VACON變頻器在油田抽油機(jī)上的應(yīng)用

摘要: 游梁式抽油機(jī)的應(yīng)用是通過(guò)調(diào)整變頻器內(nèi)部的參考頻率來(lái)保持恒定的沖程次數(shù).本文分析了游梁式抽油機(jī)工作原理, 根據(jù)抽油機(jī)轉(zhuǎn)矩特性曲線設(shè)計(jì)了一種智能控制器。其控制原理為電機(jī)正常工作時(shí)給出合適的電流限制，實(shí)現(xiàn)在電動(dòng)周期電動(dòng)機(jī)實(shí)際速度小于參考值，在發(fā)電周期電動(dòng)機(jī)實(shí)際速度高于參考值，保證沖程次數(shù)為常值。采用此控制器設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng), 實(shí)踐表明:控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定并取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益.
關(guān)鍵詞: VACON變頻器 ; 游梁式抽油機(jī) ; 平衡負(fù)載;
中圖分類(lèi)號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A


1 引言
游梁式抽油機(jī)是目前各個(gè)油田所普遍采用抽油機(jī)，但是目前的抽油機(jī)系統(tǒng)普遍存在著效率低、能耗大、沖程和沖次調(diào)節(jié)不方便等明顯的缺點(diǎn)。
針對(duì)傳統(tǒng)游梁式抽油機(jī), 芬蘭瓦薩控制系統(tǒng)有限公司利用其高性能VACON變頻器開(kāi)發(fā)出專(zhuān)用軟件。芬蘭瓦薩控制系統(tǒng)有限公司（Vacon OYJ簡(jiǎn)稱(chēng)芬蘭瓦肯）位于芬蘭的工業(yè)城市-瓦薩，是一家專(zhuān)注于研發(fā)、生產(chǎn)、銷(xiāo)售VACON品牌變頻器的大型生產(chǎn)企業(yè)。擁有16,000平方米生產(chǎn)車(chē)間，4條自動(dòng)化生產(chǎn)線，每年產(chǎn)量達(dá)到120,000臺(tái)，產(chǎn)品功率覆蓋0.55kW~2200Kw。是世界上唯一的一家變頻器專(zhuān)業(yè)制造商。憑借雄厚的研發(fā)實(shí)力、豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、獨(dú)到的見(jiàn)解、世界級(jí)營(yíng)銷(xiāo)和服務(wù)網(wǎng)絡(luò)、優(yōu)質(zhì)可靠的變頻器產(chǎn)品，成為世界交流變頻傳動(dòng)領(lǐng)域尤其是低壓變頻器領(lǐng)域的主要領(lǐng)導(dǎo)者之一。
我單位針對(duì)傳統(tǒng)游梁式抽油機(jī)的特點(diǎn)和油田的實(shí)際應(yīng)用情況所設(shè)計(jì)的新型智能化電氣油田抽油機(jī)多功能控制柜。該控制柜采用Vacon可編程變頻器為核心，采用VACON變頻器開(kāi)發(fā)出的專(zhuān)用抽油機(jī)軟件，根據(jù)游梁式抽油機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和油田采油井的實(shí)際情況，自主開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的游梁式抽油機(jī)多功能控制柜。該控制柜可以適用于目前常見(jiàn)的游梁平衡、曲柄平衡和復(fù)合平衡的三種游梁式油田抽油機(jī)。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，當(dāng)輸入必須的抽油機(jī)參數(shù)后，控制器將對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行靜態(tài)建模；實(shí)際運(yùn)行時(shí)，控制器將根據(jù)抽油機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況，實(shí)時(shí)修改抽油機(jī)的數(shù)學(xué)模型，達(dá)到增產(chǎn)節(jié)能的目的。
2 游梁式抽油機(jī)的工作原理
當(dāng)游梁式抽油機(jī)工作時(shí)，驢頭懸點(diǎn)上作用的載荷是變化的。上沖程時(shí)，驢頭懸點(diǎn)需提起抽油桿柱和液柱，在抽油機(jī)未進(jìn)行平衡的條件下，電動(dòng)機(jī)就要付出很大的能量。在下沖程時(shí)，抽油機(jī)桿柱轉(zhuǎn)而對(duì)電動(dòng)機(jī)做功，使電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。抽油機(jī)未進(jìn)行平衡時(shí)，上、下沖程的載荷極度不均勻，這樣將嚴(yán)重地影響抽油機(jī)的四連桿機(jī)構(gòu)、減速箱和電動(dòng)機(jī)的效率和壽命，惡化抽油桿的工作條件，增加它的斷裂次數(shù)。為了消除這些缺點(diǎn)，一般在抽油機(jī)的游梁尾部或曲柄上或兩處都加上了平衡重，如圖1所示。這樣一來(lái)，在懸點(diǎn)下沖程時(shí)，要把平衡重從低處抬到高處，增加平衡重的位能。為了抬高平衡配重，除了依靠抽油桿柱下落所釋放的位能外，還要電動(dòng)機(jī)付出部分能量。在上沖程時(shí)，平衡重由高處下落，把下沖程時(shí)儲(chǔ)存的位能釋放出來(lái)，幫助電動(dòng)機(jī)提升抽油桿和液柱，減少了電動(dòng)機(jī)在上沖程時(shí)所需給出的能量。
目前使用較多的游梁式抽油機(jī)，都采用了加平衡配重的工作方式，因此在抽油機(jī)的一個(gè)工作循環(huán)中，有兩個(gè)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和兩個(gè)發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)平衡配重調(diào)節(jié)較好時(shí)，其發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的時(shí)間和產(chǎn)生的能量都較小。

3 抽油機(jī)控制器設(shè)計(jì)原理


VACON變頻器具有可編程功能，其編程工具Vacon NC1131-3 Engineering是一個(gè)符合IEC1131-3標(biāo)準(zhǔn)的圖形化的編程工具，它可以用來(lái)設(shè)計(jì)Vacon NX特殊的控制邏輯和參數(shù)。它包含了基本功能模塊和高級(jí)功能模塊，如各種濾波器，PI控制器和積分器。VACON NC1131-3可以創(chuàng)建參數(shù)，故障信息和其他與應(yīng)用相關(guān)的特性。在本系統(tǒng)中，如采用普通變頻器，為防止變頻器過(guò)壓報(bào)警，必須加制動(dòng)電阻，制動(dòng)電阻消耗能量，達(dá)不到系統(tǒng)節(jié)能要求，利用VACON變頻器具有可編程功能，利用抽油機(jī)工作時(shí)，驢頭懸點(diǎn)載荷是非線性變化的。設(shè)計(jì)變頻器應(yīng)用程序，根據(jù)電動(dòng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化情況，變頻器將實(shí)時(shí)計(jì)算抽油機(jī)此時(shí)應(yīng)該運(yùn)行的速度，實(shí)時(shí)計(jì)算上、下沖程的時(shí)間，使下沖程速度加快，而上沖程速度變慢，達(dá)到增產(chǎn)的目的，同時(shí)當(dāng)抽油機(jī)處于發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，變頻器將控制電機(jī)采用抽油機(jī)的慣性運(yùn)行，而不輸出任何的轉(zhuǎn)矩。采用這樣的計(jì)算方法后，抽油機(jī)工作所需的轉(zhuǎn)矩和電流將明顯減小，由于抽油機(jī)速度快時(shí)，其輸出的轉(zhuǎn)矩小，速度慢時(shí)，其輸出的轉(zhuǎn)矩也比工頻時(shí)小，達(dá)到節(jié)能的目的，同時(shí)也避免了控制器的過(guò)壓故障。
3.1 Vacon變頻器應(yīng)用程序設(shè)計(jì)
●電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)采用專(zhuān)用抽油機(jī)變頻起動(dòng)程序
根據(jù)抽油機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和電流較大的情況，采用了特殊的起動(dòng)和運(yùn)行方式，減小其起動(dòng)時(shí)的電流沖擊，并確保抽油機(jī)在任何位置都能很好地起動(dòng)。
●電動(dòng)機(jī)工作時(shí)實(shí)時(shí)計(jì)算修改上、下沖程速度，保持恒定抽油時(shí)間
由于每次采油量的不同，因而可能造成每次抽油機(jī)的運(yùn)行時(shí)間的長(zhǎng)短都不一致，所以在所設(shè)計(jì)的抽油機(jī)專(zhuān)用程序中，將實(shí)時(shí)計(jì)算上、下沖程的速度，保持恒定的抽油時(shí)間和速度。
平衡負(fù)載模式控制方式如圖2 ,此模式下，電動(dòng)機(jī)沒(méi)有很清晰的發(fā)電狀態(tài)。


根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)矩變化規(guī)律,控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，設(shè)計(jì)智能控制器,控制變頻器輸出頻率。控制器的輸入信號(hào)為與沖程次數(shù)對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，反饋信號(hào)為變頻器輸出轉(zhuǎn)矩、變頻器輸出頻率信號(hào)。
智能變頻器控制程序設(shè)計(jì)規(guī)則：如圖2
位置1為第一計(jì)數(shù)起始點(diǎn)。此參數(shù)定義為轉(zhuǎn)矩的百分?jǐn)?shù)，當(dāng)轉(zhuǎn)矩高于這一參考轉(zhuǎn)矩極限時(shí)允許計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)。
時(shí)間2 低參考值允許時(shí)間。轉(zhuǎn)矩必須高于位置1的時(shí)間。此時(shí)間采用低頻率參考值。
位置3 第一轉(zhuǎn)矩中間點(diǎn)。轉(zhuǎn)矩小于位置3且當(dāng)時(shí)間2到后采用高參考頻率值。
時(shí)間4 高參考值最小時(shí)間。給定高參考值后直到允許低參考值的最小時(shí)間。
時(shí)間5 高參考值最小循環(huán)時(shí)間。高參考值后直到再次為高參考值的最小時(shí)間。
位置6 第二計(jì)數(shù)起始點(diǎn)。此參數(shù)定義為轉(zhuǎn)矩的百分?jǐn)?shù)，當(dāng)轉(zhuǎn)矩高于低參考極限時(shí)允許計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)。
時(shí)間7 高參考頻率值允許時(shí)間。轉(zhuǎn)矩必須高于位置6的時(shí)間。此間采用高參考值。
位置8第二轉(zhuǎn)矩中間點(diǎn)。轉(zhuǎn)矩小于位置6且當(dāng)時(shí)間7到后采用低參考值。
3.2 實(shí)驗(yàn)調(diào)試結(jié)果分析
抽油機(jī)多功能控制柜在遼河油田洼3737井、海C9-17井投入實(shí)驗(yàn)運(yùn)行，控制柜運(yùn)行穩(wěn)定，節(jié)能效果顯著。變頻器運(yùn)行參數(shù)曲線如圖4所示。抽油機(jī)上沖程要慢,電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài), 圖中電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低,變頻器輸出頻率低, 電機(jī)轉(zhuǎn)矩為正,直流母線電壓低。抽油機(jī)下沖程要快,部分時(shí)間電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài), 圖中電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加,變頻器輸出頻率高, 處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)矩為負(fù),直流母線電壓很高。


系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)為節(jié)電率15%，增產(chǎn)率5%。系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)際數(shù)據(jù)如下表：達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。


4 結(jié)論
本系統(tǒng)充分利用了VACON變頻器具有可編程功能，實(shí)現(xiàn)了其它普通變頻器無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能。因此，本系統(tǒng)具備如下優(yōu)點(diǎn)：
1 人機(jī)界面友好，安裝方便，操作簡(jiǎn)單
控制柜上具有控制器的操作面板和各種操作運(yùn)行按鈕，操作方便。
控制器的顯示面板可以直接顯示變頻器的輸出電壓，輸出電流，輸出頻率，電機(jī)運(yùn)行消耗的能量，運(yùn)行時(shí)間，抽油次數(shù)等。變頻器的運(yùn)行參考可直接設(shè)置抽油機(jī)的抽油次數(shù)，改變傳統(tǒng)的設(shè)置電機(jī)運(yùn)行頻率的操作方式，具有良好的人機(jī)界面。
2 運(yùn)行安全，性能可靠
該控制柜內(nèi)沒(méi)有任何的PLC，而是基于變頻器的特殊控制程序進(jìn)行控制，并且具有工頻和變頻的操作的方式，且這兩種操作方式互鎖，并相互獨(dú)立，控制柜所采用的變頻器也具有寬廣的輸入電壓范圍，因此使控制器的運(yùn)行更安全，性能更加可靠。
3 高效節(jié)能，增產(chǎn)
控制器內(nèi)無(wú)任何的制動(dòng)電阻，當(dāng)抽油機(jī)處于發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，變頻器自動(dòng)提高電機(jī)的運(yùn)行速度，并儲(chǔ)存發(fā)電機(jī)狀態(tài)的能量，比傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式，減少了不必要的能量損失。
變頻器的控制程序是根據(jù)油田實(shí)際情況，特殊開(kāi)發(fā)的控制程序，它能自主判斷抽油機(jī)運(yùn)行的上下沖程，根據(jù)油井的實(shí)際情況，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)上下沖程的速度，達(dá)到實(shí)際抽油時(shí)，不更改每分鐘的抽油次數(shù)，但增加每次抽油時(shí)的采油量，提高抽油機(jī)的產(chǎn)量。


參考文獻(xiàn)：滿永奎、吳成東.《通用變頻器及其應(yīng)用》 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社 1996.
李永東.《交流電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)》 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社 2001.
作者簡(jiǎn)介：李巖(1966.7-)：男，遼寧省沈陽(yáng)市, 講師, 碩士, 漢族，1999年畢業(yè)于北京理工大學(xué)自動(dòng)控制系，在沈陽(yáng)工業(yè)學(xué)院從事教學(xué)工作，研究方向交流調(diào)速系統(tǒng)、單片機(jī)應(yīng)用。