抽油機(jī)變頻電控裝置的設(shè)計(jì)

王 麗

（天水電氣傳動(dòng)研究所有限責(zé)任公司，甘肅天水741020）

1 引言

抽油機(jī)是目前應(yīng)用最普遍的石油開(kāi)采機(jī)械之一，也是油田耗電較大的設(shè)備，用電量約占油田總用電量的40%，會(huì)造成過(guò)剩的抽油能力，使抽油機(jī)的無(wú)功抽取時(shí)間增加，使油井開(kāi)采的電費(fèi)成本居高不下，能源浪費(fèi)十分嚴(yán)重。同時(shí)，我國(guó)陸上油田無(wú)論是水網(wǎng)、沙漠還是高原、嚴(yán)寒地區(qū)，油井的數(shù)據(jù)采集都是靠采油工到現(xiàn)場(chǎng)采集，油井示功圖、平衡度、油套壓、油溫及產(chǎn)液量等井口生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集量大，勞動(dòng)強(qiáng)度高，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠性差。采油井的生產(chǎn)參數(shù)經(jīng)常受到天氣變化和交通工具的影響無(wú)法正常獲得，這些都嚴(yán)重影響了油井的自動(dòng)化管理。如果在現(xiàn)有的有桿抽油機(jī)井上應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)、節(jié)能提高油井遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于實(shí)現(xiàn)油井管理的自動(dòng)化程度、提高工作效率，保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性及加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)事故應(yīng)急處理等都具有非常重要的意義，這些將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益［1]。

2 發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀

油田抽油機(jī)負(fù)載是時(shí)變負(fù)載，有動(dòng)、靜負(fù)載特性之分。起動(dòng)初始狀態(tài)要求的啟動(dòng)力矩是抽油機(jī)實(shí)際負(fù)載的3－4倍，甚至更大，運(yùn)行負(fù)載功率都遠(yuǎn)小于電機(jī)的額定功率，目前解決以上問(wèn)題，針對(duì)抽油機(jī)節(jié)能化的改造方案大致有以下三個(gè)方面［2]。

（1）采用節(jié)能型抽油機(jī)

通過(guò)改進(jìn)抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化抽油機(jī)的機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)減小機(jī)構(gòu)的負(fù)扭矩，從而提高電動(dòng)機(jī)的工作效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

（2）采用節(jié)能驅(qū)動(dòng)設(shè)備

研發(fā)出與采油工況相匹配的新型電機(jī)來(lái)提高電機(jī)的效率和功率因數(shù)。大多采用高轉(zhuǎn)差電機(jī)，還有的采用節(jié)能的電機(jī)配電箱來(lái)提高抽油機(jī)效率，但是這種方案大多需要較高的技術(shù)和較大的資金投入，研發(fā)周期較長(zhǎng)，不易實(shí)現(xiàn)。

（3）采用節(jié)能電控裝置

目前應(yīng)用的有下面幾種節(jié)能電控裝置［3]：①繼電接觸器調(diào)壓節(jié)能；選擇繼電接觸器，通過(guò)切換電機(jī)繞組，使用有級(jí)降壓節(jié)能。②采用間抽控制器；當(dāng)油井出油量低或者出現(xiàn)空抽時(shí)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉抽油機(jī)，等井下油液積蓄超過(guò)一定深度時(shí)又能自動(dòng)開(kāi)啟抽油機(jī)，避免了電能的浪費(fèi)，提高了抽油機(jī)的效率。③采用變頻調(diào)速電控裝置；通過(guò)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使抽油泵的排列與油井的滲透出油量相一致，讓電機(jī)的轉(zhuǎn)速跟隨油井滲油量的變化而變化，實(shí)現(xiàn)電機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)功率，達(dá)到節(jié)能的目的。

3 抽油機(jī)變頻電控裝置設(shè)計(jì)要求

3.1 控制對(duì)象參數(shù)

驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)為：3AC 3～50Hz 75kW；移機(jī)裝置電機(jī)參數(shù)為：3AC 50Hz 2.2kW；冷卻電機(jī)參數(shù)為：3AC 50Hz 1.0kW；電磁制動(dòng)器參數(shù)DC207V 300W。

3.2 技術(shù)參數(shù)描述

輸入電壓三相四線制380V（+10%，-15%）；輸入頻率50Hz±10%；輸出電壓0～380V（驅(qū)動(dòng)電機(jī)）；輸出頻率0～200 Hz（驅(qū)動(dòng)電機(jī)）；綜合功率因數(shù)＞0.95（驅(qū)動(dòng)電機(jī)）；使用環(huán)境溫度：-20℃～ +50℃，海拔2000m及2000m以下。

3.3 技術(shù)要求

柜內(nèi)加裝溫濕度自動(dòng)控制裝置；驅(qū)動(dòng)電機(jī)電路圖采用鋁板制造，并固定；觸摸屏上設(shè)置多語(yǔ)言操作界面，示功圖曲線、沖程、沖次、上行電流、下行電流、最大載荷、最小載荷、流量等數(shù)據(jù)，并具有存儲(chǔ)讀取功能，設(shè)置電源、運(yùn)行、故障指示燈，啟動(dòng)、停止、緊停按鈕，工況選擇開(kāi)關(guān)、沖次調(diào)整器；0～4沖次連續(xù)可調(diào)；移機(jī)裝置電機(jī)能夠正反轉(zhuǎn)控制；冷卻電機(jī)隨驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行自動(dòng)控制；電磁制動(dòng)器運(yùn)行帶電，斷電制動(dòng)保護(hù)；驅(qū)動(dòng)電機(jī)欠壓、過(guò)壓、過(guò)載、過(guò)溫、接地、短路的自動(dòng)保護(hù)；實(shí)現(xiàn)對(duì)抽油機(jī)卡桿、卡泵、斷桿、上行斷鏈、下行斷鏈的停機(jī)自動(dòng)保護(hù)等。

4 抽油機(jī)變頻電控裝置設(shè)計(jì)

4.1 控制技術(shù)方案設(shè)計(jì)

圖1 抽油機(jī)變頻控制裝置整體框圖

根據(jù)技術(shù)要求研發(fā)如圖1所示的系統(tǒng)，這套系統(tǒng)主要由變頻調(diào)速器、傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊和遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸終端（RTU）組成。采用交流采樣原理對(duì)電動(dòng)機(jī)輸入電流和電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后，用二瓦特計(jì)法計(jì)算電動(dòng)機(jī)瞬時(shí)功率和一個(gè)沖程的平均功率，并和設(shè)定的功率閾值進(jìn)行比較。借助位置傳感器采集抽油機(jī)上下沖程四點(diǎn)位置信號(hào)，并把信號(hào)送給RTU，經(jīng)過(guò)綜合分析處理后輸出控制信號(hào)給變頻器。無(wú)線傳輸終端把相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)控制中心，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和報(bào)表生成。變頻器采用可以實(shí)現(xiàn)速度傳感器的矢量控制，應(yīng)用有速度傳感器的恒轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)來(lái)控制，變頻器將接受油井載荷傳感器的數(shù)據(jù)信號(hào)以及電機(jī)側(cè)的轉(zhuǎn)速信號(hào)，通過(guò)內(nèi)部指令編程來(lái)輸出電源的頻率和電壓，以此來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，最終控制抽油機(jī)的抽汲參數(shù)。

4.2 控制硬件電路設(shè)計(jì)

4.2.1 變頻節(jié)能

控制系統(tǒng)的主電路圖如圖2所示，系統(tǒng)由供電斷路器、變頻器、功率調(diào)節(jié)柜、PLC、工控機(jī)、傳感器、采集模塊、RTU、電磁制動(dòng)裝置、移動(dòng)控制單元、冷卻控制單元、房?jī)?nèi)加熱系統(tǒng)等組成。

4.2.2 相關(guān)計(jì)算、設(shè)計(jì)與選型

（1）變頻器的計(jì)算與選型

圖2 抽油機(jī)變頻控制裝置電路原理圖

依據(jù)抽油機(jī)的工作原理和負(fù)載特性，對(duì)起動(dòng)性能的要求是低速大轉(zhuǎn)矩，要求力矩響應(yīng)要快，且經(jīng)常地快速制動(dòng)，還要有足夠的頻率分辨率，所以主電路選擇具有高啟動(dòng)性能、力矩響應(yīng)快、低速力矩特性好的6SE440系列變頻器。經(jīng)計(jì)算可知變頻器連續(xù)輸出的最大視在功率為≥×142×380／1000＝93kVA，根據(jù)變頻器的額定電流選擇：IUN≥142A，推算額定功率選為90kW可以滿(mǎn)足。

（2）制動(dòng)電阻的計(jì)算和選型

當(dāng)制動(dòng)功率超過(guò)變頻器損耗時(shí)，電路上的電壓突升導(dǎo)致變頻器保護(hù)跳閘，解決這一問(wèn)題需在電路中增加一個(gè)制動(dòng)模塊和一個(gè)外部電阻器構(gòu)成制動(dòng)斬波器，當(dāng)出現(xiàn)電壓突升時(shí)制動(dòng)單元開(kāi)始吸收能量。根據(jù)制動(dòng)電流Ic＝P／UCN，其中P為變頻器的返回功率，一般取電機(jī)額定功率的70%～75%；由制動(dòng)電阻 R＝UCN／Ic、制動(dòng)功率 P＝Ic2R，計(jì)算出制動(dòng)連續(xù)工作功率為60kW，為此選擇了自主研發(fā)TSACD-21系列大功率制動(dòng)單元，該套設(shè)備具有系統(tǒng)就緒提示、過(guò)溫保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、過(guò)載保護(hù)功能，可以根據(jù)需要設(shè)定恢復(fù)過(guò)載故障的時(shí)間。

（3）觸摸屏的選擇

本系統(tǒng)使用了一臺(tái)平板電腦作為觸摸式操作屏（HMI），正常情況下，可以完成抽油機(jī)的操作和監(jiān)控任務(wù)。具有12英寸TFT顯示，真彩色，提供800×600像素；防護(hù)等級(jí)為前面板IP65，后面板IP20；帶Windows XP SP2操作系統(tǒng) 。

4.3 自動(dòng)化方案的選擇

抽油機(jī)設(shè)備大多位于沼澤、沙漠、盆地、淺海等條件惡劣的地區(qū)，因此選擇S7200系列的PLC與無(wú)線通訊模塊，即可實(shí)現(xiàn)控制器與變頻器的工藝控制以及數(shù)據(jù)采集，又能方便實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)操作屏的通訊、運(yùn)行操作、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、通訊的等多項(xiàng)功能，采用CDMA／GPRS或者數(shù)傳電臺(tái)通訊模式，由傳感器、井口控制器、數(shù)傳電臺(tái)通訊模塊、采油廠通訊機(jī)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、WEB服務(wù)器、監(jiān)控瀏覽終端組成的系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)油井遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，達(dá)到智能化控制的目的［4]。

4.4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.4.1 軟件方案的設(shè)計(jì)

（1）控制模式設(shè)計(jì)

變頻控制裝置具有①機(jī)體盒控制，啟動(dòng)、停止、固定速度；②觸摸屏控制，主電機(jī)及油泵電機(jī)工藝控制、0～4沖可調(diào)；③ 操作面板控制，觸摸屏損壞情況下，在變頻器操作面板上控制主電機(jī)的啟動(dòng)、停止、0～4沖可調(diào)等3種。

（2）運(yùn)行模式設(shè)計(jì)

變頻控制裝置系統(tǒng)有①正常工作模式，電機(jī)和變頻器依據(jù)運(yùn)行情況自動(dòng)保護(hù)；②測(cè)試工作模式，電機(jī)過(guò)載運(yùn)行短時(shí)間（小于5分鐘）不保護(hù)兩種。

（3）剎車(chē)模式設(shè)計(jì)。

變頻控制裝置系統(tǒng)有①機(jī)體盒復(fù)位按鈕未操作時(shí)，自動(dòng)控制投入或切出；②機(jī)體盒復(fù)位按鈕操作時(shí)，剎車(chē)打開(kāi)，變頻器停止兩種。

（4）顯示功能和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

變頻控制裝置系統(tǒng)配有觸摸屏，能顯示瞬時(shí)流量、累計(jì)流量、功圖、荷重、沖程及電氣參數(shù)。系統(tǒng)可顯示功能所顯示的參數(shù)可以存儲(chǔ)7天，隨后新數(shù)據(jù)按時(shí)間順序覆蓋舊數(shù)據(jù)。

4.4.2 軟件功能的設(shè)計(jì)與操作

整套軟件采用觸摸式操作屏，可完成抽油機(jī)的主要操作。系統(tǒng)啟動(dòng)后，進(jìn)入操作畫(huà)面可實(shí)現(xiàn)以下功能。

（1）自恢復(fù)功能

設(shè)備出廠時(shí)，已經(jīng)安裝了“一鍵恢復(fù)軟件GHOST”并備份了數(shù)據(jù)。一旦系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題后，不需格式化硬盤(pán)（備份數(shù)據(jù)會(huì)丟失），在重新啟動(dòng)時(shí)選擇“一鍵GHOST”，然后根據(jù)提示，恢復(fù)系統(tǒng)即可（出廠狀態(tài)）。

（2）主電機(jī)操作功能

在操作前，首先要確認(rèn)相應(yīng)指示燈是綠色，表示變頻器“通訊正常”；選擇運(yùn)行模式“正常運(yùn)行”或“過(guò)載運(yùn)行”；選擇正常運(yùn)行扭矩限制為電機(jī)額定扭矩的100%；選擇允許過(guò)載，扭矩限制為電機(jī)額定扭矩的150%，但不能長(zhǎng)期過(guò)載運(yùn)行；通過(guò)快速回零鍵將給定回零，按下“啟動(dòng)／停止”按鈕指向“ON”，系統(tǒng)正常，則指示燈變綠，風(fēng)機(jī)正常啟動(dòng)，系統(tǒng)狀態(tài)窗口中的指示燈變綠，主電機(jī)開(kāi)始運(yùn)行；通過(guò)快增、快減鍵或慢增、慢減鍵，調(diào)整給定使主電機(jī)按給定的沖次；在工作過(guò)程中，隨時(shí)可以調(diào)整給定，停抽油機(jī)時(shí)，先回零，再按下“啟／停”按鈕。

（3）移位電機(jī)操作

主電機(jī)停止后，如果需要移位電機(jī)正向運(yùn)行時(shí)，點(diǎn)擊按鈕“正轉(zhuǎn)啟／停”，使其變綠，再次點(diǎn)擊該按鈕使其變灰，為停止正向運(yùn)行；需要移位電機(jī)反向運(yùn)行時(shí)，點(diǎn)擊按鈕“反轉(zhuǎn)啟／停”，使其變綠，再次點(diǎn)擊該按鈕使其變灰，為停止反向運(yùn)行。

（4）示功圖設(shè)計(jì)

通過(guò)“沖程－載荷”功能趨勢(shì)，可以判別抽油機(jī)的工作是否正常。點(diǎn)擊按鈕“FuncTrend”進(jìn)入該畫(huà)面，當(dāng)需要看歷史數(shù)據(jù)的示功圖時(shí)，只需把日期、時(shí)間和點(diǎn)數(shù)輸入即可，在固定窗口中有報(bào)警信息條，點(diǎn)擊按鈕“Alarm”，可進(jìn)入報(bào)警信息頁(yè)面查看更多的信息。

（5）其他功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)置中主要有參數(shù)校準(zhǔn)、累計(jì)流量清零、主電機(jī)速度反饋選擇和風(fēng)機(jī)延時(shí)斷電等。還有用戶(hù)保密功能出廠時(shí)可任意設(shè)定的用戶(hù)名和密碼以防誤操作。

5 抽油機(jī)變頻電控裝置的技術(shù)性能

這套系統(tǒng)的主要技術(shù)特征有：①實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)有桿抽油系統(tǒng)的沖次，優(yōu)選最佳沖次，提高泵效，降低噸油耗電；同時(shí)具有自啟動(dòng)前和故障后報(bào)警功能；有效消除電網(wǎng)波動(dòng)影響并實(shí)時(shí)處理電動(dòng)機(jī)發(fā)電產(chǎn)生的負(fù)功率，提高電網(wǎng)功率因數(shù)。②根據(jù)機(jī)采井工況及采液量任意調(diào)節(jié)上、下沖程的速度比，提高抽油泵充滿(mǎn)系數(shù)、排量系數(shù)及沖次調(diào)節(jié)范圍，對(duì)電動(dòng)機(jī)、變速箱、抽油機(jī)都避免了過(guò)大的機(jī)械沖擊，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，減少了停產(chǎn)時(shí)間，提高了效率。③柜內(nèi)加裝溫濕度自動(dòng)控制（包括自動(dòng)冷卻裝置、自動(dòng)加熱裝置）實(shí)現(xiàn)欠壓、過(guò)壓、過(guò)載、過(guò)溫、接地、短路的自動(dòng)保護(hù)，電磁制動(dòng)器運(yùn)行帶電，斷電制動(dòng)保護(hù)。④觸摸屏上設(shè)置中、英、俄文操作界面，實(shí)現(xiàn)示功圖曲線、沖程、沖次、上行電流、下行電流、最大載荷、最小載荷、流量顯示，并具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)讀取功能，設(shè)置電源、運(yùn)行、故障指示燈、啟動(dòng)、停止、緊停按鈕、工況選擇開(kāi)關(guān)、沖次調(diào)整器；實(shí)現(xiàn)油井產(chǎn)量最大化或保證系統(tǒng)的抽汲能力始終與變化的井底流入條件相匹配，優(yōu)化提高整個(gè)機(jī)、桿、泵的機(jī)采系統(tǒng)效率。

6 結(jié)束語(yǔ)

本裝置系統(tǒng)采用變頻調(diào)速［5]控制技術(shù)，配有觸摸屏顯示、操作和遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。整個(gè)系統(tǒng)生產(chǎn)工藝水平良好，設(shè)備可靠性高，可提高泵效，降低噸油耗電，并有效消除電網(wǎng)波動(dòng)影響，有助于提高電網(wǎng)功率因素。因此該設(shè)備可廣泛應(yīng)用到高產(chǎn)井、低產(chǎn)井、控制產(chǎn)量井、井身質(zhì)量問(wèn)題引起的頻繁檢泵的井上來(lái)實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能［6]的目的。

［1] 王曉遠(yuǎn)，查宏民等.基于變頻技術(shù)的新型抽油機(jī)節(jié)能控制器［J] .石油機(jī)械，2005，（8）.

［2] 丁建林，姜建勝等.抽油機(jī)變頻調(diào)速智能控制技術(shù)研究［J] .石油機(jī)械，2003，（1）.

［3] 張春海.抽油機(jī)專(zhuān)用變頻節(jié)能技術(shù)應(yīng)用研究［J] .現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2011，（4）.

［4] 曲 剛，孫永興.抽油機(jī)智能化變頻控制系統(tǒng)［J] .陜西師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005，（1）.

［5] 劉慧芬.變頻調(diào)速技術(shù)在游梁式抽油機(jī)中的應(yīng)用［J] .石油礦場(chǎng)機(jī)械，2004，（5）.

［6] 崔平正.新型節(jié)能液壓抽油機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J] .機(jī)床與液壓，2005，（8）.