基于變頻技術(shù)的新型抽油機(jī)控制系統(tǒng)

魏輝 河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校

目前我國油田開采普遍采用的是游梁式抽油機(jī)，但這種抽油機(jī)將逐步被淘汰。基于抽油機(jī)的控制方式，采用PLC和變頻控制器相結(jié)合的原理，制造出了高效率、操作靈活、可靠性能高以及具有良好抗干擾能力的新型抽油井，其在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到最佳工作狀態(tài)，為原油開采提供保障。

游梁式抽油機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)所負(fù)載的功率比較大，一般為工作狀態(tài)的3~4倍，為了確保抽油機(jī)能夠在正常狀態(tài)下工作，抽油機(jī)所負(fù)載的功率和變壓器的容量幾乎都已經(jīng)達(dá)到了最大值。就目前情況看，確實(shí)能夠在有效的時(shí)間內(nèi)使抽油機(jī)達(dá)到所需的工作電壓，但是工作效率以及正常運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)都有明顯的降低[1]。其主要原因在于抽油機(jī)本身電容量比較大，在實(shí)際應(yīng)用中，用到工作中的電流只占到電容量的30%左右，電機(jī)功率以及正常運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)的降低，使得對電網(wǎng)傳輸功率不斷增加，導(dǎo)致電流在傳輸線路上的損耗也逐漸上升，對傳輸電流的質(zhì)量也會有不同程度的影響。歸根到底，傳統(tǒng)抽油機(jī)實(shí)際上是一個(gè)高耗能裝置。

1 變頻控制抽油機(jī)的提出

各個(gè)油田在采油設(shè)備上都使用了游梁式抽油機(jī)，但是此設(shè)備的功耗大，負(fù)載效率低，且相應(yīng)的安全系數(shù)也已經(jīng)到了最低限度。原油每天的開采量隨著工業(yè)不斷的發(fā)展而不斷增加，設(shè)備的普及量也與日俱增，如何才能保證設(shè)備高效節(jié)能的工作，成為石油企業(yè)生產(chǎn)研究的熱點(diǎn)。

電源部分節(jié)能主要是從變壓器為設(shè)備提供的電壓、電流開始，即動力系統(tǒng)來源的首端，并且要注重傳輸線路的損耗以及到終端用戶之間的損耗[2]。

對于抽油機(jī)改造，石油企業(yè)重點(diǎn)推出使用變頻控制器等控制設(shè)備的方案，此方案的推出有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：①對于設(shè)備的功率因數(shù)的提高具有至關(guān)重要的作用；②能夠自動控制電路中電壓的起伏變化情況，根據(jù)抽油速度的不同，對電機(jī)功率因數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)；③根據(jù)流體的不同，變換氣缸內(nèi)的活塞壓縮空氣的頻率；④降低了設(shè)備的損耗程度，延長了設(shè)備的使用年限，提高了抽油機(jī)的工作效率。

2 抽油機(jī)的改造過程

原油在地表深處開采出來后，通過石油管道運(yùn)輸過程中，需要對原油進(jìn)行壓縮，一般的壓縮鋼瓶難以承受原油氣高強(qiáng)度的壓力，為此采用了液化配置器。該裝置可以根于不同濃度的原油進(jìn)行配比壓縮，最后縮化到鋼瓶內(nèi)。整個(gè)裝置中最關(guān)鍵的部分就是變頻控制器的選用，以對主體設(shè)備起到一個(gè)自動控制功能，即當(dāng)有不同頻段的信號經(jīng)過時(shí)，對信號的波形進(jìn)行調(diào)節(jié)[3]。

變頻控制器對電壓、電流的調(diào)節(jié)過程，始終貫徹節(jié)能環(huán)保的思想。變頻控制的抽油機(jī)在原油抽取過程中，會根據(jù)抽取原油的不同流速，來調(diào)節(jié)電流電壓的分配情況。當(dāng)進(jìn)行大量的原油開采時(shí)，變頻控制器會把工作電壓調(diào)節(jié)到抽油機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)效率最高時(shí)的電壓，使其電壓能夠得到充分利用。當(dāng)在采油過程中有相對“量”的變化時(shí)，會根據(jù)原油的流速來調(diào)節(jié)設(shè)備工作的運(yùn)行功率，進(jìn)而對電機(jī)的驅(qū)動快慢程度做進(jìn)一步的調(diào)節(jié)。

3 改造后變頻抽油機(jī)的運(yùn)行

改造后的變頻抽油機(jī)應(yīng)用到正常的原油開采工作中，在抽油機(jī)上升和下降階段需要有不同程度的變速層次[4-5]。抽油機(jī)在提升到達(dá)地面以后，還要再次進(jìn)行地下深層的抽油動作，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)程序中，加裝了4個(gè)變頻開關(guān)，即P1001、P1002、P1003、P1004，圖1為經(jīng)過改造后的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)原理圖。

圖1 改造后的抽油機(jī)結(jié)構(gòu)

其中P1001和P1002為提升高低速運(yùn)轉(zhuǎn)開關(guān)，P1003、P1004為軸桿轉(zhuǎn)向開關(guān)。抽油機(jī)在抽取原油上升過程中，起始為低速上升階段，但是每隔2 s便會有1m/s的加速階段，在提升過程中接近P1001變頻開關(guān)時(shí)，始終保持抽油機(jī)在加速階段，直到加速到P1002開關(guān)的位置處，便會停止加速，保持勻速階段上行，直到到達(dá)地表把抽到的原油運(yùn)至固定的壓縮鋼瓶內(nèi)，此操作過程為提升階段。在此運(yùn)行流程中沒有任何故障性的失誤，簡化了操作工序的流程。

通過對抽油機(jī)上變頻控制器的改造，使得該設(shè)備與傳統(tǒng)設(shè)備相比較在功耗上有了明顯的減少，并且在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中設(shè)備的安全系數(shù)也提高了很多。

[1]陳普華，梁少梅．變頻器在抽油機(jī)上應(yīng)用的若干問題探討[J]．電氣傳動自動化，2005，26（12）；14-18.

[2]王林，王新云，楊衛(wèi)平，等．BJK節(jié)能控制裝置在油田機(jī)械采油中的應(yīng)用[J]．油氣田地面工程，2002，21（3）：23-25.

[3]劉復(fù)玉，張智芳，孫洪濤．智能抽油機(jī)節(jié)能控制器的研制[J]．山東理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2003（4）：101-103.

[4]周封，胡洋，孫志剛．抽油機(jī)節(jié)能方法與變頻技術(shù)合理應(yīng)用研究[J]．節(jié)能技術(shù)，2010（3）：218-221.

[5]孫偉．輸油泵機(jī)組高壓變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)[J]．油氣田地面工程，2009，28（7）：51-52.