油田變頻抽油控制系統(tǒng)中嵌入式的使用

摘要 為了提高勝利油田采油設(shè)備工作狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)綜合測試和控制水平，保證油井高產(chǎn)量、高效率生產(chǎn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理設(shè)備可能存在的隱患或發(fā)生的故障，并對盜油等行為進(jìn)行及時(shí)的監(jiān)測和制止，必須實(shí)施采油的自動監(jiān)控和管理。

關(guān)鍵詞 變頻嵌入式系統(tǒng)控制

一、背景介紹

在勝利油田采油設(shè)備中，以游梁式磕頭采油機(jī)應(yīng)用最為普遍，數(shù)量也最多。但傳統(tǒng)的磕頭機(jī)普遍存在著起動沖擊大，運(yùn)行耗電多，效率低下等諸多問題，加之油井情況復(fù)雜，斷桿、燒電機(jī)等現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，對電動機(jī)沒有可靠的保護(hù)功能，設(shè)備維修量大，急需對現(xiàn)有的采油機(jī)設(shè)備進(jìn)行改造。為此，我們利用泓格的I-7188EXD以及I-7000模塊對大沙莊的12臺采油設(shè)備采用了分布式變頻采油控制方式，其應(yīng)用效果十分明顯。

二、工作原理

（一）恒速采油的弊端和變頻采油的必要性

作為采油設(shè)備，其運(yùn)動為反復(fù)地上下提升，一個(gè)沖程提升一次，其動力來自于電動機(jī)帶動的兩個(gè)重量相當(dāng)大的鋼質(zhì)滑塊，當(dāng)滑塊提升時(shí)，類似于杠桿的作用，將采油機(jī)桿送入井中，滑塊下降時(shí)，采油桿提出帶油至井口，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速一定，在滑塊下降過程中，負(fù)荷減輕，電機(jī)拖動產(chǎn)生的能量勢必進(jìn)入再生發(fā)電狀態(tài)，造成主回路母線電壓升高，頻繁的高壓沖擊會損壞電機(jī)，對電動機(jī)沒有可靠的保護(hù)功能，一旦電機(jī)損害，造成生產(chǎn)效率降低、維護(hù)量加大，極不利于抽油設(shè)備的節(jié)能降耗，給企業(yè)帶來了較大的經(jīng)濟(jì)損失。

假如采用變頻調(diào)速技術(shù)，效果則完全不一樣：根據(jù)電機(jī)理論可知，其轉(zhuǎn)速公式為：n=60fx（1-s）/p其中：P-電動機(jī)的極對數(shù)；s-轉(zhuǎn)差率；f-供電電源的頻率；n-電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，可看出，電機(jī)轉(zhuǎn)速與頻率近似成正比，改變頻率即可以平滑地調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，而對于變頻器而言，其頻率的調(diào)節(jié)范圍是很寬的，可在0～400Hz之間任意調(diào)節(jié)，因此電機(jī)轉(zhuǎn)速即可以在較寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。同時(shí)變頻調(diào)速器具有低速軟啟動，轉(zhuǎn)速可以平滑地大范圍調(diào)節(jié)，對電動機(jī)保護(hù)功能齊全，如短路、過載、過壓、欠壓及失速等，可有效地保護(hù)電機(jī)及機(jī)械設(shè)備，保證設(shè)備在安全的電壓下工作，具有運(yùn)行平穩(wěn)、可靠，提高功效等諸多優(yōu)點(diǎn)，是采油設(shè)備改造的理想方案。在本系統(tǒng)中為防止采油滑塊提升時(shí)對其軸承及繞組的影響，防止電機(jī)過分磨損及過熱，最高頻率設(shè)在50Hz。

（二）系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)上述分析的變頻控制原理，控制系統(tǒng)必須有控制器以及相應(yīng)的控制模塊，由于抽油設(shè)備均在野外工作，基本上處于“無人看管”的工作狀態(tài)，采用工控機(jī)等之類的控制器顯然是不合理的，而泓格的嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制器I-7188EX具有PC的一切控制功能，只要將其安裝在防雨、防電等場合，便可工作，同時(shí)利于現(xiàn)場安裝，滿足設(shè)計(jì)要求。為此，圍繞I-7188EX控制器，必須有相應(yīng)的功能模塊與之配合才能完成控制任務(wù)，為此我們選用了I-7024模擬量輸出模塊，讓其輸出的模擬信號作為變頻器的輸入控制信號，I-7060作為相應(yīng)控制開關(guān)的控制模塊、I-7017實(shí)時(shí)采集輸油管路的流量。

由于下莊采油隊(duì)有12臺抽油機(jī)，為便于“集中管理、分布式控制”，在小隊(duì)的控制室安裝有一臺監(jiān)視控制計(jì)算機(jī)，主要用來管理I-7188EX，并且實(shí)時(shí)記錄流量、工作日志、設(shè)備運(yùn)行的健康狀態(tài)。由于小隊(duì)的控制室遠(yuǎn)離采油廠的采油統(tǒng)計(jì)中心，因此，巡視人員將定期攜帶移動式筆記本電腦通過HUB與控制計(jì)算機(jī)采用TCP/IP協(xié)議下載控制計(jì)算機(jī)的記錄參數(shù)，然后回采油統(tǒng)計(jì)中心將各個(gè)采油分隊(duì)的記錄參數(shù)匯總，統(tǒng)計(jì)，達(dá)到了對采油設(shè)備工作狀態(tài)參數(shù)的綜合測試以及管理的目的。架構(gòu)圖中，I-7188EX與I-7000模塊采用RS-485通信、I-7188EX與控制計(jì)算機(jī)采用TCP/IP通過HUB相連并通信。從而實(shí)現(xiàn)了分級控制、分級管理，利于維護(hù)、安裝、移動和拆卸。是一種比較的采油設(shè)備控制系統(tǒng)。

（三）采油變頻調(diào)節(jié)過程

變頻采油是當(dāng)滑塊下降過程時(shí)，經(jīng)I-7188EX邏輯判定，將控制信號通過I-7024送至變頻器，調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，讓滑塊根據(jù)井口真空度以及電機(jī)所帶負(fù)荷變速下降，當(dāng)采油滑塊提升時(shí)，為防止油錘現(xiàn)象的產(chǎn)生，采油泵的啟停將采用聯(lián)動方式，即三臺油泵共一個(gè)出口閥門。變頻聯(lián)動方式有變頻泵固定方式和變頻泵循環(huán)方式。變頻泵固定方式最多可以控制7臺泵，可選擇“先開先關(guān)”和“先開后關(guān)”兩種水泵關(guān)閉順序；變頻泵循環(huán)方式最多可以控制4臺泵，系統(tǒng)以“先開先關(guān)”的順序關(guān)泵。本系統(tǒng)采用變頻泵循環(huán)方式，這樣，將3口油井的采油泵采用變頻聯(lián)動方式采油，不僅降低了能耗，保護(hù)了電機(jī)，更為重要是使輸油管路的壓強(qiáng)恒定，流量恒速，利于計(jì)量與管理。

（四）效益分析

在開采前期，由于儲油量大，供液足，為提高功效，我們采用提高轉(zhuǎn)速的方式，讓變頻器運(yùn)行至65Hz，頻率提高了1/3，其綜合采油率可比工頻情況下多采油20%，工效提高了1.2倍，當(dāng)中期時(shí)我們讓變頻器運(yùn)行至50Hz，變頻器運(yùn)行在工頻情況，其采油量恢復(fù)正常狀態(tài)，由于采用多種控制技術(shù)，使采油量在短時(shí)間內(nèi)有較大幅度的提升，同時(shí)，維修量大幅度降低，利于設(shè)備的節(jié)能降耗，降低了采油工的勞動強(qiáng)度，提高了工作效率，并且控制系統(tǒng)可以重復(fù)使用，方便拆卸和安裝，系統(tǒng)的投入深受勝利油田采油廠的喜愛。

目前，油田在穩(wěn)產(chǎn)的同時(shí)，如何節(jié)能降耗，并對鉆井設(shè)備進(jìn)行科學(xué)管理，是目前石油采集單位需要解決的問題。