元K1K2K3MCCB变频器运转RSTUVWPN冲程控制变频器故障!当变频器故障时，抽油机可切换到工频运行 变频控制分析抽油机的变频控制优点 1冲程、冲次无级可调 解决了低产井，抽油泵充液不足，依靠间抽的问题 冲程调节，提高泵效，节能明显优点 2提高电网的功率因数 电网功率因数可提高到0.9 以上 减少电网的无功损耗，具有一定的节能效果优点 3抽油机实现了软起动/软停止 减少了抽油机起停示的机械冲击 减少对电网的冲击 变频控制分析抽油机的变频控制问题 1自动化程度低 尽管系统里设计了可编程控制器（PLC），单无法实现冲程/冲次的自动调节 人工调节，很难达到控制最优化!问题 2控制系统结构复

18、杂 系统里设计的可编程控制器（PLC），功能单一，但必须配置 需安装两个油杆位置开关，特别是上限开关，安装不便。系统必须配置制动单元，将电机所发电能通过电阻耗掉，将损失部分电能问题 3成本较高 变频器，PLC均为通用工业控制产品，成本较高 制动单元也增加了系统成本有节能效果，但未达到最优化。过渡产品CTB抽油机伺服控制系 交流伺服驱动原理 CTB抽油机伺服控制系统 CTB抽油机伺服控制柜的使用交流伺服驱动系统的构成交流伺服驱动原理能耗电阻伺服电机伺服驱动器编码器反馈驱动伺服电机伺服驱动器 伺服电机 编码器 交流伺服驱动系统 交流伺服电机交流伺服驱动原理编码器 铁心 线圈 转子交流感应伺服电机Y

19、系列伺服电机Z系列伺服电机交流永磁伺服电机磁钢 铁心 线圈转子 编码器交流感应伺服电机结构交流永磁伺服电机结构交流伺服电机交流伺服驱动原理常用伺服电机的性能比较项 目Y系列伺服电机 Z系列伺服电机永磁同步伺服电机转子结构 铸铝鼠笼结构 铸铝鼠笼结构 永磁铁磁钢励磁方式 感应电流 感应电流 永磁铁产生容量范围 不受限制 不受限制 受磁钢及生产工艺限制结构设计同Y系列电机，编码器外置外观精美，内置编码器外观精致，内置编码器转动惯量 大 较小 小控制精度 取决于驱动系统 取决于驱动系统 高弱磁运转 可以，1：2.5 可以，1：4 难于实现起 动 容易 容易 困难维护及成本 维护简单，成本低 维护简单

20、，成本低 维护空难，成本高交流伺服驱动器结构交流伺服驱动原理 主回路IMPGCPUI/O接口编码器接口电流传感器接口PWM输出直流电源输入开关电源PWM驱动操作器 控制板 驱动板电流检测熔断器接触器缓冲电阻交流伺服驱动器主回路交流伺服驱动原理IM电流检测电源整流电路缓冲电路滤波电路制动电路逆变电路保护电路交流伺服驱动器原理交流伺服驱动原理速度给定位置给定加减速速度变换 P I控制速度变换力矩极限力矩电流矢量计算滑差计算差动放大发生IGBT逆变霍尔电流检测电机PWM编码器Im sinwt-i2 coswti2wtiuiv给定反馈电流+-+-交流伺服驱动器功能实现对交流伺服电机的速度、位置、转矩的

21、精确控制交流伺服驱动器速度 控制全频域范围内的精确速度控制 速度控制精度0.1%调速范围1：5000 最低运行速度0.3 转/分，100额定扭矩输出位置 控制完成对伺服电机的多种位控操作 自动零位寻找 任意角度定位控制 脉冲同步，电子齿轮，外置编码器定位等转矩 控制实现对伺服电机的精确转矩控制 300额定转矩输出 转矩控制精度5%低速大转矩输出，更适合满载起动系统结构图游梁式抽油机伺服控制系统极限开关伺服控制柜 负荷传感器电源输入编码器伺服控制柜CTB电动机 编码器 极限开关 负荷传感器380V 50Hz系统部件功能介绍游梁式抽油机伺服控制系统伺服控制柜电动机编码器极限开关负荷传感器CTB专用

22、抽油机伺服控制柜系统的核心控制 接收控制指令 接收传感器信号 完成抽油机的智能化控制检测抽油杆的上极限位置，确定冲程转换点常规抽油机电机驱动抽油机运转检测电动机的运转速度，及抽油杆的位置检测抽油杆负荷，确定示功图游梁式抽油机伺服控制系统电气系统连线图电源输入380V 50HzMCPU控制板 驱动板交流伺服控制柜PG极限开关负荷传感器电气系统接线图游梁式抽油机伺服控制系统电源输入380V/50HzM交流伺服控制柜PG极限开关负荷传感器T5EZ-Z+B-B+A-A+0V5VSVSTEUVWESCSWFVFCFI24V0V信号输入12V0V信号输入T3T1R抽油机专用交流伺服控制柜设计特点游梁式抽油

23、机伺服控制系统 一体化柜式伺服驱动设计方案将伺服驱动器与控制一体化设计，器件布局更合理，降低设计、生产成本 内置直流电抗器内置直流电抗器，有效提高电网的功率因数，减少高次谐波对电网的污染 内置制动单元及制动电阻制动单元、制动电阻与伺服驱动的一体化设计，既简化结构又节省成本抽油机专用交流伺服控制柜控制功能游梁式抽油机伺服控制系统 冲次自动无级调节 智能CPU，采用优化的节能控制软件，适时检测抽油杆（或电动机）在每个冲程的负荷变化，根据负荷变化，形成功图，再根据功图情况，调节电动机转速，改变冲次。经过不断调节，自动找到最佳冲次。负荷检测最佳功图形成功图调节冲次冲次调节过程否是!解决了供液不足，需要

24、间抽的问题。解决了靠改变机械变传动比调节冲次的问题。从根本上解决了节能、增产、提高效率的问题。冲次自动调节是抽油机伺服控制的核心。抽油机专用交流伺服控制柜控制功能游梁式抽油机伺服控制系统 冲程自动无级调节 方式二、按照系统设定的上下冲程速度比，自动调节上下冲程速度，配合冲次调节，达到提高泵的充满系数，提高泵效的效果。方式一、伺服系统适时检测下冲程电动机的输出转矩，当输出转矩小于零，即为负转矩时，伺服系统自动提高电动机转速，直至输出转矩大于零，避免抽油机工作在发电状态，即可提高功率因数，又能提高效率。!两种控制方式可以由参数设定进行选择。冲程调节旨在调节上下冲程的速度，冲程长度是不能调节的。抽油

25、机专用交流伺服控制柜控制功能游梁式抽油机伺服控制系统 手动冲次无级调节调节依据1.人工测试抽油机功图。2.根据抽油机的出液量计量数据。方法通过参数设定，选择冲次手动调节，并通过参数设定冲次数值。!省略极限开关和负荷传感器的安装优点问题1.需要现场测量油井的功图或出液量，根据测量结果调节冲次。2.对于工况不稳定的油井需要经常测量，经常调节。否则然会出现空抽现象。负荷传感器极限开关图负荷传感器抽油机专用交流伺服控制柜的节能特色游梁式抽油机伺服控制系统通过调节冲次，使冲次充分满足井下的供液情况，避免抽空，大大提高抽油泵的充满度，使电能得到充分利用。调节冲次节能降低上冲程速度，可以减小上冲程的电机输出

26、功率，同时有利于避免抽空，提高抽油泵的充满度。降低上冲程速度节能提高下冲程速度，可以有效将上冲程积蓄的能量转化为下冲程的动力，减少电机的发电，及伺服驱动器的能耗制动，从而节省大量电能，并提高功率因数；同时由于下冲程抽油机不做功，提高下冲程速度更大大能提高抽油机效率，可谓一快两得。提高下冲程速度节能抽油机专用交流伺服控制柜的节能特色游梁式抽油机伺服控制系统使用伺服驱动系统，抽油机的功率因数可由工频驱动的0.2提高到0.9 以上，功率因数的提高，有效降低电网的无功损耗，同时提高电网的质量。提高功率因数节能伺服驱动器根据抽油机的负载状况，适时调整输出电压及转矩，以满足抽油机需要，使能量得以最优化的利

27、用，比变频器更节能。优秀的伺服节能特性调速调压可分别进行控制，转矩可控bianpin图片调速调压同时进行（v/f=C)，转矩不可控抽油机专用交流伺服控制柜控制功能游梁式抽油机伺服控制系统 工频运转与伺服驱动切换运行作为伺服驱动故障时的备用控制电路，保证抽油机连续运行伺服控制柜内部设计了工频、伺服切换电路，通过操作面板可以自由切换运行。作用电源输入380V 50HzM交流伺服控制柜伺服驱动K1K3K2PICC可靠运行的双保险抽油机专用交流伺服控制柜结构设计游梁式抽油机伺服控制系统 精美的外形结构设计亮丽的色彩和协调的外形比例给油田增添无限的风光体貌特征 控制柜 防雨、防雷设计 散热设计 防尘设计

28、完善的防雨措施，能有效防止雨水的侵蚀；内置防雷电路，更可避免雷击柜内安装高级空气过滤器，防尘效果极佳内设自动散热风机温度控制系统，节能环保，安全可靠高 宽厚：1400600400mm 伺服柜CTB抽油机专用交流伺服控制柜操作面板游梁式抽油机伺服控制系统 起 动 停 止运行方式控制方式变频 工频自动 手动 急 停触摸显示屏抽油机专用交流伺服控制柜的规格游梁式抽油机伺服控制系统序号 型号 额定功率(KW)额定电流(A)外形尺寸(高宽厚mm）1 PSC-05 5.5 128004003002 PSC-07 7.5 183 PSC-11 11 244 PSC-15 15 325 PSC-18 18.5 3812004503506 PSC-22 22 457 PSC-30 30 618 PSC-37 37 8014006004009 PSC-45 45 9010 PSC-55 55 12011 PSC-75 75 15212 PSC-110 110 23013 PSC-160 160 320 1800600400建设中的工厂 未来规划