柔性調(diào)速系統(tǒng)在提高抽油機井系統(tǒng)效率中的應(yīng)用

李舉林 徐偉偉 王曉東 趙華 顧永強

（1.勝利油田分公司孤東采油廠；2.勝利油田分公司技術(shù)檢測中心）

機械采油系統(tǒng)的能耗已經(jīng)成為影響采油成本的主要因素之一。有效降低機采系統(tǒng)的耗電量，提高系統(tǒng)效率，對于實現(xiàn)節(jié)能降耗和提高油田開發(fā)的綜合經(jīng)濟效益具有重要的現(xiàn)實意義。

隨著科技的發(fā)展，永磁傳動技術(shù)到目前已經(jīng)形成了多種多樣的傳動形式。永磁傳動器是一種常見的永磁傳動結(jié)構(gòu)（圖1），主要由導(dǎo)體轉(zhuǎn)子、永磁轉(zhuǎn)子二部分組成。導(dǎo)體轉(zhuǎn)子固定在電動機軸上，永磁轉(zhuǎn)子固定在負載轉(zhuǎn)軸上，導(dǎo)體轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子之間有間隙（稱為氣隙），通過氣隙傳遞扭矩。電動機和負載由原來的硬（機械）鏈接轉(zhuǎn)變?yōu)檐洠ù牛╂溄?。其工作原理是一端稀有金屬氧化物永磁體和另一端感應(yīng)磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。磁感應(yīng)是通過磁體和導(dǎo)體之間的相對運動產(chǎn)生的，因此永磁傳動器的輸出轉(zhuǎn)速始終都比輸入轉(zhuǎn)速小，轉(zhuǎn)速差稱為滑差。一般情況下，在電動機滿轉(zhuǎn)時，永磁傳動器的滑差在1%～4%之間[1]。

圖1 永磁傳動器的系統(tǒng)構(gòu)成

永磁傳動具有帶緩沖的軟啟動功能和過載保護功能，不僅可以減少電動機的沖擊電流，延長設(shè)備使用壽命，也能提高整個電動機驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性。同時，永磁傳動器體積小、安裝方便，可調(diào)節(jié)氣隙改變轉(zhuǎn)速，具有明顯的節(jié)能效果。在永磁傳動技術(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)計一套抽油機柔性調(diào)速系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對抽油機井的柔性調(diào)速控制，提高原油生產(chǎn)效率，降低能耗。

1 抽油機柔性調(diào)速系統(tǒng)總體方案

抽油機柔性調(diào)速系統(tǒng)主要由單片機控制單元、檢測傳感器、永磁傳動器、抽油機拖動電動機等組成。系統(tǒng)的主要設(shè)計任務(wù)是利用各類檢測傳感器采集抽油機每個沖程的載荷、位移變化等示功圖信息以及電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等工作參數(shù)，對抽油機的各種工況（包括非正常停機、空抽、過載等故障）進行實時診斷，并將各種信息通過通訊模塊傳送到控制單元，由控制單元根據(jù)相關(guān)算法向永磁傳動器發(fā)出控制信號，對抽油機的沖速按照工況要求進行調(diào)整[2]。

抽油機運行控制功能：

1）實現(xiàn)電動機的正常啟動，或者空抽停機后的自動啟動。啟動時，多速電動機將由最低轉(zhuǎn)速繞組啟動，并持續(xù)維持運行，之后根據(jù)實時監(jiān)測分析結(jié)果確定實際運行轉(zhuǎn)速。

2）電動機運行后，實時檢測系統(tǒng)將定時檢測抽油機的各項運行參數(shù)，主要包括三相電壓、電流、功率、功率因數(shù)等參數(shù)，根據(jù)監(jiān)測分析結(jié)果，電動機將有四種不同的運行：

◇供液充足。在這種工況下，控制系統(tǒng)將自動切換電動機至最高轉(zhuǎn)速運行，提高產(chǎn)液量；

◇輕度缺液。當監(jiān)測診斷系統(tǒng)判斷為輕度缺液時，電動機將自動切換至中速運行，使泵的充滿系數(shù)維持在一個合理的水平；

◇重度缺液。當監(jiān)測診斷系統(tǒng)判斷為重度缺液時，電動機將自動切換至最低轉(zhuǎn)速運行，此時可以最大程度地提高泵充滿系數(shù)，減少“大馬拉小車”現(xiàn)象帶來的額外損耗，達到提高系統(tǒng)效率與節(jié)約電能的目的；

◇空抽控制。當檢測診斷系統(tǒng)判斷工況為空抽時，控制系統(tǒng)將控制抽油機停機，這樣將減少電能不必要的浪費。在停機期間，監(jiān)控系統(tǒng)會持續(xù)監(jiān)測動液面，電源電壓等參數(shù)，如果動液面回復(fù)到正常水平，且電源電壓無異常，控制系統(tǒng)將自動控制抽油機啟動，實現(xiàn)抽油機的智能空抽控制。

3）在正常運行時，控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)電動機運行參數(shù)的實時顯示與相應(yīng)的保護功能。

2 信號采集系統(tǒng)

2.1 電參數(shù)采集系統(tǒng)

抽油機井電參數(shù)采集系統(tǒng)主要有電壓傳感器、電流傳感器、信號調(diào)理電路、AD 采集、微處理器等構(gòu)成，見圖2。無線通信模塊主要用于下行通信（終端和示功儀進行通信），GPRS/CDMA 模塊主要是用于上行通信（終端和主站之間的通信），紅外通信主要用于現(xiàn)場維護，在現(xiàn)場和手持設(shè)備進行通信，RS485 通信主要用于和現(xiàn)場具有485 接口的設(shè)備通信（一般為485 電表），加上無線示功儀就構(gòu)成了整體的抽油機井監(jiān)測終端。

圖2 抽油機井電采集系統(tǒng)原理

2.2 示功圖采集系統(tǒng)

無線示功儀的電路見圖3，其工作原理是：采集抽油機懸點的位移和同步載荷等信息，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后由短距離無線數(shù)據(jù)通信信道傳送到抽油機井電參數(shù)采集監(jiān)控終端。

圖3 示功儀采集系統(tǒng)原理

3 抽油機井驅(qū)動電動機的選擇

在油田抽油機井用電動機的選擇使用上，根據(jù)設(shè)計要求主要滿足以下幾個方面：

1）啟動轉(zhuǎn)矩要大，能夠滿足抽油機的啟動要求；

2）電動機機械特性要“軟”。這樣對于整個機采系統(tǒng)來說，能夠最大限度地減輕由于慣性載荷、沖擊載荷帶來的損耗，提升系統(tǒng)效率；

3）抽油機啟動后進入正常運行階段，電動機負載率要高，避免“大馬拉小車”現(xiàn)象；

4）電動機應(yīng)具備調(diào)速能力，能夠滿足不同開發(fā)階段調(diào)參的需求。

永磁傳動器擁有比較“軟”的特性，可以緩沖慣性載荷，實現(xiàn)超高轉(zhuǎn)差電動機的功能，而多速電動機不僅可以滿足抽油機啟動轉(zhuǎn)矩的要求，同時在正常運行時可以切換為小功率繞組運行，減輕“大馬拉小車”問題，而且能夠?qū)崿F(xiàn)有級調(diào)速，因此選用了YD 系列變級多速三相異步電動機與永磁傳動器共同構(gòu)成抽油機的驅(qū)動裝置。

YD 系列變級多速三相異步電動機主回路接線及不同接線端子對應(yīng)轉(zhuǎn)速見圖4、圖5。

圖4 多速電動機主回路接線圖

圖5 不同接線端子對應(yīng)轉(zhuǎn)速

4 柔性調(diào)速系統(tǒng)硬件

由于抽油機現(xiàn)場工作環(huán)境比較惡劣，因此在控制系統(tǒng)的設(shè)計上應(yīng)該以經(jīng)濟性、可靠性為主要原則，根據(jù)控制系統(tǒng)各項功能要求，控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)見圖6，主要由單片機、LED 顯示、觸摸鍵盤、電源監(jiān)控、故障報警、存儲電路等部分組成。

圖6 柔性調(diào)速硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)的單片機控制器選用XXXXX 型號，由給定控制信號經(jīng)I/O 接口傳給單片機，單片機接到信號后由內(nèi)部程序分析判斷處理，給出油井驅(qū)動裝置動作策略。檢測電路將經(jīng)過各種檢測傳感器檢測到的信號通過通訊器傳送到控制單元，通過A/D 處理后將各種信息傳送到LED 顯示屏或無線傳輸至相應(yīng)終端，使操作人員可以及時看到抽油機柔性調(diào)速系統(tǒng)的運行狀況。

5 柔性調(diào)速系統(tǒng)軟件

抽油機柔性調(diào)速控制系統(tǒng)應(yīng)同時具備通用性、可靠性、即時性和控制軟件靈活可行的要求。為滿足控制軟件靈活可行的要求，軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計方案，使程序思路清晰、辨識性強。軟件設(shè)計主要由單片機控制系統(tǒng)軟件設(shè)計和系統(tǒng)監(jiān)控軟件設(shè)計兩部分組成。

5.1 單片機控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

單片機控制系統(tǒng)主要用于串口的通信、控制計算、A/D 轉(zhuǎn)換、檢測傳感器的信號采集及故障監(jiān)控等，其軟件功能主要有系統(tǒng)自檢、初始化、顯示模塊、鍵盤掃描及處理模塊、智能判斷及調(diào)整模塊、控制及報警模塊、系統(tǒng)復(fù)位處理模塊等，操作流程見圖7。

圖7 單片機控制系統(tǒng)操作流程

5.2 系統(tǒng)監(jiān)控軟件

系統(tǒng)監(jiān)控軟件用于電動機運行狀態(tài)、抽油機各種工況的顯示及控制等。抽油機柔性調(diào)速系統(tǒng)監(jiān)控軟件由以下幾個基本模塊組成：系統(tǒng)監(jiān)控模塊、示功圖顯示模塊、參數(shù)設(shè)定模塊和故障報警模塊。

系統(tǒng)監(jiān)控模塊顯示抽油機采油相關(guān)的基本信息，包括抽油機沖程、沖速、產(chǎn)液量、電參數(shù)等。示功圖顯示模塊顯示抽油機懸點載荷與位移之間的關(guān)系，界面上可以顯示最大和最小載荷、光桿功率等信息。參數(shù)設(shè)定模塊用于改變變極電動機的極數(shù)以改變輸出轉(zhuǎn)速，它可以通過自動和手動兩種模式進行設(shè)置。故障報警模塊用于在抽油機工作過程中遇到的各種故障，以及電動機啟動出現(xiàn)故障時進行預(yù)警提示，包括報警時間、故障類型、事故狀況等。

6 現(xiàn)場試驗分析

通過對樣機多次試驗，驗證其達到設(shè)計指標要求后，進入成型產(chǎn)品試驗階段。選取10 口油井進行試驗，以進一步驗證柔性調(diào)速系統(tǒng)的節(jié)電效果。

表1 試驗井數(shù)據(jù)測試

在勝利油田分公司東勝公司選取10 口抽油機井安裝抽油機柔性調(diào)速系統(tǒng)，改造后抽油機平均裝機容量從27.75 kW 降低至20.40 kW，降低了26.48%；有功功率從4.79 kW 降為4.46 kW，減少了0.33 kW；平均系統(tǒng)效率從16.08%提高到21.87%，提高了5.79%；平均有功節(jié)電率為14.24%，測試數(shù)據(jù)見表1。

經(jīng)過現(xiàn)場實踐證明，該柔性調(diào)速系統(tǒng)具有良好的通用性、可靠性和即時性，能夠為油田企業(yè)的有桿抽油機系統(tǒng)節(jié)約大量的能源，同時可以大大延長設(shè)備的使用壽命，創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟效益，具有良好的推廣應(yīng)用價值和發(fā)展前景。

在夕陽中熠熠生輝的LNG 儲罐

[1]鄔亦炯,劉卓鈞,趙貴祥,等.抽油機[M].北京:石油工業(yè)出版社,1994:136-138.

[2]魏興旺.基于PLC 控制技術(shù)的抽油機變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計[J].中國科技信息,2010(18):159-160.