變頻調(diào)速在油田抽油機控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

2008-04-12 00:00:00蘇憲龍李山苗亮亮蘇盈盈

現(xiàn)代電子技術(shù) 2008年11期

過程控制等技術(shù)設(shè)計了一種高效節(jié)能的新型抽油機。介紹了以PLC、變頻器為核心組成的變頻調(diào)速在抽油機控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。闡述了該抽油系統(tǒng)的節(jié)能原理、硬件、軟件設(shè)計及其優(yōu)點，通過室內(nèi)模擬試驗，證明了基于PLC控制的變頻調(diào)速應(yīng)用在抽油機控制系統(tǒng)中，有著優(yōu)越的技術(shù)性能及其顯著的經(jīng)濟效益，且具有很好的推廣應(yīng)用價值和進一步的研究價值。

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關(guān)鍵詞：抽油機；可編程控制器；變頻調(diào)速；控制系統(tǒng)

中圖分類號：TP202 文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)11-123-04

Application of Frequency Conversion Adjusting Speed in the Controlling

System of Pumping Unit in Oil Field

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SU Xianlong，LI Shan，MIAO Liangliang，SU Yingying

(Chongqing Institute of Technology，Chongqing，400050，China)

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Abstract：Due to the shortcomings of low efficiency，high cost and complex adjusting parameters of rod pumping units at present，it makes full use of drive control technology and processing control technology to design of a new energy-saving and high-efficiency new oil-drawing machine.Introducing one kind of frequency converter and PLC for the core constitute of frequency conversion adjusting speed is applied in control system of pumping units.The economy energy principle，hardware，software of that system design and advantage of system are discussed，through an indoor imitative tests，the results prove to the control system based on PLC as controlled and frequency conversion adjusting speed is used as driver own technique function of superiority with remarkable economic benefits，it has good expansion application value and further research value.

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Keywords：pumping units;programmable logic controller;frequency conversion adjusting speed;control system

1 引言

石油化工行業(yè)是國民經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)行業(yè)，同時也是耗能大戶。目前，我國石油化工行業(yè)中抽油機的保有量在10萬臺以上，電動機裝機總?cè)萘吭? 500 MW，每年耗電量逾百億kWh。抽油機的運行效率特別低，在我國平均效率為25.96％，而國外平均水平為30.05％，年節(jié)能潛力可達幾十億kWh。游梁式抽油機作為我國油田中抽油機的主要形式，約占抽油機總數(shù)的90%左右，耗電量約占油田總用電量的40%左右，僅次于油田注水的用電量。更為嚴重的是隨著“我國石油工業(yè)的發(fā)展”游梁式抽油機(CYJ)暴露出越來越多的弊端:能耗較大、效率低、沖程沖次無法滿足現(xiàn)場隨機多變的工況要求等。

本文是在綜合分析目前抽油機的控制系統(tǒng)及其使用狀況的基礎(chǔ)上，更為了便于方便控制，提出了基于PLC和變頻調(diào)速為主要技術(shù)手段，對油田抽油機控制系統(tǒng)進行的設(shè)計，是一種運行效率非常高的創(chuàng)新方案，是自動控制組合理論的具體應(yīng)用。其中以PLC控制的變頻調(diào)速為核心組成的控制系統(tǒng)具有高可靠性、強抗干擾能力、組合靈活、編程簡單、維修方便和低成本等諸多特點。而且在對傳統(tǒng)抽油機進行部分改

造后，實現(xiàn)以最簡單的組合，達到最佳效果的目的。本方案通過室內(nèi)模擬試驗后，證明該設(shè)計有嚴格的運動協(xié)調(diào)和能量協(xié)調(diào)關(guān)系。

2 游梁式抽油機存在的一些問題

國內(nèi)外使用的抽油機主要類型有游梁式抽油機、寬帶式抽油機、鏈條式抽油機等，其中游梁式抽油機應(yīng)用最為普遍，其自身又分為常規(guī)型游梁式抽油機和異相型游梁式抽油機兩種主要形式。圖1是曲柄平衡常規(guī)型游梁式抽油機結(jié)構(gòu)圖，目前，正在使用的游梁式抽油機是有桿抽油設(shè)備系統(tǒng)的地面裝置，其基本功能是：為井下抽油泵提供運動和動力，實現(xiàn)從一定的井深處抽出一定數(shù)量的原油。常規(guī)型游梁式抽油機特點是結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、維修方便，特別是它可以常年累月全天候在野外工作，使用可靠，故障率低，結(jié)實耐用。

但是游梁式抽油機在靜止狀態(tài)啟動載荷很大，是正常運行時載荷的5～6倍，甚至更高，為了使抽油機可靠地啟動，抽油機幾乎無一例外地采用了較大功率驅(qū)動電機和大容量變壓器。這雖然解決了啟動問題，但電機正常運行時工作在輕載狀態(tài)，使其效率和功率因數(shù)明顯下降，而且配用變壓器的容量也不得不相應(yīng)提高。變壓器及電機較低的負載率導(dǎo)致電網(wǎng)傳輸無功負荷過大，網(wǎng)損增加，電網(wǎng)容量得不到充分利用，供電質(zhì)量受到影響，歸納起來傳統(tǒng)抽油機的主要缺點是耗能^[1-2]。

圖1 常規(guī)曲柄平衡抽油機

以盤錦油田機械采油系統(tǒng)為例，其平均裝機容量在47 kW左右，而實際運行時平均功率為9.38 kW左右，只占裝機容量的20％，電機負載率極低約為16％。電力消耗約占原油生產(chǎn)成本的20％～30％，機械采油系統(tǒng)高配置，低效率的現(xiàn)狀，造成了電力能源和設(shè)備資源的浪費。

3 改造后的新型變頻調(diào)速式抽油機

3.1 變頻調(diào)速式抽油機的提出

由于游梁式抽油機應(yīng)用十分廣泛，其效率低、能耗大的問題也日趨突出，引起人們越來越多的關(guān)注和重視。針對抽油機數(shù)量的不斷增加，如何實現(xiàn)抽油機的平衡效果，實現(xiàn)節(jié)能，提高經(jīng)濟效益的節(jié)能型抽油機成為了研究熱點。

抽油機的節(jié)能研究可從供電電源開始到最終接受能量的井底流體為止的整條傳輸路線著手，即機械部分和電氣部分。電氣部分主要是電動機和相應(yīng)的控制電路研究。大啟動力矩電動機和變頻調(diào)速以及提高那些負載過小電動機的功率因素的裝量成為了研究的關(guān)鍵對象。

同時，石油行業(yè)是推廣“電機系統(tǒng)節(jié)能”的重點行業(yè)。抽油機節(jié)能，其首選方案是采用變頻器對其電機拖動系統(tǒng)進行改造，抽油機改用變頻器拖動后有以下幾個好處：大大提高了功率因數(shù)；動態(tài)調(diào)整抽取速度；動態(tài)調(diào)節(jié)抽油機的沖程頻次；實現(xiàn)了真正的“軟起動”，延長了設(shè)備的使用壽命，減少了停產(chǎn)時間，提高了生產(chǎn)效率。

綜合分析了各種游梁式抽油機的特點和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用機構(gòu)創(chuàng)新的基本理論，綜合現(xiàn)有抽油機的抽油方式特點，剖析它們內(nèi)在的規(guī)律，提出了抽油機的調(diào)頻變速。為解決游梁式抽油機能耗大、效率低，尤其是在下沖程時抽油桿柱依靠自重下落，能量出現(xiàn)倒流而使電動機處于發(fā)電機運行狀態(tài)的問題提供了一種新的途徑。

3.2 抽油機設(shè)備的改造

在對傳統(tǒng)油田抽油機設(shè)備改造后，本文設(shè)計了抽油機地面以上的部分，簡易工藝如圖2所示。

圖2 簡易工藝實物模擬圖

在上述裝置中，控制柜內(nèi)主要安裝器件有三相電源接頭、LG系列PLC、高仕達金星變頻器等。

該抽油機設(shè)備的設(shè)計完全摒棄了傳統(tǒng)抽油機那種磕頭笨重的缺點，而是以簡單的控制系統(tǒng)對抽油的全部流程進行控制，在某種程度上真正實現(xiàn)了自動控制的思想。簡易工藝運行過程如下所述：

在控制柜內(nèi)利用PLC自帶的屬性特點^[3]，即為開關(guān)量輸入/輸出信號，由其輸入端口開關(guān)的關(guān)斷對變頻器的速度控制級及正傳信號進行控制，進而驅(qū)動電動機的快慢旋轉(zhuǎn)，繼而由電動機的轉(zhuǎn)動帶動連桿對配重進行上下運行動作，從而實現(xiàn)提油裝置在上升及下降過程中的穩(wěn)定運行。

其中，改造后的抽油機可持續(xù)工作在運行狀態(tài)，無須停機。利用滑輪的快慢旋轉(zhuǎn)迫使抽油桿做上下提升動作，再由懸繩器牽引盛油裝置做往復(fù)運行的動作。 

3.3 改造后抽油機的運行過程分析

改造后的抽油機在循環(huán)運行過程中，需要在不同的上升或下降階段有不同的變速方式。在圖3中分析了提油裝置到達地面以后直到下一次進入地下抽油，這一段期間的運行狀況。

本控制系統(tǒng)的設(shè)計共需4個接近開關(guān)，其中P0004、P0005為高低速切換開關(guān)；P0006、P0007為機械換向開關(guān)，具體流程簡述如下：

抽油機在使盛油裝置在上升過程中，起始階段為低速加速過程，當遇到接近開關(guān)P0004時，由PLC控制變頻器，進而使抽油機變?yōu)楦咚龠\行，且保持這種狀態(tài)。當遇到接近開關(guān)P0005時，在使抽油機變?yōu)榈退龠\行段，在把原油放入固定裝置后，遇到接近開關(guān)P0007時，由油田有關(guān)方面研制的特定機械換向裝備迫使盛油裝置變?yōu)橄陆颠^程，而此后再遇到接近開關(guān)P0005時，再使盛油裝置變?yōu)楦咚龠\行，此后，遇到接近開關(guān)P0004時，變?yōu)榈退龠\行，當?shù)退龠\行到達位置為接近開關(guān)P0006時，經(jīng)過裝入原油后，又進行機械換向，此時，完成了一次提油及其放送裝置的周期循環(huán)。以后重復(fù)上述過程。

圖3 工藝分析圖

在上述裝置的工作過程中，我們設(shè)提油裝置每次盛油3 t。抽油桿重為2 t，配重為4 t，這樣確保抽油過程中，支架兩邊有1 t的差額。 

3.4 變頻調(diào)速式抽油機工作過程分析

變頻調(diào)速控制系統(tǒng)由16位CPU運行控制，控制電路采用直接數(shù)字控制方式，進行判斷處理變頻調(diào)速抽油機運行時的各項參數(shù)。CPU接收到輸入電路的控制信號后，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)矩計算等環(huán)節(jié)形成控制指令，供給基極驅(qū)動電路，控制變頻器大功率晶體管的導(dǎo)通與關(guān)斷。此外，控制系統(tǒng)中變頻器可接收外部模擬信號和開關(guān)量控制信號，完成對工作頻率的調(diào)整^[4]。

給定部分為電壓信號，PLC部分為開關(guān)量控制信號，即利用常規(guī)開關(guān)及接近開關(guān)的關(guān)斷去調(diào)節(jié)變頻器的電壓/頻率的變化，再由變頻器作為三相異步電動機的驅(qū)動信號，進而驅(qū)動電動機高低速及正反轉(zhuǎn)的變化。

電動機在正向轉(zhuǎn)動狀態(tài)下，將通過連桿驅(qū)動配重作上升及下降的運行，而當盛油裝置裝滿原油后，通過懸繩及連接桿的連接，在控制系統(tǒng)的控制下，作相應(yīng)的上升、下降及高低速的運動。

抽油機工作過程中，支架上的滑輪也隨著盛油裝置的運行方向變化，而作相應(yīng)的需求改變，而橫梁起到減輕部分負載的作用^[5]。

變頻調(diào)速抽油機的運行由五個過程組成(見圖4)，具體說明如下：

(1) “ S” 形加速過程

本過程可分為起始低值加速過程、勻加速過程、結(jié)尾低值加速階段。

(2) 勻速提升抽油高速過程

這是主要工作過程，由于柱塞達到最高提升速度后，控制系統(tǒng)便使其始終保持大小不變的速度直到這一過程結(jié)束，從而使這種工作方式有效地提高了系統(tǒng)的抽油效率，并有效地保證了系統(tǒng)機械零部件平穩(wěn)地工作，合理選擇的周期，可確保得到合理的產(chǎn)量和最低的能耗。

(3) 逆“S”形負加速過程

與(1)過程相同，也可分成三個階段，但加速曲線與(1)過程的變化方向相反，合理處理好這個過程是確保進液工作條件的關(guān)鍵，也是確保系統(tǒng)平穩(wěn)工作的關(guān)鍵。

(4) 勻速下放抽油裝置過程

這部分可以說成是勻速提升抽油高速過程的逆過程。 

(5) 勻速下降進液過程

這是井下設(shè)備的進液過程(也是地面設(shè)備的儲能過程)，合理安排這一過程是確保提高泵效的關(guān)鍵，這一過程也是地面設(shè)備的儲能過程，在確定了作業(yè)條件之后，選定合理的平衡配重可以有效地減輕系統(tǒng)的動態(tài)載荷和能耗。

圖4 變頻調(diào)速抽油機的運動原理曲線

變頻調(diào)速抽油機與傳統(tǒng)的抽油機的不同之處是整個工作循環(huán)的每個過程都可根據(jù)油水井的井下地質(zhì)條件、開發(fā)特征、選用的井下設(shè)備以及地面設(shè)備(包括井口裝置和輸油管道的長度、直徑、彎曲接頭等)進行測定與綜合分析，并可以采用計算機計算模擬最佳工況，得到一系列的優(yōu)化工作參數(shù)，如沖程長度，每分鐘沖次數(shù)，提升速度與加速度，下降速度與反向加速度等，這些參數(shù)送入抽油機的數(shù)控系統(tǒng)，從而使抽油機地面的動力端能很好地與井下的液力端動態(tài)協(xié)調(diào)，即應(yīng)使抽油桿工作為始終保持張緊狀態(tài)，保持了它的剛性，因而可以大幅度提高泵效，增加產(chǎn)油量，甚至能使深井抽油泵的泵效提高到大致與地面往復(fù)泵接近的程度^[6]。

4 控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

本文所設(shè)計的抽油機變頻調(diào)速控制裝置采用的PLC是LG公司生產(chǎn)的MASTER-K30S型可編程控制器，它具有8個輸入點、8個輸出點及部分擴展端口?？煞謩e與變頻器的控制端和抽油機的限位傳感器等連接，以溝通外部系統(tǒng)和內(nèi)部系統(tǒng)。通過PLC的串行口，裝入根據(jù)每口井況編制的管理程序，它將根據(jù)輸入點的信息進行實時控制。在系統(tǒng)運行過程中，PLC接收抽油機上沖程和下沖程換向點位置傳感器傳來的信號和電機輸出功率信號，經(jīng)PLC程序處理后輸出控制信號，以控制變頻器的輸出電壓和上下沖程的輸出頻率，達到控制抽油機上下沖程速度的目的。執(zhí)行結(jié)果用以操作輸出設(shè)備如(接通或斷開)，從而使被控對象受到控制。這樣在控制系統(tǒng)中，控制過程的更改不需要改變其內(nèi)部的接線，而只需通過編程器去改變程序存儲器中的某些語句即可。

由于抽油機的工作特性，本文所設(shè)計的變頻調(diào)速式抽油機屬于基頻以下的恒磁通變頻調(diào)速，即恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式^[4]。

在對改造后抽油機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的模擬運行實驗中，應(yīng)用的硬件電路原理圖如圖5所示，對變頻器及PLC端子的功能在表1、表2、表3中進行了詳細說明。

按照硬件電路原理圖對應(yīng)實物進行接線并且運行后，通過調(diào)解PLC和變頻器的輸入\\輸出端口接線及觀察電機的轉(zhuǎn)速變化，運行結(jié)果證實了本實驗所設(shè)計的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，達到了抽油機運行中工藝流程的基本要求。

圖5 抽油機控制系統(tǒng)硬件電路原理圖

表1 PLC基本功能端子說明

端子功能端子功能

5 結(jié) 語

本文所研究的變頻調(diào)速式抽油機是由PLC、變頻器、電動機組等組成的開環(huán)控制系統(tǒng)。通過對所設(shè)計的控制系統(tǒng)進行理論研究、性能分析，結(jié)果表明，本抽油系統(tǒng)優(yōu)點為節(jié)能效益高，運行可靠、穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，操作簡便，使用壽命長，自動化程度高，無需人看管，維護量少。

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