變頻控制技術(shù)在塔架式抽油機(jī)中的應(yīng)用

倫昌?！∫蠹t　趙建強(qiáng)

摘 要：本文借助工作中的實際應(yīng)用，從塔架式抽油機(jī)的研發(fā)背景出發(fā)，簡單介紹了其運行原理，說明了變頻控制技術(shù)在其中的主要作用，并且重點對工程實踐中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行了深入的分析，找到了產(chǎn)生問題的原因，并提出了針對性的改進(jìn)建議。文章從電氣控制的角度說明了塔架式抽油機(jī)優(yōu)點與局限性，對塔架式抽油機(jī)的改進(jìn)和發(fā)展具有較好的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：變頻控制技術(shù)；抽油機(jī)

1.塔架式抽油機(jī)的研發(fā)背景及簡介

近年來國內(nèi)油田開發(fā)后期，隨著井深的增加及高粘度稠油的開采，游梁式抽油機(jī)的泵效不斷降低。因此，采油工程對抽油機(jī)提出了大懸點力、長沖程、低沖次的新要求。

游梁式抽油機(jī)因受減速箱輸出扭矩和減速比的限制，既難以實現(xiàn)大懸點載荷，又難以實現(xiàn)低沖次運行。在此背景下，國內(nèi)廠家競相推出了各自研發(fā)設(shè)計的塔架式抽油機(jī)。該類型抽油機(jī)不但能滿足機(jī)械采油的各項要求，而且還彌補(bǔ)了傳統(tǒng)游梁式抽油機(jī)的不足。

塔架式抽油機(jī)分為基礎(chǔ)部分、塔架部分、傳動部分等三部分，其中傳動部分包括機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，機(jī)械系統(tǒng)主要由底座、塔架、上平臺、導(dǎo)向輪、導(dǎo)向臂、滾筒、平衡部件，與傳統(tǒng)游梁式抽油機(jī)相比，省略了曲柄四連桿換向機(jī)構(gòu)。

2.抽油機(jī)運行控制要求

在原油的機(jī)械開采過程中，根據(jù)地下抽油泵往復(fù)直線工作的特點，必須實現(xiàn)光桿的上下運行，才能實現(xiàn)地下油液的抽汲。這也是一切有桿采油機(jī)械設(shè)計的基本要求。

常規(guī)游梁式抽油機(jī)利用曲柄連桿機(jī)構(gòu)，將驅(qū)動裝置的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為游梁的往復(fù)運動，進(jìn)而帶動光桿上下直線運行。在這個過程中，所有的傳動機(jī)構(gòu)均為剛性連接，設(shè)備的機(jī)械效率低，驅(qū)動設(shè)備的能耗大，而且由于抽油機(jī)運行過程中負(fù)荷波動劇烈，對驅(qū)動電機(jī)有較大的沖擊，時間久了直接導(dǎo)致電機(jī)損壞。

3.塔架式抽油機(jī)的工作原理

塔架式抽油機(jī)的光桿側(cè)與配重側(cè)采用鋼絲繩柔性連接，構(gòu)成一個天平結(jié)構(gòu)的平衡系統(tǒng)。在光桿下行時，將勢能儲存起來，上行時釋放出來，平衡精度可達(dá)96%以上，無功損耗大幅降低。

塔架式抽油機(jī)電氣控制的核心要求是實現(xiàn)智能換向控制，電氣控制系統(tǒng)主要包括矢量型通用變頻器、PLC控制器、接近傳感器等，所用電氣設(shè)備技術(shù)成熟，性能可靠，適應(yīng)性強(qiáng)。

當(dāng)抽油機(jī)運行時，安裝在傳動部件上的接近傳感器，檢測到上下沖程的位置信號，并將信號傳送至PLC控制器，PLC控制器收到信號，根據(jù)程序判斷，然后給變頻器發(fā)出正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)信號，變頻器根據(jù)程序指令驅(qū)動電動機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。

4.變頻控制的特點

4.1操作簡便，維護(hù)量小

日常生產(chǎn)中，塔架式抽油機(jī)可以根據(jù)油井工況，隨時對沖程、沖次進(jìn)行調(diào)整，方便快捷，省時省力。通過變頻控制柜中控制面板調(diào)整輸出頻率，進(jìn)而調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)沖次調(diào)整。通過控制柜中參數(shù)調(diào)整部分，直接設(shè)定沖程距離，實現(xiàn)沖程調(diào)整。

4.2軟啟動，恒轉(zhuǎn)矩，低能耗

變頻控制的軟啟動、恒轉(zhuǎn)矩特性，可以有效地解決抽油機(jī)電機(jī)在驅(qū)動大慣量負(fù)載換向時的電流沖擊問題。換向過程平穩(wěn)，慣性載荷小，大大提高設(shè)備整體的穩(wěn)定性。而且電動機(jī)在運行過程中，工作電壓隨著載荷的變化而變化，有效降低了無功損耗。

4.3長沖程，低沖次

塔架式抽油機(jī)采用變頻控制后，沖次可以實現(xiàn)無級調(diào)節(jié)，最大設(shè)計沖程可達(dá)6米，最小沖次為0.5次/分鐘，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常規(guī)游梁抽油機(jī)的范圍，適合于低滲透、高粘度的油田工況，有利于提高采收率。

4.4易于實現(xiàn)設(shè)備的自動化控制

采用變頻控制后，塔架式抽油機(jī)的電氣自動化程度較游梁式抽油機(jī)有了很大提高，可以實現(xiàn)失電制動、限位保護(hù)、遠(yuǎn)距離遙控等功能，提高了工作效率，降低勞動強(qiáng)度。

5.塔架式抽油機(jī)變頻控制的局限性

5.1現(xiàn)象及危害

作為抽油機(jī)自身來說，在實際應(yīng)用中有具體的沖程和沖次要求。當(dāng)抽油機(jī)沖程足夠長而且不變的時候，沖次的變化實際上就是電機(jī)轉(zhuǎn)速快慢的變化，反應(yīng)到變頻器中就是頻率的高低變化。以試驗中的塔架式抽油機(jī)為例，該機(jī)設(shè)計沖程為3米，懸點載荷為6T。通過粗略測試，其頻率與沖程時間的對應(yīng)關(guān)系如下表。

通過表1的數(shù)據(jù)我們可以看出，隨著變頻器運行頻率的提高，完成每個沖程所需的時間會越來越短。

試驗中我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)變頻器頻率超過20Hz時，抽油機(jī)運行到?jīng)_程末端，電機(jī)并不是根據(jù)程序要求，執(zhí)行換向動作，而是繼續(xù)保持同向運轉(zhuǎn)一段時間后，才執(zhí)行換向旋轉(zhuǎn)。而且，不同的頻率時持續(xù)時間和出現(xiàn)頻率也不相同，當(dāng)變頻器運行頻率越高時，該問題發(fā)生的頻率也越大，換向前的遲滯時間也越長。在低頻率運行時，該現(xiàn)象并不發(fā)生。

如過不能找出該現(xiàn)象的根本原因，進(jìn)行有針對性地解決，將直接影響抽油機(jī)的可靠運行。如果配重箱升到最高點后，傳動裝置將直接被卡死，電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)或皮帶打滑，影響電機(jī)或皮帶使用壽命。如果是懸繩器上升到最高點后，如果不被卡死，有可能會繼續(xù)上升，導(dǎo)致鋼絲繩脫離導(dǎo)向輪，抽油桿墜落，造成停井事故發(fā)生。在實際應(yīng)用中，塔架式抽油機(jī)通常都帶有限位保護(hù)，雖然可以避免以上兩種情況，卻會導(dǎo)致頻繁停機(jī)。

5.2原因分析

變頻器作為一種交流調(diào)速裝置，在大負(fù)載時具有優(yōu)良的啟動和調(diào)速性能。當(dāng)驅(qū)動的電動機(jī)滿載運行時，變頻器需要設(shè)置合適的啟動時間、加速時間和減速時間，當(dāng)進(jìn)行換向控制時，也需要設(shè)置合適的正反轉(zhuǎn)死區(qū)時間。在控制系統(tǒng)中，變頻器的運行參數(shù)設(shè)置如下。

通過試驗，我們發(fā)現(xiàn)除了“停止時直流制動時間”一項參數(shù)，在停機(jī)時有效外，抽油機(jī)能否正常運轉(zhuǎn)與另外四項參數(shù)的設(shè)置是否得當(dāng)密切相關(guān)，而且與抽油機(jī)每沖的運行時間之間必須滿足以下關(guān)系。

2（T啟+T加+T減+ T死）≤T

其中，N為沖次；

T啟為啟動時間；T加為加速時間；T減為減速時間；T制為制動時間；

在表2中，T啟+T加+T減+ T死為14s，一個完整的行程中，變頻器正常運行最低需要28s。當(dāng)抽油機(jī)的一個沖程時間大于28s時，變頻器可以正常運行；反之，變頻器正常運行的時間不足，將會導(dǎo)致抽油機(jī)換向延遲現(xiàn)象的發(fā)生。為了驗證我們的判斷，我們在高于20Hz的頻率中隨意選擇了幾個點來測試，結(jié)果每次都會發(fā)生該現(xiàn)象。

在變頻控制換向的塔架式抽油機(jī)中，變頻器的啟停運行時間與抽油機(jī)的沖程時間密切相關(guān)。在沖程、沖次一定的情況下，加減速時間越長，變頻器啟動與運行越平穩(wěn)，但是越容易超出設(shè)定沖次的時間，導(dǎo)致在換向點不換向的現(xiàn)象發(fā)生；當(dāng)沖程時間過短或沖次過高，變頻器時間量的設(shè)置范圍也會縮小，如果在設(shè)定范圍內(nèi)達(dá)不到正常運行的時間要求，就會造成變頻器頻繁的過載報警。這直接決定了塔架式抽油機(jī)無法在短沖程、高沖次下運行。

5.3解決措施

要解決這個問題可以從兩方面考慮，一是對變頻器進(jìn)行增容，提高其過載的能力；二是選用高輸出扭矩的電動機(jī)，提高啟動性能，縮短加速時間。

變頻器增容后，過載能力有較大提高，對啟動與加速時間有了更低的要求，但是卻形成“大馬拉小車”的現(xiàn)象，不僅提高配套成本，還造成設(shè)備浪費。而且不能從根本上解決問題。

選用高輸出扭矩的電機(jī)，特別是低速扭矩大、響應(yīng)快、短時加速性能好的電機(jī)，是解決該問題的重要途徑。

6.結(jié)論及認(rèn)識

（1）變頻控制技術(shù)在塔架式抽油機(jī)中的應(yīng)用，本質(zhì)是利用變頻器進(jìn)行換向控制的應(yīng)用。

（2）在塔架式抽油機(jī)中，變頻技術(shù)可以完全滿足控制要求，而且操作簡單，易于實現(xiàn)機(jī)電連鎖保護(hù)。

（3）變頻器在驅(qū)動大慣量負(fù)載進(jìn)行頻繁換向控制時，必須根據(jù)工藝要求對時間參數(shù)、頻率參數(shù)、電機(jī)參數(shù)和控制方式參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置，否則變頻器將無法可靠運行。

（4）塔架式抽油機(jī)只適用于長沖程、低沖次的油井，這一特點也限制該類型抽油機(jī)應(yīng)用范圍，制約著其全面推廣，使其無法從根本上替代傳統(tǒng)游梁式抽油機(jī)。

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