抽油機光桿電控加載及功圖再現(xiàn)系統(tǒng)的研制

姚 鵬，白文雄，張安國，寇聯(lián)星，趙 剛，李紅才

抽油機光桿電控加載及功圖再現(xiàn)系統(tǒng)的研制

姚 鵬1，白文雄1，張安國1，寇聯(lián)星1，趙 剛2，李紅才1

（1．長慶油田分公司機械制造總廠，西安710201；2．西安寶德自動化股份有限公司，西安710077）

針對當(dāng)前抽油機出廠檢驗和型式試驗中采用在驢頭懸點加載重錘的方法進行試驗的問題，研發(fā)了抽油機光桿電控加載及功圖再現(xiàn)系統(tǒng)，解決了抽油機光桿彈性變形帶來的功圖形變的問題，使抽油機上下沖程的載荷得到控制，并可將現(xiàn)場抽油機的功圖完整再現(xiàn)到試驗抽油機的工作上，保證了抽油機檢驗試驗的準(zhǔn)確性。該系統(tǒng)能夠在非井場實現(xiàn)真實油井的光桿載荷和位移，得到與現(xiàn)場抽油機同樣工況，便于抽油機出廠前的檢驗以及示功圖設(shè)備的實際檢測，為實現(xiàn)油田數(shù)字化管理技術(shù)的進步提供保障。

抽油機；光桿電控加載；功圖再現(xiàn)；應(yīng)用試驗

游梁式抽油機是油田開發(fā)的主要設(shè)備，由于其應(yīng)用量非常之大，許多石油裝備制造廠都在研發(fā)、生產(chǎn)各種游梁式抽油機。但是，技術(shù)人員將研發(fā)的重點都集中在抽油機自身的平衡系統(tǒng)以及抽油機的整機結(jié)構(gòu)上，往往忽略了對新研發(fā)抽油機在廠內(nèi)的有效試驗和系統(tǒng)評價研究。研制的抽油機節(jié)能效果及性能如何，只有將抽油機安裝到井場進行試驗［1-2］，這樣的試驗受到了油井狀況及現(xiàn)場因素等各方面的影響，具有試驗成本高、數(shù)據(jù)單一等弊端。目前，傳統(tǒng)的廠內(nèi)試驗是，在抽油機的懸點加載固定重錘，以檢測抽油機上下沖程的工作電流大小來評價抽油機的平衡狀態(tài)、功率消耗和節(jié)能狀況。

筆者認為，這樣的試驗只能是一個粗略的試驗，其主要原因是：采用重錘加載，抽油機上下沖程的載荷是一樣的，不能模擬抽油機實際工作中的上下沖程的載荷變化，通常抽油機上沖程載荷大，下沖程載荷小，其差別因油井的結(jié)構(gòu)、抽油泵型式及桿系組合的不同而變化；無法模擬抽油機實際工作中桿系的彈性變形，不能使抽油機的示功圖完整再現(xiàn)。

研制光桿電控加載及功圖再現(xiàn)系統(tǒng)旨在模擬真實油井工況條件下對抽油機的動力性、系統(tǒng)效率及工作可靠性等進行綜合的檢測和評價，并提出優(yōu)化建議，為提高抽油機的設(shè)計和制造質(zhì)量，提升數(shù)字化管理水平帶來強有力的技術(shù)保證。

1　技術(shù)分析

1．1 光桿加載及功圖再現(xiàn)系統(tǒng)方案選擇

可供選擇的抽油機光桿加載及功圖再現(xiàn)系統(tǒng)有以下4種方案：

1） 電液伺服加載及功圖再現(xiàn)系統(tǒng)。是將液壓驅(qū)動缸與抽油機懸點光桿連接，用控制柜中的R T U控制器對抽油機懸點進行液壓伺服控制加載和功圖測量與再現(xiàn)，液壓驅(qū)動缸可不斷改變光桿載荷，較好地實現(xiàn)了抽油機光桿伺服加載及功圖再現(xiàn)。但其造價高，地面液壓站建設(shè)面積大，成本高。

2） 勵磁剎車加載及功圖再現(xiàn)系統(tǒng)。是將勵磁剎車系統(tǒng)與抽油機懸點光桿連接，實現(xiàn)抽油機的加載及功圖再現(xiàn)。該系統(tǒng)無法實現(xiàn)抽油機下沖程時的可變加載和模擬光桿彈性變形。

3） 直線電機加載及功圖再現(xiàn)系統(tǒng)。是將直線電機［3］與抽油機懸點光桿連接，通過變頻器對電機進行控制，能夠較好地實現(xiàn)光桿可變加載及功圖再現(xiàn)功能。但市場上可供選擇的直線電機受到了結(jié)構(gòu)、成本和加載力的限制，不能滿足抽油機的加載試驗。

4） 電控變頻加載及功圖再現(xiàn)系統(tǒng)。通過變頻控制系統(tǒng)對電機進行控制，實現(xiàn)抽油機光桿的可變加載，較好地解決了抽油機上下沖程光桿載荷的加載及隨位移的載荷變化，并通過電控系統(tǒng)實現(xiàn)抽油機載荷和位移及功圖的輸入、評價和再現(xiàn)。

通過比較，選擇了電控變頻加載及功圖再現(xiàn)系統(tǒng)（方案4），于2013-06完成了四型和五型抽油機的光桿電控加載及功圖再現(xiàn)系統(tǒng)研制，經(jīng)過應(yīng)用試驗，達到了設(shè)計要求。

1．2 光桿電控加載及功圖再現(xiàn)系統(tǒng)組成

抽油機光桿電控加載及功圖再現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，該結(jié)構(gòu)由光桿電控加載和功圖再現(xiàn)系統(tǒng)組成。其中：光桿電控加載是通過加載變頻電機系統(tǒng)完成的，由鋼絲繩、滾筒、帶減速機的可變頻電機及電機固定座、制動電阻箱和本地控制柜組成；功圖再現(xiàn)系統(tǒng)由傳感器、本地控制柜和系統(tǒng)控制柜等組成。

圖1　抽油機光桿電控加載及功圖再現(xiàn)結(jié)構(gòu)

1．3 技術(shù)參數(shù)及工作原理

1．3．1 技術(shù)參數(shù)

（無需配備固定載荷，大1．2倍的額定載荷可滿足抽油機的超負荷加載試驗［4］）

根據(jù)可控載荷范圍，自動加載變頻電機正向和反向載荷，實現(xiàn)抽油機上、下沖程的可變加載。其他機型的技術(shù)參數(shù)根據(jù)抽油機的技術(shù)參數(shù)進行調(diào)整。

1．3．2 工作原理

抽油機光桿電控加載及功圖再現(xiàn)系統(tǒng)工作原理如圖2所示。產(chǎn)生光桿載荷的變頻電機通過滾筒上的鋼絲繩和光桿與抽油機的懸點相連，其固定于地下若干米深處，并集成有轉(zhuǎn)矩傳感器（可換算為載荷的傳感器）和計算位移的編碼器；需要再現(xiàn)或檢測的示功圖系統(tǒng)安裝在控制柜內(nèi)，位于地面抽油機旁。再現(xiàn)的示功圖可以本地輸入或通過遠程控制柜輸入至R T U箱，R T U箱內(nèi)部集成電控加載控制器、示功圖測量單元等，不間斷檢測光桿位移并通過電控加載控制器計算出此時的轉(zhuǎn)矩；載荷控制系統(tǒng)將該轉(zhuǎn)矩傳輸給變頻器，通過變頻器控制滾筒的輸出轉(zhuǎn)矩，滾筒通過鋼絲繩不斷改變光桿載荷，反映出較完整的1個沖程（1個周期）內(nèi)的位移和載荷變化，使示功圖實時再現(xiàn)，完成了真實抽油機負載的模擬。多余的載荷由制動電阻箱吸收排出。

圖2　系統(tǒng)工作原理框圖

2　關(guān)鍵技術(shù)

2．1 光桿電控加載系統(tǒng)控制原理

系統(tǒng)控制原理如圖3所示，以控制器為控制核心，采用直接轉(zhuǎn)矩控制方式控制電機完成轉(zhuǎn)矩控制，變頻器通過控制電機轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)光桿載荷的控制與檢測；通過電機編碼器的信號反饋實現(xiàn)光桿位移控制與檢測。該電機采用閉環(huán)控制，從而實現(xiàn)功圖采集與系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

圖3　系統(tǒng)控制原理

2．2 電控系統(tǒng)要求

1） 變頻器系統(tǒng)采用公共直流母線方式，并通過總線方式與控制器相連。

2） 采用上位機組態(tài)軟件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄、參數(shù)設(shè)置和系統(tǒng)操作，與目前長慶油田數(shù)字化管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸相一致。

電控系統(tǒng)拓撲圖如圖4所示。

圖4　電控系統(tǒng)拓撲圖

3　技術(shù)創(chuàng)新點

1） 電控加載及功圖再現(xiàn)系統(tǒng)在非井場真實地再現(xiàn)了抽油機油井工作狀況。

2） 根據(jù)輸入的載荷與位移或抽油機現(xiàn)場實際示功圖，實時輸出與輸入位移相對應(yīng)的載荷，再現(xiàn)抽油機上下沖程光桿真實載荷狀況，形成與輸入對應(yīng)的示功圖，并實時記錄和輸出。較好地模擬了真實油井抽油機光桿的彈性變形，形成真實示功圖。

3） 與示功圖同步監(jiān)測抽油機的三相電參數(shù)，實時測量限定周期內(nèi)抽油機的輸入電量、實際做功量，測試抽油機的工作效率，并進行評價。

4） 控制系統(tǒng)1個沖程內(nèi)的功圖最少采集220個點［5］，保證了實際功圖與輸入功圖的載荷與位移的控制精度≤5%。

5） 地面設(shè)置的控制柜控制模擬加載系統(tǒng)，在顯示屏上監(jiān)測、顯示輸入和輸出數(shù)據(jù)。同時顯示抽油機輸入電參數(shù)、實際做功量及功量對比值。完整顯示示功圖及評價抽油機所需的相關(guān)參量。同時，設(shè)置1個外掛筆記本電腦的連接口與筆記本電腦相連，進行系統(tǒng)的調(diào)試、升級及數(shù)據(jù)修訂，還可連接外掛系統(tǒng)測試儀。

6） 地面控制柜與遠程控制柜相呼應(yīng)，實現(xiàn)遠程控制加載系統(tǒng)。遠程控制系統(tǒng)使用力控組態(tài)軟件。

4　應(yīng)用與試驗

系統(tǒng)登錄、系統(tǒng)監(jiān)控、系統(tǒng)運行效果界面如圖5～7所示。

圖5　系統(tǒng)登錄界面

圖6　系統(tǒng)監(jiān)控界面

圖7　系統(tǒng)運行效果

圖7中：曲線1為給定功圖，曲線2為R T U采集上來的功圖，曲線3為抽油機采集得到的功圖；右側(cè)為給定數(shù)據(jù)顯示區(qū)、采集數(shù)據(jù)顯示區(qū)、電參數(shù)據(jù)顯示區(qū)域。其中，電參數(shù)據(jù)顯示區(qū)域可以顯示抽油機電流、電壓、做功量、耗電量、沖次等參數(shù)。

根據(jù)已知的給定功圖數(shù)據(jù)和通過采集所獲得的實際功圖數(shù)據(jù)，利用M atlab軟件求出抽油機隨位移變化的1個周期內(nèi)相同位移下的偏差e，并用1個周期內(nèi)最大偏差e除以該偏差所對應(yīng)的給定載荷值，得出系統(tǒng)運行在該功圖下的控制精度為3．5%。

5　結(jié)語

1） 采用電控變頻加載系統(tǒng)，較好地解決了抽油機上下沖程光桿載荷彈性變形引起的功圖形變，使抽油機示功圖完整再現(xiàn)，可在非井場實現(xiàn)與油井工況相同的抽油機工作狀況。

2） 應(yīng)用該系統(tǒng)可以將油井現(xiàn)場同一型號的抽油機示功圖加載到試驗抽油機中，并在抽油機遠程控制界面上進行顯示、比對，實現(xiàn)抽油機的數(shù)字化感知。

3） 應(yīng)用該系統(tǒng)可有效進行抽油機的節(jié)能效果的綜合試驗和評價，比常規(guī)的重錘加載更具備說服力。特別是對新研發(fā)的抽油機，通過該系統(tǒng)的試驗、檢測，評價出抽油機運動參數(shù)和動力參數(shù)的優(yōu)劣，不必要到現(xiàn)場進行試驗，減少了風(fēng)險，降低了成本。

4） 該系統(tǒng)是對國家標(biāo)準(zhǔn)《游梁式抽油機》整機試驗的補充和完善。

［1］ 薛梅．抽油機節(jié)能效果測試評價技術(shù)研究［J］．石油天然氣學(xué)報，2011，33（5）：294-295．

［2］ 楊胡坤，秦麗豐，盧玉，等．常規(guī)游梁式抽油機電流平衡調(diào)整方法研究［J］．石油礦場機械，2013，42（6）：1-6．

［3］ 姜民政，王建萍，鄭雪峰，等．直線電機驅(qū)動抽油機的研究［J］．石油礦場機械，2006，35（1）：38-41．

［4］ G B／T2901—2012，石油天然氣工業(yè)游梁式抽油機［S］．

［5］ Q／S Y C Q 3436—2011，抽油機電參數(shù)據(jù)功圖數(shù)據(jù)自動采集技術(shù)規(guī)范［S］．

Develop ment of Polished Rod Electric Control Loading and Indicator Diagram Representation System of Pum ping Units

YAO Peng1，BAI Wenxiong1，ZHANG Anguo1，KOU Lianxing1，ZHAO Gang2，LI Hongcai1
（1.M achinery M anufacturing Plant，Changqing Oilfield Com pany，Xi’an710201，China；2.Xi’an Bode Energy Equip ment Co.，Ltd.，Xi’an710077，China）

According to the existing horse head m ounting points load ha mmer test problems for the oil pu m ping machine’s factory inspection and type test problem，a polished rod of the pu m ping units electric controlloading and diagra m representation system was developed．It could solve diagram deformation caused by the oil pu m ping polished rod elastic deformation，make the pu m ping unit on the up and dow n stroke load control，and can be co m pletely reproduced the diagra m of the pu m ping unit，ensure the accuracy of machine oil pu m ping test．T he system can realize the real well polished rod load and displacement off-site，attain the sa me conditions with on-site pu m ping，make test of pu m ping units before leaving the factory and the actual detection ofindicator diagram equip ment．It is a powerful means for digitalizing management progress of petroleu m enterprise．

pu m ping units；polished rod electric controlloading；diagra m representation；applicationtest

T E933．107

B

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．01．014

1001-3482（2015）01-0056-04

2014-07-16

中國石油長慶油田分公司2012年科研項目“采油場站數(shù)字化感知系統(tǒng)研究與應(yīng)用”子課題（2012C Q-207）

姚 鵬（1978-），女，甘肅寧縣人，工程師，碩士研究生，主要從事石油機械與一體化集成裝置的控制理論與控制工程研究，E-mail：yaop＿cq＠petrochina．co m．cn。