抽油機變頻電控裝置的設計

王 麗

（天水電氣傳動研究所有限責任公司，甘肅天水741020）

1 引言

抽油機是目前應用最普遍的石油開采機械之一，也是油田耗電較大的設備，用電量約占油田總用電量的40%，會造成過剩的抽油能力，使抽油機的無功抽取時間增加，使油井開采的電費成本居高不下，能源浪費十分嚴重。同時，我國陸上油田無論是水網、沙漠還是高原、嚴寒地區，油井的數據采集都是靠采油工到現場采集，油井示功圖、平衡度、油套壓、油溫及產液量等井口生產數據采集量大，勞動強度高，數據的準確可靠性差。采油井的生產參數經常受到天氣變化和交通工具的影響無法正常獲得，這些都嚴重影響了油井的自動化管理。如果在現有的有桿抽油機井上應用變頻調速技術，實現增產、節能提高油井遠程監控系統對于實現油井管理的自動化程度、提高工作效率，保證數據采集的準確性及加強現場事故應急處理等都具有非常重要的意義，這些將產生巨大的經濟效益和社會效益［1]。

2 發展應用現狀

油田抽油機負載是時變負載，有動、靜負載特性之分。起動初始狀態要求的啟動力矩是抽油機實際負載的3－4倍，甚至更大，運行負載功率都遠小于電機的額定功率，目前解決以上問題，針對抽油機節能化的改造方案大致有以下三個方面［2]。

（1）采用節能型抽油機

通過改進抽油機的結構，優化抽油機的機械機構設計來減小機構的負扭矩，從而提高電動機的工作效率，實現節能。

（2）采用節能驅動設備

研發出與采油工況相匹配的新型電機來提高電機的效率和功率因數。大多采用高轉差電機，還有的采用節能的電機配電箱來提高抽油機效率，但是這種方案大多需要較高的技術和較大的資金投入，研發周期較長，不易實現。

（3）采用節能電控裝置

目前應用的有下面幾種節能電控裝置［3]：①繼電接觸器調壓節能；選擇繼電接觸器，通過切換電機繞組，使用有級降壓節能。②采用間抽控制器；當油井出油量低或者出現空抽時會自動關閉抽油機，等井下油液積蓄超過一定深度時又能自動開啟抽油機，避免了電能的浪費，提高了抽油機的效率。③采用變頻調速電控裝置；通過改變電機的轉速，使抽油泵的排列與油井的滲透出油量相一致，讓電機的轉速跟隨油井滲油量的變化而變化，實現電機自動調節轉速來自動調節功率，達到節能的目的。

3 抽油機變頻電控裝置設計要求

3.1 控制對象參數

驅動電機參數為：3AC 3～50Hz 75kW；移機裝置電機參數為：3AC 50Hz 2.2kW；冷卻電機參數為：3AC 50Hz 1.0kW；電磁制動器參數DC207V 300W。

3.2 技術參數描述

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

3.3 技術要求

柜內加裝溫濕度自動控制裝置；驅動電機電路圖采用鋁板制造，并固定；觸摸屏上設置多語言操作界面，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、流量等數據，并具有存儲讀取功能，設置電源、運行、故障指示燈，啟動、停止、緊停按鈕，工況選擇開關、沖次調整器；0～4沖次連續可調；移機裝置電機能夠正反轉控制；冷卻電機隨驅動電機運行自動控制；電磁制動器運行帶電，斷電制動保護；驅動電機欠壓、過壓、過載、過溫、接地、短路的自動保護；實現對抽油機卡桿、卡泵、斷桿、上行斷鏈、下行斷鏈的停機自動保護等。

4 抽油機變頻電控裝置設計

4.1 控制技術方案設計

圖1 抽油機變頻控制裝置整體框圖

根據技術要求研發如圖1所示的系統，這套系統主要由變頻調速器、傳感器、數據采集模塊和遠距離無線傳輸終端（RTU）組成。采用交流采樣原理對電動機輸入電流和電壓進行實時采樣，經A／D轉換后，用二瓦特計法計算電動機瞬時功率和一個沖程的平均功率，并和設定的功率閾值進行比較。借助位置傳感器采集抽油機上下沖程四點位置信號，并把信號送給RTU，經過綜合分析處理后輸出控制信號給變頻器。無線傳輸終端把相關數據發送到數據控制中心，進行數據分析和報表生成。變頻器采用可以實現速度傳感器的矢量控制，應用有速度傳感器的恒轉矩控制技術來控制，變頻器將接受油井載荷傳感器的數據信號以及電機側的轉速信號，通過內部指令編程來輸出電源的頻率和電壓，以此來控制電動機的轉速，最終控制抽油機的抽汲參數。

4.2 控制硬件電路設計

4.2.1 變頻節能

控制系統的主電路圖如圖2所示，系統由供電斷路器、變頻器、功率調節柜、PLC、工控機、傳感器、采集模塊、RTU、電磁制動裝置、移動控制單元、冷卻控制單元、房內加熱系統等組成。

4.2.2 相關計算、設計與選型

（1）變頻器的計算與選型

圖2 抽油機變頻控制裝置電路原理圖

依據抽油機的工作原理和負載特性，對起動性能的要求是低速大轉矩，要求力矩響應要快，且經常地快速制動，還要有足夠的頻率分辨率，所以主電路選擇具有高啟動性能、力矩響應快、低速力矩特性好的6SE440系列變頻器。經計算可知變頻器連續輸出的最大視在功率為≥×142×380／1000＝93kVA，根據變頻器的額定電流選擇：IUN≥142A，推算額定功率選為90kW可以滿足。

（2）制動電阻的計算和選型

當制動功率超過變頻器損耗時，電路上的電壓突升導致變頻器保護跳閘，解決這一問題需在電路中增加一個制動模塊和一個外部電阻器構成制動斬波器，當出現電壓突升時制動單元開始吸收能量。根據制動電流Ic＝P／UCN，其中P為變頻器的返回功率，一般取電機額定功率的70%～75%；由制動電阻 R＝UCN／Ic、制動功率 P＝Ic2R，計算出制動連續工作功率為60kW，為此選擇了自主研發TSACD-21系列大功率制動單元，該套設備具有系統就緒提示、過溫保護、過流保護、過載保護功能，可以根據需要設定恢復過載故障的時間。

（3）觸摸屏的選擇

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

4.3 自動化方案的選擇

抽油機設備大多位于沼澤、沙漠、盆地、淺海等條件惡劣的地區，因此選擇S7200系列的PLC與無線通訊模塊，即可實現控制器與變頻器的工藝控制以及數據采集，又能方便實現與現場操作屏的通訊、運行操作、數據存儲、通訊的等多項功能，采用CDMA／GPRS或者數傳電臺通訊模式，由傳感器、井口控制器、數傳電臺通訊模塊、采油廠通訊機、實時數據庫服務器、WEB服務器、監控瀏覽終端組成的系統來實現油井遠程監控功能，達到智能化控制的目的［4]。

4.4 控制系統軟件設計

4.4.1 軟件方案的設計

（1）控制模式設計

變頻控制裝置具有①機體盒控制，啟動、停止、固定速度；②觸摸屏控制，主電機及油泵電機工藝控制、0～4沖可調；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的啟動、停止、0～4沖可調等3種。

（2）運行模式設計

變頻控制裝置系統有①正常工作模式，電機和變頻器依據運行情況自動保護；②測試工作模式，電機過載運行短時間（小于5分鐘）不保護兩種。

（3）剎車模式設計。

變頻控制裝置系統有①機體盒復位按鈕未操作時，自動控制投入或切出；②機體盒復位按鈕操作時，剎車打開，變頻器停止兩種。

（4）顯示功能和數據存儲設計

變頻控制裝置系統配有觸摸屏，能顯示瞬時流量、累計流量、功圖、荷重、沖程及電氣參數。系統可顯示功能所顯示的參數可以存儲7天，隨后新數據按時間順序覆蓋舊數據。

4.4.2 軟件功能的設計與操作

整套軟件采用觸摸式操作屏，可完成抽油機的主要操作。系統啟動后，進入操作畫面可實現以下功能。

（1）自恢復功能

設備出廠時，已經安裝了“一鍵恢復軟件GHOST”并備份了數據。一旦系統出現問題后，不需格式化硬盤（備份數據會丟失），在重新啟動時選擇“一鍵GHOST”，然后根據提示，恢復系統即可（出廠狀態）。

（2）主電機操作功能

在操作前，首先要確認相應指示燈是綠色，表示變頻器“通訊正常”；選擇運行模式“正常運行”或“過載運行”；選擇正常運行扭矩限制為電機額定扭矩的100%；選擇允許過載，扭矩限制為電機額定扭矩的150%，但不能長期過載運行；通過快速回零鍵將給定回零，按下“啟動／停止”按鈕指向“ON”，系統正常，則指示燈變綠，風機正常啟動，系統狀態窗口中的指示燈變綠，主電機開始運行；通過快增、快減鍵或慢增、慢減鍵，調整給定使主電機按給定的沖次；在工作過程中，隨時可以調整給定，停抽油機時，先回零，再按下“啟／停”按鈕。

（3）移位電機操作

主電機停止后，如果需要移位電機正向運行時，點擊按鈕“正轉啟／停”，使其變綠，再次點擊該按鈕使其變灰，為停止正向運行；需要移位電機反向運行時，點擊按鈕“反轉啟／停”，使其變綠，再次點擊該按鈕使其變灰，為停止反向運行。

（4）示功圖設計

通過“沖程－載荷”功能趨勢，可以判別抽油機的工作是否正常。點擊按鈕“FuncTrend”進入該畫面，當需要看歷史數據的示功圖時，只需把日期、時間和點數輸入即可，在固定窗口中有報警信息條，點擊按鈕“Alarm”，可進入報警信息頁面查看更多的信息。

（5）其他功能設計

系統設置中主要有參數校準、累計流量清零、主電機速度反饋選擇和風機延時斷電等。還有用戶保密功能出廠時可任意設定的用戶名和密碼以防誤操作。

5 抽油機變頻電控裝置的技術性能

這套系統的主要技術特征有：①實現無級調節有桿抽油系統的沖次，優選最佳沖次，提高泵效，降低噸油耗電；同時具有自啟動前和故障后報警功能；有效消除電網波動影響并實時處理電動機發電產生的負功率，提高電網功率因數。②根據機采井工況及采液量任意調節上、下沖程的速度比，提高抽油泵充滿系數、排量系數及沖次調節范圍，對電動機、變速箱、抽油機都避免了過大的機械沖擊，延長了設備的使用壽命，減少了停產時間，提高了效率。③柜內加裝溫濕度自動控制（包括自動冷卻裝置、自動加熱裝置）實現欠壓、過壓、過載、過溫、接地、短路的自動保護，電磁制動器運行帶電，斷電制動保護。④觸摸屏上設置中、英、俄文操作界面，實現示功圖曲線、沖程、沖次、上行電流、下行電流、最大載荷、最小載荷、流量顯示，并具有數據存儲讀取功能，設置電源、運行、故障指示燈、啟動、停止、緊停按鈕、工況選擇開關、沖次調整器；實現油井產量最大化或保證系統的抽汲能力始終與變化的井底流入條件相匹配，優化提高整個機、桿、泵的機采系統效率。

6 結束語

本裝置系統采用變頻調速［5]控制技術，配有觸摸屏顯示、操作和遠程監控功能。整個系統生產工藝水平良好，設備可靠性高，可提高泵效，降低噸油耗電，并有效消除電網波動影響，有助于提高電網功率因素。因此該設備可廣泛應用到高產井、低產井、控制產量井、井身質量問題引起的頻繁檢泵的井上來實現高效節能［6]的目的。

［1] 王曉遠，查宏民等.基于變頻技術的新型抽油機節能控制器［J] .石油機械，2005，（8）.

［2] 丁建林，姜建勝等.抽油機變頻調速智能控制技術研究［J] .石油機械，2003，（1）.

［3] 張春海.抽油機專用變頻節能技術應用研究［J] .現代商貿工業，2011，（4）.

［4] 曲 剛，孫永興.抽油機智能化變頻控制系統［J] .陜西師范大學學報（自然科學版），2005，（1）.

［5] 劉慧芬.變頻調速技術在游梁式抽油機中的應用［J] .石油礦場機械，2004，（5）.

［6] 崔平正.新型節能液壓抽油機的控制系統設計［J] .機床與液壓，2005，（8）.