功率隨動(dòng)數(shù)控拖動(dòng)裝置應(yīng)用與評(píng)價(jià)

李立強(qiáng)（大慶油田有限責(zé)任公司第七采油廠）

功率隨動(dòng)數(shù)控拖動(dòng)裝置應(yīng)用與評(píng)價(jià)

李立強(qiáng)（大慶油田有限責(zé)任公司第七采油廠）

功率隨動(dòng)數(shù)控拖動(dòng)裝置應(yīng)用在游梁式抽油機(jī)上，能夠達(dá)到較好的節(jié)能和改善深井泵工作狀態(tài)的目的，但應(yīng)用過(guò)程中仍然存在一定的問(wèn)題。結(jié)合該裝置的技術(shù)特點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況，針對(duì)裝置的運(yùn)行特性、應(yīng)用效果進(jìn)行了詳細(xì)的分析，為變頻控制技術(shù)在油田上的進(jìn)一步推廣提供參考。

功率隨動(dòng)節(jié)電示功圖泵況

引言

功率隨動(dòng)數(shù)控拖動(dòng)裝置屬于一種變頻控制技術(shù)，應(yīng)用于常規(guī)游梁式抽油機(jī)上。該裝置[1]主要由多功能中央控制器（MCU）、電動(dòng)機(jī)隨動(dòng)驅(qū)動(dòng)器和傳感器3部分組成。多功能中央控制器是將計(jì)算機(jī)的CPU、RAM、ROM、定時(shí)計(jì)數(shù)器和多種I/O接口集成在一起而形成的芯片級(jí)計(jì)算機(jī)。主要具有對(duì)抽油機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的數(shù)據(jù)狀態(tài)采集、分析、優(yōu)化以及指令的下達(dá)等功能。電動(dòng)機(jī)隨動(dòng)驅(qū)動(dòng)器具有變頻功能，它是根據(jù)MCU下達(dá)的指令，自動(dòng)調(diào)整輸出給電動(dòng)機(jī)的頻率，達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)速度的目的。

傳感器由電動(dòng)機(jī)軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳感器和下死點(diǎn)位置傳感器組成。電動(dòng)機(jī)軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳感器（圖1）用于對(duì)電動(dòng)機(jī)軸的角位移和角速度等狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳送給計(jì)算功能單元，導(dǎo)出抽油機(jī)曲柄與光桿的位置坐標(biāo)；下死點(diǎn)位置傳感器（圖2）用于監(jiān)測(cè)抽油機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的每一沖程周期內(nèi)的起始信號(hào)。

圖1 電動(dòng)機(jī)軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳感器

圖2 下死點(diǎn)位置傳感器

1 設(shè)計(jì)思路

為了保證對(duì)電動(dòng)機(jī)輸出功率和輸出扭矩的實(shí)時(shí)跟蹤調(diào)整，功率隨動(dòng)數(shù)控拖動(dòng)裝置是根據(jù)抽油機(jī)負(fù)荷變化的周期性特點(diǎn)，對(duì)抽油機(jī)上一沖程周期內(nèi)電動(dòng)機(jī)的輸出功率和輸出扭矩的分布情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將監(jiān)測(cè)結(jié)果作為抽油機(jī)下一沖程周期的預(yù)期性參考值；并根據(jù)參考值制定出抽油機(jī)下一沖程周期內(nèi)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化曲線。由于抽油機(jī)井在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中可能出現(xiàn)負(fù)荷突變的情況，此時(shí)，如果嚴(yán)格按照參考值執(zhí)行，并不符合抽油機(jī)下一沖程周期內(nèi)的實(shí)際工況需求。因此，預(yù)設(shè)的電動(dòng)機(jī)速度不能是強(qiáng)制性的，必須在一定范圍內(nèi)具有自動(dòng)調(diào)整的能力。同時(shí)，考慮到抽油機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，由于曲柄的旋轉(zhuǎn)速度決定著懸點(diǎn)的直線運(yùn)動(dòng)速度，懸點(diǎn)直線運(yùn)動(dòng)速度的變化，又直接決定桿柱的強(qiáng)度負(fù)荷與疲勞負(fù)荷，以及井下抽油泵的綜合運(yùn)行效果。因此，通過(guò)逆向推導(dǎo)，可以導(dǎo)出懸點(diǎn)直線運(yùn)動(dòng)速度的分布需求，進(jìn)而導(dǎo)出電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制的邊界條件和優(yōu)化方向[2]。

該技術(shù)能夠通過(guò)優(yōu)化調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的低轉(zhuǎn)速高功率、高轉(zhuǎn)速低功率運(yùn)行，從而降低電動(dòng)機(jī)的輸出功率峰值和波動(dòng)范圍，使電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行軌跡和抽油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)更加合理，最終達(dá)到降低抽油機(jī)井舉升能耗，改善深井泵工作狀態(tài)，提高抽油機(jī)井系統(tǒng)效率的目的。

2 應(yīng)用效果

2011年，在大慶油田第七采油廠敖包塔及敖南區(qū)塊現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用50口井，型號(hào)均為15 kW，平均單井日產(chǎn)液2.9 t，日產(chǎn)油1.8 t，綜合含水36.0%，沉沒(méi)度219.3 m。

2.1能耗效果分析

跟蹤對(duì)比電參數(shù)31口井，平均單井有功功率下降0.808 kW，有功節(jié)電率20.84%，日節(jié)電19.397 kWh；無(wú)功功率下降14.762 kvar，無(wú)功節(jié)電率87.01%，綜合節(jié)電率28.52%；功率因數(shù)由0.229提高到0.810，負(fù)功由0.404 kW降為0（表1）。

表1 電參數(shù)效果對(duì)比

測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)1#井多次測(cè)試均為費(fèi)電狀態(tài)，平均有功功率上升0.87 kW，日費(fèi)電20.86 kWh（表2）。

表2 1#井電參數(shù)測(cè)試情況對(duì)比

圖3為該井常態(tài)（上圖）和（下圖）節(jié)態(tài)下，測(cè)試一個(gè)沖程周期內(nèi)的功率變化曲線。該井常態(tài)下，電動(dòng)機(jī)在上沖程即將結(jié)束時(shí)出現(xiàn)負(fù)功狀態(tài)，此時(shí)抽油機(jī)平衡塊帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)；節(jié)態(tài)下，電動(dòng)機(jī)的負(fù)功狀態(tài)消除，功率隨動(dòng)數(shù)控拖動(dòng)裝置已起到一定的作用。但是該井的功率變化曲線波動(dòng)不大，基本上成一條直線，說(shuō)明該井電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速相比，提高幅度過(guò)大，沒(méi)有很好地利用平衡塊的慣性作用，使電動(dòng)機(jī)始終處于做功狀態(tài)，從而導(dǎo)致該井節(jié)態(tài)下出現(xiàn)費(fèi)電現(xiàn)象。

圖3 1#井常態(tài)和節(jié)態(tài)下功率變化曲線對(duì)比

2.2功況效果分析

以2#井為例：該井常態(tài)下，理論排量為6.6 t/d，日產(chǎn)液3.11 t，泵效47%；節(jié)態(tài)下，理論排量為5.85 t/d，日產(chǎn)液2.4 t，泵效41%。節(jié)態(tài)下，示功圖的形狀雖然趨于飽滿，但是該井的理論排量、日產(chǎn)液和泵效等參數(shù)，與常態(tài)下相比均有不同程度的下降（圖4）。

以3#井為例：該井常態(tài)下，理論排量為29.3 t/d，日產(chǎn)液3.11 t，泵效11%；節(jié)態(tài)下，理論排量為25.9 t/d，日產(chǎn)液2.4 t，泵效9%。節(jié)態(tài)下，該井的理論排量、日產(chǎn)液和泵效等參數(shù)與常態(tài)下相比均有不同程度的下降，如圖5所示，下沖程時(shí)桿柱的振動(dòng)幅度有所增大。

將測(cè)試的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和示功圖圖形進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，功率隨動(dòng)數(shù)控拖動(dòng)裝置應(yīng)用后，雖然可以通過(guò)改變抽油機(jī)在一個(gè)沖程周期內(nèi)的上下行程的速度，對(duì)井下工況有所改變，但是并不是所有井都達(dá)到了預(yù)期的效果，深井泵的效率也有降低的情況。筆者認(rèn)為，可能是由于功率隨動(dòng)數(shù)控拖動(dòng)裝置安裝時(shí)，利用安裝前測(cè)試的生產(chǎn)數(shù)據(jù)而設(shè)定的運(yùn)行參數(shù)不能夠完全符合井況的變化規(guī)律；同時(shí)部分井存在泵漏失、氣影響等問(wèn)題，導(dǎo)致抽油機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中達(dá)不到功率隨動(dòng)數(shù)控拖動(dòng)裝置的理想運(yùn)行條件，使得部分井的泵況反而變差。

圖4 2#井常態(tài)和節(jié)態(tài)下測(cè)試示功圖

圖5 3#井常態(tài)和節(jié)態(tài)下測(cè)試示功圖

3 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

從技術(shù)特點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析情況看，功率隨動(dòng)數(shù)控拖動(dòng)裝置是一種高性能變頻調(diào)速系統(tǒng)，能夠自動(dòng)匹配電動(dòng)機(jī)的輸出功率大小，降低電動(dòng)機(jī)的功率損耗，消除電動(dòng)機(jī)的負(fù)功狀態(tài)；同時(shí)通過(guò)改變抽油機(jī)一個(gè)沖程周期內(nèi)上、下行程的運(yùn)行速度，來(lái)改變深井泵的工作狀態(tài)。但是現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中，功率隨動(dòng)數(shù)控拖動(dòng)裝置安裝后和需要調(diào)參時(shí)，必須在控制器內(nèi)輸入油井的生產(chǎn)參數(shù)，并對(duì)控制器的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，這樣才能保證設(shè)備的運(yùn)行效果。

[1]汝友林.抽油機(jī)井恒功率控制柔性運(yùn)行技術(shù)應(yīng)用效果分析[J].石油石化節(jié)能,2013(12):7-10.

[2]孫曉麗.功率隨動(dòng)數(shù)控拖動(dòng)裝置的應(yīng)用效果分析[J].石油石化節(jié)能,2012(11):15-18.

10.3969/j.issn.2095-1493.2014.010.011

2014-04-24）

李立強(qiáng)，2011年畢業(yè)于東北石油大學(xué)，從事采油工程技術(shù)研究與管理工作，E-mail：esponsibility@sina.com，地址：黑龍江省大慶市大同區(qū)第七采油廠工程技術(shù)大隊(duì)，163517。