立式節能抽油機的智能控制系統

徐春明

（武漢科技大學機械自動化學院，湖北武漢430081）

0 引言

我國的油田不像中東的油田那樣有很強的自噴能力，多為低滲透的低能、低產油田，大部分油田要靠注水壓油入井，再用抽油機把油從地層中提升上來，以水換油或者以電換油是我國油田的現實。因而，電費在我國的石油開采成本中占了相當大的比例，所以，石油行業十分重視節約電能。目前，我國抽油機的保有量在10萬臺以上，電動機裝機總容量在3 500 MW，每年耗電量逾百億。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%，年節能潛力可達幾十億。除了抽油機之外，油田還有大量的注水泵、輸油泵和潛油泵等設備，總耗電量超過油田總用電量的80%，可見，石油行業是推廣“電機系統節能”的重點行業［1］。

抽油機節能包括節能型抽油機和抽油機節能電控裝置的研制與推廣兩個方面，對該兩大技術的研究方興未艾，本研究主要側重于抽油機自適應變頻調速和自動進行故障診斷的智能電控系統的研制。

1 兩種抽油機的性能比較

作為上百年來一直使用傳統抽油設備游梁式抽油機（其典型結構如圖1所示）存在如下缺點：

圖1 游梁式抽油機

（1）電動機大功率啟動，小功率運轉，造成“大馬拉小車”的狀況，因而浪費了大量的電能；

（2）沖次的調整困難，不能實現上、下行程速比的變化，因而也造成大量電能的浪費；

（3）沖程量小且調整困難，從而限制產油率；

（4）對于游梁的材料性能要求高，從而提高了整臺設備的成本；

（5）減速器更換頻繁，造成物資浪費。

雖然幾十年來從節約能源的角度對于游梁式抽油機的機械結構做出很多的改進，例如調整平衡配重、增加雙驢頭結構等方式，但仍然不能從根本上解決上述缺陷。

立式節能抽油機結構如圖2所示，其為解決游梁式抽油機一些缺陷提供了可能，但要做到具體實現則必需有配套的節能智能控制系統。

本研究主要針對立式抽油機的運行控制而設，該控制系統通過選用西門子PLC作為核心控制器去控制變頻器，通過改變電動機的運轉頻率，實時計算抽油機的應該運行的速度，通過計算上、下沖程的時間控制變頻器的輸出電源的頻率和電壓，實現電動機的無級調速控制，并做到運行轉矩的適配。該立式抽油機智能控制系統將實現的特點如下：

（1）安排抽油井工作制度，定時啟動、停止，實現電機的軟啟動，對電網無沖擊［2］。

圖2 立式抽油機

（2）動態調節抽油機的沖程頻次。隨著油井的由淺入深的抽取，井下油量的減少，必然會出現泵的充滿度不足、泵效下降的情況。當油井的供液能力小于抽油泵的排量時，就可能造成泵抽空和液擊。防止液擊的有效方法之一是減慢泵速以提高泵充滿度。通過變頻調速技術降低電機轉速減少抽取頻次，不僅減小了電機功率，而且提高了泵的充滿度，提高了泵效，增加了原油產量。

（3）動態調節抽油機上、下行程速度。采用自適應智能化變頻調速技術，除了可以動態改變抽油機的沖程頻次之外，還可以根據實際需要分別調整每一沖程的上下行程速度，使抽油機工作在最佳運行狀態，在每一沖程中，適當降低下行程的速度，可以提高原油在泵內的充滿度，而適當提高上行程的速度，則可以減少在提升中的漏失系數，有效提高單位時間內原油的產量，同時通過動態調速，也可以節省電能的消耗。

（4）自動進行故障診斷，可來電自啟，同時具有自啟前和故障后的報警功能，必要時自動停止抽油或實行自動間抽。在智能控制系統中，采用檢測電動機的功率來實現抽油機的閉環自動控制。

（5）該控制系統引進了智能芯片PLC，西門子公司為該系列PLC提供了成熟的網絡接口模塊，所以可以將該系統與工控網或inter網接口以實現遠程監控［3-4］；

（6）系統結構運行平穩不會出現較大的沖擊振動，對整個機械系統鋼結構材料的性能要求低；

（7）由于系統運行平穩，可以極大地提高減速器的無故障運行時間。

2 控制系統的性能評價

評價異步電動機的起動性能，重要的指標是起動電流和起動轉矩的大小，對這兩項指標的要求是：起動轉矩足夠大、起動電流不要太大。抽油機的啟動都通常為帶載啟動，啟動時，接通電源，n=0，s=1，轉子導體切割磁力線速度很大，轉子感應電勢增大，轉子電流就增大，定子電流也隨之增大，頻繁起動時造成熱量積累，使電機過熱大電流使電網電壓降低，影響鄰近負載的工作。異步電動機的電磁轉矩［5］為：

由異步電動機的電磁轉公式可知：接通電源時起動電流大，起動轉矩小，一般中小型鼠籠式電機起動電流為額定電流的5~7倍。

常規游梁式抽油機多采用星—三角降壓起動方法啟動，啟動時定子三相繞組被接成星形，各相繞組所承受的相電壓等于線電壓UN的；待轉速基本穩定時，再將三相繞組接成三角形，各相繞組承受的電壓是線電壓UN，降壓起動時的電流為直接起動時的。雖然該方式可以在一定程度上可以降低起動電流，但因［6］：

當電源頻率、極數為恒定值時，同步轉速恒定，所以電磁轉矩更小，該方式只適用于正常運行時定子繞組為三角形接法的異步電動機，且Y-D換接啟動只適合于空載或輕載起動場合。所以常規游梁式抽油機在采用星-三角降壓起動方法啟動時抽油機為克服大的起動轉矩，所采用的電動機遠遠大于實際所需功率，工作時電動機利用率一般為20%~30%，最高不會超過50%，電動機常處于輕載狀態，造成資源浪費。抽油機工作情況的連續變化取決于地下的狀態，若始終處于工頻運行，也會造成電能浪費。

該自適應智能控制系統核心技術是三相交流電機的變頻調速技術。當電源的頻率改變時同步轉速與頻率成正比變化，電動機轉子轉速也隨之而變，改變電源頻率可以平滑的調節異步電動機的轉速，實現無級調速。又根據式（1），當同步轉速很小時，很小的轉子電流也可以輸出大的電磁轉矩，所以異步電動機有著極良好的起動性能，實現異步電動機的功率適配，提高了能源的利用率。變頻技術的應用不僅能夠通過調頻來降低電動機轉速進而達到降低有功功率的目的，使普通電動機達到調速電動機的功效，而且由于電流減小（因為根據功率P=UI，電壓不變，電流I減小功率降低），降低了無功損耗，改善了電動機的工況，從而解決了一系列的現場應用問題［7］。

立式抽油機的電氣控制結構圖如圖3所示。該電氣控制系統中的主控部分為核心控制器西門子PLC（CPU224XP 230 VAC/24 VDC/繼電器輸出，22 KB存儲空間，14輸入，10輸出，2集成模擬量輸入，1集成模擬量輸出）［8-9］與Micromaster 440變頻器（30 kW/62 A）交換信息，性能參數如表1和表2所示。

圖3 立式抽油機的電氣控制結構圖

表1 PLC（CPU224XP）

表2 Micromaster 440變頻器

PLC輸出0~10 V的電壓給變頻器，變頻器按照線性V/f控制特性，由模擬電位計控制供給電動機電源頻率從0~50 Hz變化，從而控制電動機運轉速度的變化，同時PLC輸出0或10 V的觸發脈沖給變頻器以控制電動機的正、反轉［10］。變頻器相應地向PLC反饋電動機的運行電流電壓及運行功率情況。

對于電動機頻繁正、反轉所采取的制動方式為發電反饋制動。當電機的運行頻率高于變頻器的指令頻率，這時電機就處于再生（即發電）狀態，由于通用變頻器的變流部一般均為不可控整流，其產生的能量不能回饋給電網，只能對變頻器的直流部電容器充電，制動電阻的作用就是將這部分能量消耗在制動電阻上，使直流母線電壓保持在正常值。由于再生時產生和轉矩方向與電動轉矩相反，起的是制動作用，這個狀態又叫再生制動狀態，這個電阻就叫制動電阻。該控制系統的制動電阻采用的是西門子4BD22-2EA0型15 Ω的電阻。該機械結構系統在變頻器停止供電后，系統本身有極強的阻尼作用，所以消耗在制動電阻上的電能微小。

3 控制系統的實現

該系統為按配重的位置與給定值偏差調節的閉環控制系統，無論是干擾的作用，還是系統結構參數的變化，只要配重經過接近開關控制系統參數自動初始化，達到消除累計誤差的目的［11］。其控制系統運行流程圖如圖4所示。

圖4 控制系統運行流程圖

當系統上電以后，通過TD200中文版文本顯示器設置最大沖程量、沖次、行程速度等參數；先假定感應磁鐵在接近開關的上方，按上行啟動按鈕，PLC向變頻器輸送0~10 V速度觸發電壓，同時送正轉觸發電壓0 V，抽油桿上行抽油機開始抽油；若采樣到渦流式直流三線接近開關的采樣脈沖信號，則開始對旋轉編碼器輸入的脈沖數進行計數；當計數值等于設定值時，速度觸發端腳輸出0 V電壓，則電動機的運行頻率為0 Hz，電機處于再生制動狀態，直到電機停止轉動，此時絲杠的上升行程為立式抽油機的上沖程。

接著PLC向變頻器輸送0~10 V速度觸發電壓，同時送反轉觸發電壓10 V，抽油桿下行；若采樣到渦流式直流三線接近開關的采樣脈沖信號，則開始對旋轉編碼器輸入的脈沖數進行計數；當計數值等于設定值時，速度觸發端腳輸出0 V電壓，則電動機的運行頻率為0 Hz，電機處于再生制動狀態，直到電機停止轉動，此時絲杠的下降行程為立式抽油機的下沖程。

在抽油機的運行過程中，負荷傳感器始終向PLC傳送負荷信號，考慮到油井的粘度大小不同，經轉換可通過TD200顯示當前的抽油量。

另外，在圖2中，接近開關裝在離上行位開關比較近的位置。旋轉編碼器檢測的行程越長，誤差越大，而該控制系統要保證抽油桿在起動抽油時能夠盡量從抽油泵的最低點開始，而回程時又不至于沖撞泵底，所以筆者將接近開關如此安裝。

4 結束語

本研究的實際意義主要是在石油行業推廣“電機系統節能”智能裝置的使用，以現代電力電子技術的發展為基礎，立式抽油機從很多方面都體現了高效、節能的特點，而且立式抽油機所采用成熟的核心控制器西門子PLC也提供了實現遠程監控的配套模塊，從而可以方便地建立起工業以太網自動控制體系。

但立式抽油機也還有需要改進的部分，控制系統所采用的變頻裝置為通用變頻器，該產品的成本目前較高，立式抽油機專用變頻裝置的研制提上了日程，只有專用變頻裝置出現，才能更好地體現立式抽油機的優越性能，也才能最終代替游梁式抽油機。

（

）：

［1］徐甫榮，趙錫生.抽油機節能電控裝置綜述［D］.西安：國家電力公司熱工研究院，2002.

［2］曲剛，孫永興.抽油機智能化變頻控制系統的應用［J］.陜西師范大學學報：自然科學版，2005（s1）：33-36.

［3］SIEMENS.SIMATIC S7—200可編程序控制器系統手冊［M］.SIEMENS，2005.

［4］SIEMENS.西門子通用變頻器［M］.SIEMENS，2005.

［5］辜承林.電機學［M］.武漢：華中科技大學出版社，2001.

［6］陳堅.交流電機數學模型及調速系統［M］.北京：國防工業出版社，1989.

［7］李志，趙國相.變頻技術在抽油技術中的應用［J］.石油礦場機械，2005，34（2）：90-91.

［8］陳金華.可編程序控制器（PLC）應用技術［M］.北京：電子工業出版社，1995.

［9］徐亮，李作武，鐘順金.基于PLC的沖壓力控制系統［J］.兵工自動化，2013，32（4）：64-66.

［10］張登山，肖芳.西門子通用變頻器應用實例手冊［M］.北京：西門子標準傳動部，2002.

［11］OGATA K.現代控制工程［M］.4版.盧伯英，于海勛，等，譯.北京：電子工業出版社，2003.