柔性調速系統在提高抽油機井系統效率中的應用

李舉林 徐偉偉 王曉東 趙華 顧永強

（1.勝利油田分公司孤東采油廠；2.勝利油田分公司技術檢測中心）

機械采油系統的能耗已經成為影響采油成本的主要因素之一。有效降低機采系統的耗電量，提高系統效率，對于實現節能降耗和提高油田開發的綜合經濟效益具有重要的現實意義。

隨著科技的發展，永磁傳動技術到目前已經形成了多種多樣的傳動形式。永磁傳動器是一種常見的永磁傳動結構（圖1），主要由導體轉子、永磁轉子二部分組成。導體轉子固定在電動機軸上，永磁轉子固定在負載轉軸上，導體轉子和永磁轉子之間有間隙（稱為氣隙），通過氣隙傳遞扭矩。電動機和負載由原來的硬（機械）鏈接轉變為軟（磁）鏈接。其工作原理是一端稀有金屬氧化物永磁體和另一端感應磁場相互作用產生轉矩。磁感應是通過磁體和導體之間的相對運動產生的，因此永磁傳動器的輸出轉速始終都比輸入轉速小，轉速差稱為滑差。一般情況下，在電動機滿轉時，永磁傳動器的滑差在1%～4%之間[1]。

圖1 永磁傳動器的系統構成

永磁傳動具有帶緩沖的軟啟動功能和過載保護功能，不僅可以減少電動機的沖擊電流，延長設備使用壽命，也能提高整個電動機驅動系統的可靠性。同時，永磁傳動器體積小、安裝方便，可調節氣隙改變轉速，具有明顯的節能效果。在永磁傳動技術的基礎上設計一套抽油機柔性調速系統，可以實現對抽油機井的柔性調速控制，提高原油生產效率，降低能耗。

1 抽油機柔性調速系統總體方案

抽油機柔性調速系統主要由單片機控制單元、檢測傳感器、永磁傳動器、抽油機拖動電動機等組成。系統的主要設計任務是利用各類檢測傳感器采集抽油機每個沖程的載荷、位移變化等示功圖信息以及電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數等工作參數，對抽油機的各種工況（包括非正常停機、空抽、過載等故障）進行實時診斷，并將各種信息通過通訊模塊傳送到控制單元，由控制單元根據相關算法向永磁傳動器發出控制信號，對抽油機的沖速按照工況要求進行調整[2]。

抽油機運行控制功能：

1）實現電動機的正常啟動，或者空抽停機后的自動啟動。啟動時，多速電動機將由最低轉速繞組啟動，并持續維持運行，之后根據實時監測分析結果確定實際運行轉速。

2）電動機運行后，實時檢測系統將定時檢測抽油機的各項運行參數，主要包括三相電壓、電流、功率、功率因數等參數，根據監測分析結果，電動機將有四種不同的運行：

◇供液充足。在這種工況下，控制系統將自動切換電動機至最高轉速運行，提高產液量；

◇輕度缺液。當監測診斷系統判斷為輕度缺液時，電動機將自動切換至中速運行，使泵的充滿系數維持在一個合理的水平；

◇重度缺液。當監測診斷系統判斷為重度缺液時，電動機將自動切換至最低轉速運行，此時可以最大程度地提高泵充滿系數，減少“大馬拉小車”現象帶來的額外損耗，達到提高系統效率與節約電能的目的；

◇空抽控制。當檢測診斷系統判斷工況為空抽時，控制系統將控制抽油機停機，這樣將減少電能不必要的浪費。在停機期間，監控系統會持續監測動液面，電源電壓等參數，如果動液面回復到正常水平，且電源電壓無異常，控制系統將自動控制抽油機啟動，實現抽油機的智能空抽控制。

3）在正常運行時，控制系統能夠實現電動機運行參數的實時顯示與相應的保護功能。

2 信號采集系統

2.1 電參數采集系統

抽油機井電參數采集系統主要有電壓傳感器、電流傳感器、信號調理電路、AD 采集、微處理器等構成，見圖2。無線通信模塊主要用于下行通信（終端和示功儀進行通信），GPRS/CDMA 模塊主要是用于上行通信（終端和主站之間的通信），紅外通信主要用于現場維護，在現場和手持設備進行通信，RS485 通信主要用于和現場具有485 接口的設備通信（一般為485 電表），加上無線示功儀就構成了整體的抽油機井監測終端。

圖2 抽油機井電采集系統原理

2.2 示功圖采集系統

無線示功儀的電路見圖3，其工作原理是：采集抽油機懸點的位移和同步載荷等信息，經數據處理后由短距離無線數據通信信道傳送到抽油機井電參數采集監控終端。

圖3 示功儀采集系統原理

3 抽油機井驅動電動機的選擇

在油田抽油機井用電動機的選擇使用上，根據設計要求主要滿足以下幾個方面：

1）啟動轉矩要大，能夠滿足抽油機的啟動要求；

2）電動機機械特性要“軟”。這樣對于整個機采系統來說，能夠最大限度地減輕由于慣性載荷、沖擊載荷帶來的損耗，提升系統效率；

3）抽油機啟動后進入正常運行階段，電動機負載率要高，避免“大馬拉小車”現象；

4）電動機應具備調速能力，能夠滿足不同開發階段調參的需求。

永磁傳動器擁有比較“軟”的特性，可以緩沖慣性載荷，實現超高轉差電動機的功能，而多速電動機不僅可以滿足抽油機啟動轉矩的要求，同時在正常運行時可以切換為小功率繞組運行，減輕“大馬拉小車”問題，而且能夠實現有級調速，因此選用了YD 系列變級多速三相異步電動機與永磁傳動器共同構成抽油機的驅動裝置。

YD 系列變級多速三相異步電動機主回路接線及不同接線端子對應轉速見圖4、圖5。

圖4 多速電動機主回路接線圖

圖5 不同接線端子對應轉速

4 柔性調速系統硬件

由于抽油機現場工作環境比較惡劣，因此在控制系統的設計上應該以經濟性、可靠性為主要原則，根據控制系統各項功能要求，控制系統的硬件結構見圖6，主要由單片機、LED 顯示、觸摸鍵盤、電源監控、故障報警、存儲電路等部分組成。

圖6 柔性調速硬件系統結構圖

系統的單片機控制器選用XXXXX 型號，由給定控制信號經I/O 接口傳給單片機，單片機接到信號后由內部程序分析判斷處理，給出油井驅動裝置動作策略。檢測電路將經過各種檢測傳感器檢測到的信號通過通訊器傳送到控制單元，通過A/D 處理后將各種信息傳送到LED 顯示屏或無線傳輸至相應終端，使操作人員可以及時看到抽油機柔性調速系統的運行狀況。

5 柔性調速系統軟件

抽油機柔性調速控制系統應同時具備通用性、可靠性、即時性和控制軟件靈活可行的要求。為滿足控制軟件靈活可行的要求，軟件設計采用模塊化設計方案，使程序思路清晰、辨識性強。軟件設計主要由單片機控制系統軟件設計和系統監控軟件設計兩部分組成。

5.1 單片機控制系統軟件設計

單片機控制系統主要用于串口的通信、控制計算、A/D 轉換、檢測傳感器的信號采集及故障監控等，其軟件功能主要有系統自檢、初始化、顯示模塊、鍵盤掃描及處理模塊、智能判斷及調整模塊、控制及報警模塊、系統復位處理模塊等，操作流程見圖7。

圖7 單片機控制系統操作流程

5.2 系統監控軟件

系統監控軟件用于電動機運行狀態、抽油機各種工況的顯示及控制等。抽油機柔性調速系統監控軟件由以下幾個基本模塊組成：系統監控模塊、示功圖顯示模塊、參數設定模塊和故障報警模塊。

系統監控模塊顯示抽油機采油相關的基本信息，包括抽油機沖程、沖速、產液量、電參數等。示功圖顯示模塊顯示抽油機懸點載荷與位移之間的關系，界面上可以顯示最大和最小載荷、光桿功率等信息。參數設定模塊用于改變變極電動機的極數以改變輸出轉速，它可以通過自動和手動兩種模式進行設置。故障報警模塊用于在抽油機工作過程中遇到的各種故障，以及電動機啟動出現故障時進行預警提示，包括報警時間、故障類型、事故狀況等。

6 現場試驗分析

通過對樣機多次試驗，驗證其達到設計指標要求后，進入成型產品試驗階段。選取10 口油井進行試驗，以進一步驗證柔性調速系統的節電效果。

表1 試驗井數據測試

在勝利油田分公司東勝公司選取10 口抽油機井安裝抽油機柔性調速系統，改造后抽油機平均裝機容量從27.75 kW 降低至20.40 kW，降低了26.48%；有功功率從4.79 kW 降為4.46 kW，減少了0.33 kW；平均系統效率從16.08%提高到21.87%，提高了5.79%；平均有功節電率為14.24%，測試數據見表1。

經過現場實踐證明，該柔性調速系統具有良好的通用性、可靠性和即時性，能夠為油田企業的有桿抽油機系統節約大量的能源，同時可以大大延長設備的使用壽命，創造可觀的經濟效益，具有良好的推廣應用價值和發展前景。

在夕陽中熠熠生輝的LNG 儲罐

[1]鄔亦炯,劉卓鈞,趙貴祥,等.抽油機[M].北京:石油工業出版社,1994:136-138.

[2]魏興旺.基于PLC 控制技術的抽油機變頻調速系統設計[J].中國科技信息,2010(18):159-160.