立式節(jié)能抽油機的智能控制系統(tǒng)

徐春明

（武漢科技大學(xué)機械自動化學(xué)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(chǎn)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(xiàn)實。因而，電費在我國的石油開采成本中占了相當(dāng)大的比例，所以，石油行業(yè)十分重視節(jié)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?cè)萘吭? 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(jié)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(shè)備，總耗電量超過油田總用電量的80%，可見，石油行業(yè)是推廣“電機系統(tǒng)節(jié)能”的重點行業(yè)［1］。

抽油機節(jié)能包括節(jié)能型抽油機和抽油機節(jié)能電控裝置的研制與推廣兩個方面，對該兩大技術(shù)的研究方興未艾，本研究主要側(cè)重于抽油機自適應(yīng)變頻調(diào)速和自動進行故障診斷的智能電控系統(tǒng)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(tǒng)抽油設(shè)備游梁式抽油機（其典型結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)，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(diào)整困難，不能實現(xiàn)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(diào)整困難，從而限制產(chǎn)油率；

（4）對于游梁的材料性能要求高，從而提高了整臺設(shè)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(jié)約能源的角度對于游梁式抽油機的機械結(jié)構(gòu)做出很多的改進，例如調(diào)整平衡配重、增加雙驢頭結(jié)構(gòu)等方式，但仍然不能從根本上解決上述缺陷。

立式節(jié)能抽油機結(jié)構(gòu)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(xiàn)則必需有配套的節(jié)能智能控制系統(tǒng)。

本研究主要針對立式抽油機的運行控制而設(shè)，該控制系統(tǒng)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(zhuǎn)頻率，實時計算抽油機的應(yīng)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(xiàn)電動機的無級調(diào)速控制，并做到運行轉(zhuǎn)矩的適配。該立式抽油機智能控制系統(tǒng)將實現(xiàn)的特點如下：

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

圖2 立式抽油機

（2）動態(tài)調(diào)節(jié)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(xiàn)泵的充滿度不足、泵效下降的情況。當(dāng)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(diào)速技術(shù)降低電機轉(zhuǎn)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(chǎn)量。

（3）動態(tài)調(diào)節(jié)抽油機上、下行程速度。采用自適應(yīng)智能化變頻調(diào)速技術(shù)，除了可以動態(tài)改變抽油機的沖程頻次之外，還可以根據(jù)實際需要分別調(diào)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(tài)，在每一沖程中，適當(dāng)降低下行程的速度，可以提高原油在泵內(nèi)的充滿度，而適當(dāng)提高上行程的速度，則可以減少在提升中的漏失系數(shù)，有效提高單位時間內(nèi)原油的產(chǎn)量，同時通過動態(tài)調(diào)速，也可以節(jié)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?qū)嵭凶詣娱g抽。在智能控制系統(tǒng)中，采用檢測電動機的功率來實現(xiàn)抽油機的閉環(huán)自動控制。

（5）該控制系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)接口模塊，所以可以將該系統(tǒng)與工控網(wǎng)或inter網(wǎng)接口以實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控［3-4］；

（6）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)運行平穩(wěn)不會出現(xiàn)較大的沖擊振動，對整個機械系統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)材料的性能要求低；

（7）由于系統(tǒng)運行平穩(wěn)，可以極大地提高減速器的無故障運行時間。

2 控制系統(tǒng)的性能評價

評價異步電動機的起動性能，重要的指標(biāo)是起動電流和起動轉(zhuǎn)矩的大小，對這兩項指標(biāo)的要求是：起動轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子導(dǎo)體切割磁力線速度很大，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢增大，轉(zhuǎn)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(wǎng)電壓降低，影響鄰近負(fù)載的工作。異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩［5］為：

由異步電動機的電磁轉(zhuǎn)公式可知：接通電源時起動電流大，起動轉(zhuǎn)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(guī)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(zhuǎn)速基本穩(wěn)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(dāng)電源頻率、極數(shù)為恒定值時，同步轉(zhuǎn)速恒定，所以電磁轉(zhuǎn)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(guī)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(zhuǎn)矩，所采用的電動機遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(tài)，造成資源浪費。抽油機工作情況的連續(xù)變化取決于地下的狀態(tài)，若始終處于工頻運行，也會造成電能浪費。

該自適應(yīng)智能控制系統(tǒng)核心技術(shù)是三相交流電機的變頻調(diào)速技術(shù)。當(dāng)電源的頻率改變時同步轉(zhuǎn)速與頻率成正比變化，電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也隨之而變，改變電源頻率可以平滑的調(diào)節(jié)異步電動機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)無級調(diào)速。又根據(jù)式（1），當(dāng)同步轉(zhuǎn)速很小時，很小的轉(zhuǎn)子電流也可以輸出大的電磁轉(zhuǎn)矩，所以異步電動機有著極良好的起動性能，實現(xiàn)異步電動機的功率適配，提高了能源的利用率。變頻技術(shù)的應(yīng)用不僅能夠通過調(diào)頻來降低電動機轉(zhuǎn)速進而達到降低有功功率的目的，使普通電動機達到調(diào)速電動機的功效，而且由于電流減?。ㄒ驗楦鶕?jù)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(xiàn)場應(yīng)用問題［7］。

立式抽油機的電氣控制結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。該電氣控制系統(tǒng)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(shù)如表1和表2所示。

圖3 立式抽油機的電氣控制結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)速度的變化，同時PLC輸出0或10 V的觸發(fā)脈沖給變頻器以控制電動機的正、反轉(zhuǎn)［10］。變頻器相應(yīng)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(zhuǎn)所采取的制動方式為發(fā)電反饋制動。當(dāng)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(fā)電）狀態(tài)，由于通用變頻器的變流部一般均為不可控整流，其產(chǎn)生的能量不能回饋給電網(wǎng)，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(chǎn)生和轉(zhuǎn)矩方向與電動轉(zhuǎn)矩相反，起的是制動作用，這個狀態(tài)又叫再生制動狀態(tài)，這個電阻就叫制動電阻。該控制系統(tǒng)的制動電阻采用的是西門子4BD22-2EA0型15 Ω的電阻。該機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在變頻器停止供電后，系統(tǒng)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(tǒng)的實現(xiàn)

該系統(tǒng)為按配重的位置與給定值偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，無論是干擾的作用，還是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化，只要配重經(jīng)過接近開關(guān)控制系統(tǒng)參數(shù)自動初始化，達到消除累計誤差的目的［11］。其控制系統(tǒng)運行流程圖如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)運行流程圖

當(dāng)系統(tǒng)上電以后，通過TD200中文版文本顯示器設(shè)置最大沖程量、沖次、行程速度等參數(shù)；先假定感應(yīng)磁鐵在接近開關(guān)的上方，按上行啟動按鈕，PLC向變頻器輸送0~10 V速度觸發(fā)電壓，同時送正轉(zhuǎn)觸發(fā)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(guān)的采樣脈沖信號，則開始對旋轉(zhuǎn)編碼器輸入的脈沖數(shù)進行計數(shù)；當(dāng)計數(shù)值等于設(shè)定值時，速度觸發(fā)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(tài)，直到電機停止轉(zhuǎn)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(fā)電壓，同時送反轉(zhuǎn)觸發(fā)電壓10 V，抽油桿下行；若采樣到渦流式直流三線接近開關(guān)的采樣脈沖信號，則開始對旋轉(zhuǎn)編碼器輸入的脈沖數(shù)進行計數(shù)；當(dāng)計數(shù)值等于設(shè)定值時，速度觸發(fā)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(tài)，直到電機停止轉(zhuǎn)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(fù)荷傳感器始終向PLC傳送負(fù)荷信號，考慮到油井的粘度大小不同，經(jīng)轉(zhuǎn)換可通過TD200顯示當(dāng)前的抽油量。

另外，在圖2中，接近開關(guān)裝在離上行位開關(guān)比較近的位置。旋轉(zhuǎn)編碼器檢測的行程越長，誤差越大，而該控制系統(tǒng)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(guān)如此安裝。

4 結(jié)束語

本研究的實際意義主要是在石油行業(yè)推廣“電機系統(tǒng)節(jié)能”智能裝置的使用，以現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展為基礎(chǔ)，立式抽油機從很多方面都體現(xiàn)了高效、節(jié)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(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的配套模塊，從而可以方便地建立起工業(yè)以太網(wǎng)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(tǒng)所采用的變頻裝置為通用變頻器，該產(chǎn)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(xiàn)，才能更好地體現(xiàn)立式抽油機的優(yōu)越性能，也才能最終代替游梁式抽油機。

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