JP4826838B2 - ポンプジャックのポンプオフ制御方法及びポンプジャック制御装置 - Google Patents
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Description
しかしながら、これらの従来方式のセンサを応用する方法では、精度面に問題があってほとんど実用されていないし、ダイナグラフカード方式では、たとえ精度面は満足されても、サッカロッド荷重を検出するセンサやその検出信号処理装置等が必要になり、結果として複雑・高価になる欠点があった。
図6において、1はポンプジャック駆動用の誘導電動機、2は誘導電動機1に直結され、誘導電動機1の速度を検出する速度検出器、3は電流マイナーループを有するベクトル制御インバータ、4aはポンプオフ制御装置である。
ベクトル制御インバータ3は、直線指令器31、速度調整器32、電流調整器33、PWM制御器34、変流器35及びベクトル演算器36を備えている。直線指令器31は、ポンプオフ制御装置4aの出力である速度基準Npを、内部に設定された加速レートに制限し、誘導電動機1の速度基準Nsに変換する働きをする。速度基準Nsは速度検出器2で検出された実際の速度Niと比較され、その偏差が速度調整器32によって増幅されて二次電流指令I2qが出力される。
電動機電流は変流器35で検出され、ベクトル演算器36によってその二次電流成分のみがI2として検出され、二次電流指令I2qと比較される。そして、その偏差が電流調整器33によって増幅され、PWM制御器34によって電圧のパルス幅が調節されて負荷を駆動するのに必要な二次電流が誘導電動機1に供給される。このようにベクトル制御インバータ3は、実際の速度Niが速度基準Npに等しくなるように電動機速度を自動調整する。
実際に検出された二次電流の瞬時値の平均値I2AV(あるいは実効値I2RMS)は、設定値I2AV*(あるいはI2RMS*)と比較器43で比較され、もし、I2AV>I2AV*(あるいは、I2RMS>I2RMS*)ならば、ポンプオフ発生を検出し、逆にI2AV≦I2AV*(あるいは、I2RMS≦I2RMS*)ならば、ポンプオフ解除を検出する。
主速度設定器47は、例えばNps=100%速度、Nps=80%速度のように、その時の油井状況に対応した最高速度を設定するものである。
したがって、この設定された速度で運転中にポンプオフが検出されると1ノッチ分の速度だけ強制的に速度指令関数発生器46で降速させる。つまり、ポンプジャック速度は、△Npnを△Np1に設定してNpはNps−△Np1とし、ポンプオフ条件の消滅を待つ。引き続きポンプオフが検出されると、更にもう1ノッチ分だけ、例えば△Np2を2×△NP1とし降速させる。
ただし、Nps−Npn≦0の場合、ポンプジャックは停止する。この場合、速度指令切替器48を速度指令器49側に切り替える。
速度指令器49は、ポンプオフ条件の有無をチェックするための微速指令を発生するものである。この切り替えが完了すると、ポンプオフで停止中のポンプジャックを一定時間後に強制的に再起動し、微速運転し、微速運転中にポンプオフ条件の有無のチェックを行う。
この微速運転中にポンプオフ解除を検出した場合、速度指令切替器48を主速度設定Nps側に切り替える。このようにして、ポンプジャックはNps−△Npn=Npの速度で、再び制御されるようになり、順次ポンプオフ条件の解除を確認しつつ、自動的に昇速させられ、設定された当初の速度Npsに復元する。
以上述べたようにポンプオフ制御装置4aは、誘導電動機1の二次電流の瞬時値の平均値(あるいは実効値)を演算及び記憶し、基準値と比較することにより、ポンプオフ又はポンプオフ解除を検出するものである。
図8において、IPCALブロック51は、ポンプジャックの毎回のダウンストローク時間に対する二次電流瞬時値の最大値I2Pを演算、検出するもので、二次電流がI2Pに到達するとAND論理素子62に、論理信号”1”を与える。
SIGMAブロック61は、ポンプオフ検出リレーDET71がONの間、一定タイミングパルス発生器60が発生する時間パルスΔtを積算する。そしてAND論理素子62が”1”の間、二次電流サンプリング時間毎に記憶素子64にSIGMAブロック61の積算結果を書き込む。つまり、IPCALブロック51が検出したI2PによってAND論理素子62に論理信号”1”が与えられると、その時点までに積算されたΔt時間、つまりΣΔtの値が記憶素子64に記憶されることになる。このようにして検出されたダウンストロークの時のΣΔtをTp1(sec)とすれば、この値は、基準サイクルタイム演算器(CTCAL)66の出力Tctr(sec)で割算され、tP1(p.u.)となる。
tP1>tPR(ポンプオフ発生)の場合、出力リレー44を”DN”側に切り替え、逆に、tP1≦tPR(ポンプオフ解除)ならば、出力リレー44を”UP”側に切り替える。
シーケンサ45b、速度指令関数発生器46の動作は、図7での動作と同様なのでここでは省略する。
なお、基準サイクルタイム演算器(CTCAL)66は、ポンプジャック速度をNiで取り込み、これと機械定数として設定されている減速比から、1/2ストローク時間(=TS/2)を演算し、演算値を基準サイクルタイムTctrとして出力する。また、ポンプジャックが正常運転している場合の基準の二次電流最大値時間を設定基準時間として、記憶素子52に記憶されている。
このように、従来の速度調整可能な誘導電動機を用いたポンプジャックでは、吸込時の二次電流の平均値(あるいは実効値)、あるいは吐出時の吐出弁の時間遅れを二次電流の立ち上がり時間でポンプオフの発生又は解除を検出し、ポンプジャックの速度をポンプオフがない状態まで低下させるという手順がとられていた。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、ポンプオフ発生で速度を低下させても過負荷異常や原油の凝固で停機せず、油井の継続的な生産を行うことができ、しかも、ポンプオフ時にも、生産能力の低下をなるべく防ぐことが可能なポンプジャックのポンプオフ制御方法とポンプジャック制御装置を提供することを目的とする。
請求項1に記載の発明は、交流電動機を用いて可変電圧、可変周波数電源のインバータで駆動し、前記交流電動機の過負荷保護を行い、ポンプジャックのサイクル毎のダウンストローク期間における前記交流電動機の二次電流の平均値又は実効値に基づき、あるいは、各ダウンストローク基準点から前記交流電動機の二次電流の最大値までの遅れ時間に基づき、ポンプオフ条件を検出するポンプジャックのポンプオフ制御方法において、前記ポンプオフ条件を検出すると、ポンプジャック速度を予め設定された速度だけ低下させ、
その低下した速度においても前記ポンプオフ条件を検出すると、順次段階的にポンプジャック速度を予め設定された最低速度まで低下させ、ポンプジャック速度を低下させる間での運転中、あるいは最低速度での運転中に前記交流電動機の過負荷警告信号により、ポンプジャックを間欠運転に切り替え可能とするという手順をとったのである。
請求項2に記載の発明は、前記間欠運転において、前記交流電動機の過負荷警告信号の解除を再運転の開始条件とするという手順とし、請求項3に記載の発明は、前記間欠運転において、前回ポンプジャックのポンプオフ条件を再運転の開始条件とするという手順をとったのである。
これら本発明者の知見、検討により、請求項4に記載の発明は、請求項1乃至3のいずれか1項に記載のポンプジャックのポンプオフ制御方法において、前記ポンプオフ条件を検出すると、ポンプジャックのアップストローク時のストローク速度が正弦波状から矩形波状になるようにするか、又は、前記インバータでの運転においてトルク制限をかけながらアップストローク動作をさせるようにするという手順をとったのである。
請求項5に記載の発明は、請求項1乃至4のいずれか1項に記載のポンプジャックのポンプオフ制御方法において、前記ポンプオフ条件を検出すると、ポンプジャックのダウンストローク平均速度は、アップストローク平均速度に比べて大きくなるように運転させるという手順をとったのである。
請求項6に記載の発明は、交流電動機を駆動する可変電圧、可変周波数電源のインバータと、ポンプジャックのサイクル毎のダウンストローク期間における前記交流電動機の二次電流の平均値又は実効値に基づき、あるいは、各ダウンストローク基準点から前記交流電動機の二次電流の最大値までの遅れ時間に基づき、ポンプオフ条件を検出し、前記ポンプオフ条件が検出されると、ポンプジャック速度を予め設定された速度だけ低下させ、その低下した速度においても、前記ポンプオフ条件を検出すると、順次段階的に前記ポンプジャック速度を予め設定された最低速度まで低下させるポンプオフ制御部を備えたポンプジャック制御装置において、前記インバータは、前記交流電動機に流れる電流の大きさに基づき、少なくとも積算を用いた演算値、あるいは、前記交流電動機に取り付けられた温度センサの検出値により過負荷警告信号を出力する過負荷保護部を有し、前記ポンプオフ制御部は、前記ポンプジャック速度を低下させる間での運転中、あるいは最低速度での運転中に、前記過負荷警告信号により、前記ポンプジャックを間欠運転に切り替えるポンプジャック制御部を備えるものである。
請求項7に記載の発明は、請求項6記載のポンプジャック制御装置において、前記ポンプオフ制御部は、前記ポンプオフ条件を検出すると、ポンプジャックのアップストローク時のストローク速度が正弦波状から矩形波状になるように前記インバータへ速度指令を出力するようにし、請求項8に記載の発明は、請求項6又は7に記載のポンプジャック制御装置において、前記ポンプオフ制御部は、前記ポンプオフ条件を検出すると、ポンプジャックのダウンストローク平均速度は、アップストローク平均速度に比べて大きくなる速度指令を前記インバータへ出力するものである。
さらに、このようなポンプオフコントロールのソフトウェアを、ポンプジャックの速度制御のために使用するベクトル制御インバータに搭載すれば、ロッド荷重センサとマイクロコンピュータから構成される高価なダイナグラフカードシステムを使用しないで、安価で、しかもポンプオフ時にも、ポンプジャックの生産能力の低下をなるべく防ぐことが可能なポンプジャック制御装置を提供できる。
1’ 交流電動機
2 速度検出器
3、3’ ベクトル制御インバータ
4、4a、4b、4a’、4b’、4b” ポンプオフ制御装置
20 ストローク位置センサ
31 直線指令器
32 速度調整器
33 電流調整器
34 PWM制御器
35 変流器
35’ 電流検出器
36 ベクトル演算器
37 過負荷検出器
41 演算器
42 二次電流基準発生器
43 比較器
44 出力リレー
45a、45b、45a’、45b’、45b” シーケンサ
46、46’ 速度指令関数発生器
47 主速度設定器
48 速度指令切替器
49 速度指令器
51 IPCALブロック
52 記憶素子
60 一定タイミングパルス発生器
61 SIGMAブロック
62、63 AND論理素子
64、65 記憶素子
66 基準サイクルタイム演算器(CTCAL)
69 AND論理素子
71 ポンプオフ検出リレー
73 ストローク位置切替器
74 基準点信号発生器(RPOSG)
過負荷異常の検出は、電流検出器35’で検出した電動機電流から所定値1(例えば、モータ定格電流の110%)を差し引き、それを積算し所定値2に達すると過負荷異常とする方法が知られている。
過負荷検出器37は、上記方法で積算量が所定値2に達する前、例えば所定値2の90%に達したところで警告信号(warning)を出力する。なお、この演算の際、モータ速度の関数で係数を持たせて積算し、駆動しているモータ特性に合う熱モデルとしている。
ポンプオフ制御装置4a’のポンプオフコントロールを示すブロック図は、例えば図2のように構成されている。図2において、図7に示した従来図からシーケンサ45aにあるポンプオフシーケンスを統括制御に関する機能の動作を一部変更し、45a’としている。図7に示した従来図と同一構成には、同一符号を付して重複する説明は省略する。
シーケンサ45a’におけるポンプオフシーケンスを統括制御は、過負荷検出器37からの過負荷警告信号(warning)がポンプオフ制御装置4a’に入力されると、運転を停止してポンプジャックを停機させ、過負荷警告信号が解除されると、ポンプジャックを速度指令器49からの速度設定、つまり、最低速度で再始動させるようにしている。
また、ポンプオフ制御装置4a’のポンプオフコントロールを示すブロック図を、従来技術の図7に対応した図2のような構成としたが、従来技術の図8に対応するようにした図3の構成にしても同様に実現できる。
図3において、図8に示した従来図の差異は、図2と図7の差異と同様にシーケンサ45a’のポンプオフシーケンスを統括制御に関する機能の動作を一部変更し、45b’としているだけであるので説明は省略する。
なお、過負荷検出器37は、図示していない温度センサを交流電動機1’に内蔵し、その温度が過負荷異常値の所定値の例えば10℃程度手前で警告信号を出力するようにしても代用できる。
上記では、間欠運転におけるインターバル時間を過負荷検出器37からの警告信号(warning)により決定するように説明したが、前回ポンプジャック吸込時のポンプオフ条件で決定したり、あるいは前回ポンプジャック吸込時のポンプオフ条件を考慮して、ポンプオフ条件に大きくかかっている程、つまり、I2AVがI2AV*(あるいは、I2RMSがI2RMS*)に比べより大きい程、あるいは、TP1がTPRに比べより大きい程、ポンプオフ条件の消滅を待つ時間をより大きく確保するように、間欠運転のインターバル時間を長くとる方向に決定するようにしてもよい。
図4は、第2実施例のポンプジャック制御装置でのポンプオフコントロールを示すブロック図である。図4において、図8に示した従来図の速度指令関数発生器46を速度指令のパターンが正弦波状から矩形波状に切り替え可能な速度指令関数発生器46’とし、ストローク位置切替器73を介して出力されるポンプジャックのストローク位置を検出するストローク位置センサ20又はソフトウェア処理の基準点信号発生器74の何れかを速度指令関数発生器46’に入力するようにし、また、シーケンサ45bにあるポンプオフシーケンスを統括制御に関する機能の動作を一部変更して45b”としている。図8に示した従来図と同一構成には、同一符号を付して重複する説明は省略する。
シーケンサ45b”は、比較器43の出力でポンプオフの発生を検出すると、ポンプジャックのストローク速度が、アップストローク時には正弦波動作から矩形波状(一定速)動作となるように速度指令関数発生器46’を制御する。
速度指令関数発生器46’は、主速度設定器47出力であるその時の油井状況に対応した最高速度Npsと、シーケンサ45”出力であるポンプオフの発生状況により速度設定Npnを演算する。
まず、ストローク位置切替器73を介して出力されるポンプジャックのストローク位置を参照して求めたクランク角度θから、アップストローク動作かダウンストローク動作かを判断する。
次に、アップストローク動作であれば、速度設定Npnを{0.637×(Nps-ΔNpn)/K−Δ}×K/sin(θ+180°)として、ダウンストローク動作であれば、速度設定Npnを2×(Nps−ΔNpn)+K×Δ/0.637として、アップダウン時の平均速度が下がっていれば、それを補うように出力する。
なお、2/π=0.637はストローク平均速度を正弦波状にした際に平均速度が変化しないようにした係数、ΔNpnはポンプオフを検出して降速させる速度、Kはポンプジャックのリンク機構による機械的定数(機械設計諸元)によって決定されるストローク速度とモータ速度の変換係数、Δは矩形波状速度の調整用の値である。
このようにして、ストローク速度が矩形波状となるモータの速度設定を与える。
ポンプオフが解除され当初の速度に戻っている場合は、速度指令関数発生器46’は、主速度設定器47の出力値Npsを速度設定Npnとして出力する。
そして、速度設定Npnはモータ仕様で上限を制限され、速度指令切替器48を介して、速度基準Npとしてベクトル制御装置3に出力される。
アップストローク時のストローク速度は、通常時の正弦波状指令値のピーク値よりも小さい所定値で制限されるとともに、クランク角度θの0及び−180度付近ではほぼステップ状に変化している。このようにしているため、モータ速度は、モータ仕様の最高速度で制限され、電動機やインバータの最大電流やダウンホールポンプやサッカロッド系を始めとした機械保護のためのトルク制限にかかった状態で運転される。
この結果、実際のストローク速度は台形波状となり、ポンプジャックは駆動系の最大能力で運転されるようになる。このようにして、吐出時の最高速度を下げることができ、ピストン部の吐出平均速度が下がった場合でも、吸込速度を上げることでサイクルタイムの低減を図ることができる。
また、速度パターンの変形例として、ダウンストローク動作時においても、アップストローク時と同様にストローク速度を矩形波状になるようにしてもよい。
クランク角度検出のため、ポンプジャックに機械的、磁気的又は光学的なストローク位置センサ20を設け、これから得られるポンプジャックのストローク位置からクランク角度θを求めることができる。
また、機械構造上の制約等でストローク位置センサ20の設置が難しいときは、基準点信号発生器74でダウンストロークスタートとアップストロークスタートの信号を求めたのち、ストローク速度から演算推定するようにすればよい。なお従来技術として挙げた特許文献1に記載のダウンストロークスタート信号と同様にアップストロークスタート信号についても演算すればよいので、ここでは説明は省略する。
このような構成しているため、本実施の形態によれば、ポンプオフ条件を検出するとポンプジャックのアップストローク(吸込動作)の最高速度を抑え、かつ平均速度の変わらない運転を実施することができる。
また、最近の電動機制御の進歩により、V/f一定制御でありながらトルク制限をかけたり、交流電動機の二次電流を別手法で演算したりすることが可能となってきた。このような電動機制御装置を用いて、本発明を適用するようにしてもよい。
さらに、適用電動機は、誘導電動機、同期電動機をはじめとして他の交流電動機にも適用可能であることは言うまでもない。
Claims (8)
- 交流電動機を用いて可変電圧、可変周波数電源のインバータで駆動し、前記交流電動機の過負荷保護を行い、ポンプジャックのサイクル毎のダウンストローク期間における前記交流電動機の二次電流の平均値又は実効値に基づき、あるいは、各ダウンストローク基準点から前記交流電動機の二次電流の最大値までの遅れ時間に基づき、ポンプオフ条件を検出するポンプジャックのポンプオフ制御方法において、
前記ポンプオフ条件を検出すると、ポンプジャック速度を予め設定された速度だけ低下させ、
その低下した速度においても前記ポンプオフ条件を検出すると、順次段階的にポンプジャック速度を予め設定された最低速度まで低下させ、
ポンプジャック速度を低下させる間での運転中、あるいは最低速度での運転中に前記交流電動機の過負荷警告信号により、ポンプジャックを間欠運転に切り替え可能とすることを特徴とするポンプジャックのポンプオフ制御方法。 - 前記間欠運転において、
前記交流電動機の過負荷警告信号の解除を再運転の開始条件とすることを特徴とする請求項1記載のポンプジャックのポンプオフ制御方法。 - 前記間欠運転において、
前回ポンプジャックのポンプオフ条件を再運転の開始条件とすることを特徴とする請求項1記載のポンプジャックのポンプオフ制御方法。 - 前記ポンプオフ条件を検出すると、ポンプジャックのアップストローク時のストローク速度が正弦波状から矩形波状になるようにするか、又は、前記インバータでの運転においてトルク制限をかけながらアップストローク動作させるようにすることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のポンプジャックのポンプオフ制御方法。
- 前記ポンプオフ条件を検出すると、ポンプジャックのダウンストローク平均速度は、アップストローク平均速度に比べて大きくなるように運転させることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のポンプジャックのポンプオフ制御方法。
- 交流電動機を駆動する可変電圧、可変周波数電源のインバータと、ポンプジャックのサイクル毎のダウンストローク期間における前記交流電動機の二次電流の平均値又は実効値に基づき、あるいは、各ダウンストローク基準点から前記交流電動機の二次電流の最大値までの遅れ時間に基づき、ポンプオフ条件を検出し、前記ポンプオフ条件が検出されると、ポンプジャック速度を予め設定された速度だけ低下させ、その低下した速度においても、前記ポンプオフ条件を検出すると、順次段階的に前記ポンプジャック速度を予め設定された最低速度まで低下させるポンプオフ制御部を備えたポンプジャック制御装置において、
前記インバータは、前記交流電動機に流れる電流の大きさに基づき、少なくとも積算を用いた演算値、あるいは、前記交流電動機に取り付けられた温度センサの検出値により過負荷警告信号を出力する過負荷保護部を有し、
前記ポンプオフ制御部は、前記ポンプジャック速度を低下させる間での運転中、あるいは最低速度での運転中に、前記過負荷警告信号により、前記ポンプジャックを間欠運転に切り替えるポンプジャック制御部を備えたことを特徴とするポンプジャック制御装置。 - 前記ポンプオフ制御部は、前記ポンプオフ条件を検出すると、ポンプジャックのアップストローク時のストローク速度が正弦波状から矩形波状になるように前記インバータへ速度指令を出力することを特徴とする請求項6記載のポンプジャック制御装置。
- 前記ポンプオフ制御部は、前記ポンプオフ条件を検出すると、ポンプジャックのダウンストローク平均速度は、アップストローク平均速度に比べて大きくなる速度指令を前記インバータへ出力することを特徴とする請求項6又は7に記載のポンプジャック制御装置。
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