帶能量回饋功能抽油機(jī)智能控制柜的相關(guān)設(shè)計

陳津剛（大港油田公司采油工藝研究院，天津 300280）

帶能量回饋功能抽油機(jī)智能控制柜的相關(guān)設(shè)計

陳津剛（大港油田公司采油工藝研究院，天津 300280）

目前油田在用變頻控制柜大都采用二極管作為整流橋，沒有辦法將電機(jī)回饋系統(tǒng)的能量送回電網(wǎng)，為此用能上不夠經(jīng)濟(jì)，同時二極管整流橋?qū)﹄娋W(wǎng)也易產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波污染。本文提出一種將四象限變頻器應(yīng)用于400V控制柜的智能化設(shè)計，并從技術(shù)原理、設(shè)計要求、系統(tǒng)設(shè)計、電氣設(shè)計、上位機(jī)監(jiān)控軟件等5個方面介紹其設(shè)計內(nèi)容。

四象限；智能調(diào)控；簡要機(jī)理；上位機(jī)

1 四象限變頻器技術(shù)原理介紹

普通的變頻器的整流部分大都采用二極管整流橋，只能工作在電動狀態(tài)，所以稱之為兩象限變頻器。由于兩象限變頻器無法實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動，所以沒有辦法將電機(jī)回饋系統(tǒng)的能量送回電網(wǎng)［1］。而抽油機(jī)在一個沖次內(nèi)，電流I及相位角φ總是變化的，相位角φ大于90°時電流I為負(fù)，這時電機(jī)為發(fā)電狀態(tài)。如仍采用兩象限變頻器，需要將電動機(jī)回饋的能量消耗掉，而四象限變頻器整流部分也像逆變部分一樣采用了IGBT功率模塊，IGBT功率模塊可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動，一方面通過調(diào)整輸入的功率因數(shù)，消除了對電網(wǎng)的諧波污染，另一方面將電動機(jī)回饋產(chǎn)生的能量反送到電網(wǎng)，達(dá)到了徹底的節(jié)能效果［2］。同時，電動機(jī)也具有了四象限運(yùn)行（電動、反接制動、反向電動、反轉(zhuǎn)制動）特性［3］。其電路圖見圖1。

圖1 四象限變頻器的電路原理圖

2 設(shè)計要求

數(shù)字化控制柜是本項(xiàng)設(shè)計的重點(diǎn)，它涉及到電氣設(shè)計、自動化模塊設(shè)計、柜體結(jié)構(gòu)設(shè)計。電氣設(shè)計主要通過對現(xiàn)場應(yīng)用環(huán)境的研究，制定先進(jìn)的傳動調(diào)速設(shè)備的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，匹配可靠的電氣控制策略，使抽油機(jī)穩(wěn)定調(diào)速運(yùn)行。自動化模塊設(shè)計主要是以電參量計算示工圖技術(shù)為核心，集RTU數(shù)據(jù)采集、DTU數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳、控制模塊遠(yuǎn)程控制，形成采集-傳輸-控制的數(shù)字化控制方案。

1.具備回饋制動方式：采用四象限變頻調(diào)速技術(shù)，能夠?qū)⒇?fù)載的慣性能量反饋給電網(wǎng)，降低無功功率，提高功率因數(shù)，功率效率接近于1，具有顯著的節(jié)能降耗效果。

2.可選用直接轉(zhuǎn)矩控制方式：豐富的外圍接口，滿足各種應(yīng)用場合。通訊接口為RS485接口，通訊協(xié)議為Modbus-Rtu，滿足多機(jī)通訊，實(shí)現(xiàn)多機(jī)協(xié)調(diào)控制。

3.各種保護(hù)及瞬停不停機(jī)功能：可提供完備的故障保護(hù)功能（包括過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過流保護(hù)、模塊保護(hù)、散熱器、過熱保護(hù)、電機(jī)過載保護(hù)、外部故障保護(hù)等），防護(hù)等級達(dá)IP54。

3 系統(tǒng)設(shè)計

所謂智能，是指該控制柜既可實(shí)現(xiàn)本地、遠(yuǎn)程控制，還可根據(jù)油井工況，對抽油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行自動優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)油井優(yōu)化閉環(huán)控制。為此，設(shè)計上在抽油機(jī)本地和遠(yuǎn)程調(diào)控中，要能通過變頻器實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)的本地控制；在閉環(huán)控制環(huán)節(jié)，要能通過數(shù)據(jù)采集模塊（RTU）采集井下壓力溫度、套管壓力溫度、電機(jī)運(yùn)行電參數(shù)、光桿載荷等主要油井井況數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳模塊（DTU）打包發(fā)送給服務(wù)器，服務(wù)器通過解析計算實(shí)現(xiàn)油井?dāng)?shù)據(jù)監(jiān)控并做好數(shù)據(jù)查詢與備份，應(yīng)用相關(guān)調(diào)控策略對抽油機(jī)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行合理的調(diào)控，調(diào)控參數(shù)通過GPRS發(fā)送給DTU，然后DTU發(fā)送給控制模塊，控制模塊調(diào)控變頻器或者交流伺服電機(jī)，最終得到合理的調(diào)控。

4 電氣設(shè)計

（1）設(shè)計原則

（2）功能介紹

（3）手動/自啟切換設(shè)計

（4）指示報警功能設(shè)計

5 上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計

為達(dá)到最好的調(diào)控效果，需應(yīng)用上位機(jī)開發(fā)技術(shù)，建立“油井?dāng)?shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)”。現(xiàn)場設(shè)備應(yīng)能與上位機(jī)建立通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。開發(fā)安全、大容量的數(shù)據(jù)庫，將數(shù)據(jù)存儲、備份，并通過Web技術(shù)將數(shù)據(jù)展現(xiàn)給技術(shù)人員。

此次上位機(jī)監(jiān)控軟件系統(tǒng)要能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時監(jiān)控，歷史數(shù)據(jù)查詢，歷史數(shù)據(jù)曲線分析，并能進(jìn)行文本（Word、Excel等）格式輸出、打印，對數(shù)據(jù)進(jìn)行人工分析，從而實(shí)現(xiàn)對抽油機(jī)合理的開環(huán)調(diào)控；亦可根據(jù)該系統(tǒng)的抽油機(jī)節(jié)能增效物理模型、數(shù)據(jù)分析模型，利用推薦的調(diào)控策略實(shí)現(xiàn)對抽油機(jī)合理的閉環(huán)調(diào)控。

6 小結(jié)及前景分析

四象限智能變頻控制柜集數(shù)據(jù)采-傳-控與電氣傳動為一體的整合式數(shù)字化控制柜，使油井采控方案更加集約化，能夠?qū)崿F(xiàn)資源的高效整合和有效利用，為數(shù)字化油田建設(shè)高效、穩(wěn)健推進(jìn)提供解決方案。

四象限智能變頻控制柜在油田的應(yīng)用表明，通過動液面為被控參數(shù)自動調(diào)控電機(jī)，在保證油井產(chǎn)量基本不變的前提下，降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，降低電機(jī)輸入功率調(diào)節(jié)抽油機(jī)沖次，可使供液量與排液量保持恒定，抽油機(jī)通過智能調(diào)控較之前抽油機(jī)恒定沖次下運(yùn)行效率有了明顯的提高，具有良好的應(yīng)用前景。

［1］張樹國，李棟，胡競.變頻調(diào)速技術(shù)的原理及應(yīng)用［J］.節(jié)能技術(shù)ISTIC，2009，27（1）.

［2］初升.四象限變頻器技術(shù)介紹［J］.變頻器世界，2006，（10）：78-79.

［3］牛斌.合康變頻HID520系列四象限變頻器在勝利油田的應(yīng)用［J］.自動化應(yīng)用，2013，（3）.