一種智能自動調(diào)參的抽油機(jī)變頻節(jié)能電路

吳立偉 王瑜

摘 要：本文首先分析了傳統(tǒng)抽油機(jī)中存在的問題，然后詳細(xì)闡述了一種智能自動調(diào)參的抽油機(jī)變頻節(jié)能控制系統(tǒng)，對這種電路進(jìn)行了詳細(xì)說明，最后全面總結(jié)了這種智能自動調(diào)參的抽油機(jī)變頻節(jié)能控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)，旨在為抽油機(jī)實(shí)現(xiàn)節(jié)能高效工作提供理論保障。

關(guān)鍵詞：智能系統(tǒng)調(diào)參；抽油機(jī)；變頻節(jié)能控制系統(tǒng)

中圖分類號：TB381 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）17-0129-02

1 傳統(tǒng)抽油機(jī)中存在的問題

1.1 抽油機(jī)設(shè)備本身的問題

在我國的石油開采機(jī)械設(shè)備中，抽油機(jī)是比較常用的設(shè)備，也是油田的耗電大戶，用電量大約占總電量的40%左右，但是其工作效率卻比較低。油田抽油機(jī)負(fù)載是獨(dú)具特點(diǎn)的時(shí)變負(fù)載，分為動負(fù)載和靜負(fù)載兩種形式，在工作中，一般情況下需要利用抽油機(jī)實(shí)際負(fù)載的3-7倍動力來啟動設(shè)備，抽油機(jī)選配電機(jī)的首要條件就是啟動力矩，當(dāng)起動力矩適用則負(fù)載功率必然匹配不佳，運(yùn)行負(fù)載功率都遠(yuǎn)小于電機(jī)的額定功率，即所謂“大馬拉小車”現(xiàn)象。

1.2 抽油機(jī)導(dǎo)致能源浪費(fèi)

我國的大多數(shù)油田都是屬于低產(chǎn)量的油田，大部分油井是含油量不高的輕載油井，一旦油田的開采高峰期過去，產(chǎn)油量就會越來越小，而在這種情況下，抽油機(jī)仍按初期設(shè)計(jì)的最大功率長期保持高速連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，抽油機(jī)并不能根據(jù)油井的產(chǎn)油情況實(shí)現(xiàn)變頻運(yùn)轉(zhuǎn)、智能間歇運(yùn)轉(zhuǎn)，這就導(dǎo)致抽油機(jī)很多時(shí)候在做無用功，導(dǎo)致能源的浪費(fèi)，大大增加了油田開采的成本，因此需要利用能夠自動調(diào)參的變頻節(jié)能控制系統(tǒng)，節(jié)約能源，節(jié)省電力成本。

1.3 缺乏完善的監(jiān)測系統(tǒng)作為支撐

抽油機(jī)要實(shí)現(xiàn)按照油井的產(chǎn)油量大小進(jìn)行沖次的調(diào)節(jié)，這就需要嚴(yán)格的油井產(chǎn)液量監(jiān)測裝置，但是在目前情況下，很難實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計(jì)量抽油井的產(chǎn)液量，因?yàn)橛途漠a(chǎn)液量是一個(gè)脈動流，原油粘稠并含有較多的雜質(zhì)，在冬天很容易凝結(jié)成蠟，這就導(dǎo)致計(jì)量抽油機(jī)產(chǎn)液存在一定的難度，檢測結(jié)果普遍存在較大的誤差，針對變頻抽油和智能間歇抽油只需準(zhǔn)確掌握抽油井的產(chǎn)液量大小，無需對產(chǎn)液量進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)量，從而降低了設(shè)備的開發(fā)難度和設(shè)備投入的成本，產(chǎn)液量監(jiān)測裝置準(zhǔn)確的反映出油井的產(chǎn)液情況，抽油機(jī)根據(jù)產(chǎn)液量大小變頻和間歇運(yùn)轉(zhuǎn)，使抽油機(jī)根據(jù)負(fù)載變化進(jìn)行電機(jī)輸出動力的調(diào)節(jié)，已達(dá)到抽油機(jī)最優(yōu)化運(yùn)行，節(jié)約電能。

2 一種智能自動調(diào)參抽油機(jī)變頻節(jié)能控制電路

石油開采中常規(guī)的節(jié)能手段有使用節(jié)能電機(jī)、改進(jìn)抽油機(jī)節(jié)能和變頻器調(diào)速節(jié)能等技術(shù)。節(jié)能電機(jī)一般選用永磁同步電機(jī)，成本高；改進(jìn)抽油機(jī)節(jié)能一般是調(diào)節(jié)抽油機(jī)的平衡，節(jié)能效果有限；變頻調(diào)速節(jié)能是另外一種被石油企業(yè)所認(rèn)可的節(jié)能技術(shù)，人們提出了采用變頻器控制抽油機(jī)電機(jī)，根據(jù)油井產(chǎn)液量的大小和變化量實(shí)時(shí)調(diào)整變頻器的運(yùn)行頻率和運(yùn)行時(shí)間，進(jìn)而使抽油機(jī)以最佳沖次運(yùn)轉(zhuǎn)抽油，合理調(diào)整油井的停抽時(shí)間，達(dá)到最大限度節(jié)能的目的的方法。

油井產(chǎn)液量監(jiān)測的抽油機(jī)節(jié)能控制電路，其電路由380V三相交流電源的A、B、C三相經(jīng)過塑殼斷路器后，分為變頻回路、工頻回路；控制電路包括與變頻器連接的PLC模塊以及與PLC模塊相接的人機(jī)界面觸摸屏和油井產(chǎn)液量監(jiān)測裝置、PLC模塊的輸入端接有抽油機(jī)啟動按鈕、抽油機(jī)停止按鈕和抽油機(jī)變頻/工頻模式選擇開關(guān)、與PLC串口相連的GPRS無線模塊和上位機(jī)監(jiān)控軟件。本控制電路結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計(jì)合理，實(shí)現(xiàn)方便且成本低，工作可靠性高，穩(wěn)定性好，與根據(jù)油井產(chǎn)液量控制抽油機(jī)節(jié)能相配合的方法能夠達(dá)到理想的節(jié)能效果，實(shí)用性強(qiáng)，使用效果好，便于推廣使用。圖1為抽油機(jī)節(jié)能控制電路原理圖。

原理圖標(biāo)記說明：

1—380V三相交流電源；2—24V開關(guān)電源；3—PLC模塊；4—人機(jī)界面觸摸屏；5—油井產(chǎn)液量監(jiān)測裝置；6—變頻器；7—抽油機(jī)；8—抽油機(jī)啟動按鈕；9—抽油機(jī)停止按鈕；10—抽油機(jī)變頻/工頻模式選擇開關(guān)；11—GPRS無線模塊；12—上位機(jī)監(jiān)控軟件。

節(jié)能電路的工作原理：啟動之前系統(tǒng)先根據(jù)油井產(chǎn)液量狀況設(shè)定啟動頻率，一般情況下優(yōu)質(zhì)井高速啟動，健康井中速啟動，低產(chǎn)井低速啟動（該裝置默認(rèn)高速、中速、低速啟動的初始頻率分別為50Hz、40Hz、35Hz）。按下系統(tǒng)運(yùn)行按鈕后，該裝置控制抽油機(jī)電機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)，產(chǎn)液量監(jiān)測裝置負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測抽油機(jī)井口產(chǎn)液量，并把油井出油量的值通過RS485通信傳給PLC，PLC根據(jù)油井出油量的大小以及變化量調(diào)整變頻器的運(yùn)行頻率，盡可能地使抽油機(jī)以最佳沖次運(yùn)轉(zhuǎn)。該裝置可對實(shí)時(shí)油井出油量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過調(diào)節(jié)變頻器的運(yùn)行頻率及其運(yùn)行時(shí)間，合理調(diào)整油井的停抽時(shí)間，達(dá)到最大節(jié)能的目的。

以下闡述該裝置控制變頻器運(yùn)行的算法模型：該裝置先以初始頻率f運(yùn)行1小時(shí)（記為時(shí)間t），PLC對油量監(jiān)測裝置采集的數(shù)據(jù)（以下簡稱數(shù)據(jù)）進(jìn)行儲存，之后再以初始頻率運(yùn)行1小時(shí)（記為時(shí)間t1）并儲存數(shù)據(jù)。在此約定PLC處理數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔（第一次為t1，后面本別用t2、t3、t4……表示）PLC對t與t1對應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，根據(jù)分析結(jié)果分別處理。

有以下三種基本處理算法：

（1）油井出油量變小，PLC在t2內(nèi)適當(dāng)減小變頻器的初始頻率f（減小后的頻率記為f2），若在t3內(nèi)的出油量小于t2，則PLC在t4內(nèi)減小變頻器的運(yùn)行頻率f2（減小后的頻率記為f3），以此類推，若多段連續(xù)時(shí)間t內(nèi)油井出油量幾乎不變，則當(dāng)前變頻器的運(yùn)行頻率暫時(shí)為最佳運(yùn)行頻率（記為fa）。

（2）油井出油量變大，PLC在t2內(nèi)適當(dāng)增大變頻器的初始頻率f（增大后的頻率記為f2），若在t3內(nèi)的出油量大于t2，則PLC在t4內(nèi)增大變頻器的運(yùn)行頻率f2（增大后的頻率記為f3），以此類推，若多段連續(xù)時(shí)間t內(nèi)油井出油量幾乎不變，則當(dāng)前變頻器的運(yùn)行頻率暫時(shí)為最佳運(yùn)行頻率（記為fb）。

（3）油井出油量為0，PLC在t2內(nèi)適當(dāng)增大變頻器的初始頻率f（增大后的頻率記為f2），若在t3內(nèi)的出油量仍為0，則變頻器逐步減小運(yùn)行頻率f2，且減少下個(gè)變頻器的運(yùn)行時(shí)間t（該時(shí)間與PLC內(nèi)部預(yù)設(shè)t4相等），直到PLC計(jì)算變頻器的運(yùn)行時(shí)間t′為0，則停止變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)，第一次停止變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間預(yù)設(shè)0.5小時(shí)（記為t0）。若二次啟動后油井出油量仍為上述情況，則繼續(xù)增大變頻器停止時(shí)間t0。

通過上述三種基本處理辦法長時(shí)間對油井出油量的產(chǎn)油變化進(jìn)行量化計(jì)算，PLC統(tǒng)計(jì)出變頻器多段速、合理停抽的最佳運(yùn)行規(guī)律模型。

3 節(jié)能電路技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

（1）自動調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，無需人工手動調(diào)參，減少人工勞動強(qiáng)度，提高抽油效率。

（2）據(jù)油井產(chǎn)液量的變化不斷調(diào)整抽油機(jī)電機(jī)的輸出功率，使其盡可能達(dá)到最大的節(jié)能效果。

（3）節(jié)能電路采用的油量檢測裝置成本低、精度高、穩(wěn)定性好，適合批量使用。

（4）能準(zhǔn)確的監(jiān)測油井產(chǎn)液量并反饋給PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，使整個(gè)抽油機(jī)裝置成為一個(gè)完整的閉環(huán)系統(tǒng)。

（5）可以擴(kuò)展抽油機(jī)遠(yuǎn)程上位機(jī)監(jiān)控軟件，有利于油田完善自動化無人井場，便于推廣。

（6）能夠掌握油井產(chǎn)液量的變化規(guī)律，方便調(diào)整采油計(jì)劃，預(yù)估區(qū)域內(nèi)抽油井總產(chǎn)液量，合理完成產(chǎn)量任務(wù)。

4 結(jié)語

綜上所述，抽油機(jī)在石油開采工作中屬于比較關(guān)鍵的機(jī)械設(shè)備，在油田開采中發(fā)揮著不可低估的效用，在原先的抽油機(jī)中，還存在一些問題，因此這就需要利用現(xiàn)代先進(jìn)科學(xué)技術(shù)手段，創(chuàng)造一種智能自動調(diào)參的抽油機(jī)變頻節(jié)能控制系統(tǒng)，保障抽油機(jī)的自動變頻功能，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)的能源資源節(jié)約功能，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)成本的有效控制，為抽油機(jī)高效工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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