基于變頻器的電潛泵智能系統(tǒng)及其控制方法

王傳鴻

（四機(jī)賽瓦石油鉆采設(shè)備有限公司，湖北 荊州 434000）

0 引言

電潛泵是1種在井下工作的多級(jí)離心泵，它與油管一同被放到油氣井液面以下。地面控制系統(tǒng)通過(guò)控制單元、升壓變壓器和動(dòng)力電纜啟動(dòng)電潛泵電機(jī)，使其帶動(dòng)多級(jí)離心泵旋轉(zhuǎn)，將油氣井中的井液舉升至地面。

電潛泵作為1種井下大排量、高揚(yáng)程的井液舉升設(shè)備，它能廣泛應(yīng)用于油井采油、氣井排水采氣等工況；特別是在排水采氣時(shí)，變頻電潛泵可以不受井深和井斜的限制，由于排量可調(diào)，因此它可以用于作業(yè)的全生命周期，適合在高氣液比、高揚(yáng)程的工況中應(yīng)用，且有一定的處理固體顆粒的能力，能解決絕大多數(shù)的井下問(wèn)題，因此得到了廣泛應(yīng)用。

電潛泵最初采用定頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由于存在啟動(dòng)電流大、不節(jié)能以及壽命短等缺陷，因此逐步改為變頻控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有啟動(dòng)電流小、泵排量連續(xù)可調(diào)、可以避免電機(jī)頻繁啟停、節(jié)能以及可以延長(zhǎng)電潛泵壽命等優(yōu)點(diǎn)。電潛泵工作深度較大、電纜較長(zhǎng)且電壓壓降較大，采用變頻系統(tǒng)后，可以自動(dòng)穩(wěn)定電機(jī)電壓，保證電機(jī)處于正常的工作狀態(tài)下，從而減少機(jī)組異常停機(jī)的次數(shù)。

電潛泵智能系統(tǒng)能夠?qū)﹄姖摫迷趩?dòng)過(guò)程和生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的異常情況進(jìn)行監(jiān)控和自動(dòng)處理，例如固體顆?；蛘叱恋砦锒氯姖摫?，造成電潛泵啟動(dòng)困難或過(guò)載，增加了電能消耗；由于含氣量過(guò)高導(dǎo)致電潛泵抽吸不到井液；因系統(tǒng)工作不穩(wěn)定而產(chǎn)生氣鎖現(xiàn)象，從而導(dǎo)致電機(jī)溫度異常升高等[1]；這時(shí)需要控制系統(tǒng)能自動(dòng)針對(duì)異常情況進(jìn)行反應(yīng)和處理，如果遇到無(wú)法自動(dòng)處理的復(fù)雜工況，系統(tǒng)還能夠提供遠(yuǎn)程專家會(huì)診。

1 電潛泵智能系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

電潛泵智能控制系統(tǒng)由信號(hào)采集單元、電機(jī)控制單元、智能控制單元和云服務(wù)器單元組成，系統(tǒng)框架如圖1所示?？刂葡到y(tǒng)實(shí)時(shí)采集井底泵組傳感器的信息，通過(guò)對(duì)比實(shí)際值和理論值之間的偏差，對(duì)變頻器進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，調(diào)整井下電潛泵的工作狀態(tài)，消除實(shí)際值與理論值之間的偏差，維持電潛泵的正常運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。由于該系統(tǒng)是實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，并對(duì)變頻器進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，因此大幅提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度，為電潛泵智能控制提供了有力的保障。

圖1 電潛泵智能控制系統(tǒng)

信號(hào)采集單元包括地面?zhèn)鞲衅鹘M和井下傳感器模塊。地面?zhèn)鞲衅鹘M可以對(duì)電潛泵的輸送管道參數(shù)和控制柜環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集，包括油壓、套壓、氣量、液量以及環(huán)境溫濕度等信號(hào)，它們直接接入控制柜內(nèi)的可編程控制器[2]。井下傳感器模塊實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)以直流脈沖的形式通過(guò)動(dòng)力電纜和電抗器傳送給變頻器控制柜內(nèi)的信號(hào)解碼器，經(jīng)過(guò)解碼后，變頻器控制柜內(nèi)的可編程控制器可以實(shí)時(shí)采集井下傳感器的數(shù)據(jù)，井下傳感器數(shù)據(jù)包括泵入口壓力、泵出口壓力、井下溫度、電機(jī)溫度以及震動(dòng)加速度等。

電機(jī)控制單元包括變頻器、正弦波濾波器、升壓變壓器以及電潛泵電機(jī)等。由于變頻器會(huì)輸出高頻諧波電流，且輸出的是PWM波，因此會(huì)增加升壓變壓器、動(dòng)力電纜以及電潛泵電機(jī)的損耗，還會(huì)引起發(fā)熱并破壞絕緣；變頻器控制柜內(nèi)的變頻器輸出側(cè)接有正弦波濾波器，可以將變頻器輸出的PWM波轉(zhuǎn)換成正弦波，使用正弦波濾波器可以保護(hù)絕緣，延長(zhǎng)變壓器、電纜和電機(jī)的壽命，減小電機(jī)軸承電流，增加傳輸距離，從而提高了系統(tǒng)的可靠性[3]。

智能控制單元包括可編程控制器、變頻器、信號(hào)解碼器、人機(jī)界面以及輔助電氣元件?？删幊炭刂破骶幊虒?shí)現(xiàn)了電潛泵的控制邏輯，用戶通過(guò)人機(jī)界面發(fā)布控制指令，實(shí)現(xiàn)電潛泵的啟停、調(diào)速、控制功能與參數(shù)設(shè)置?？删幊炭刂破鞲鶕?jù)采集變頻器、地面?zhèn)鞲衅鹘M和井下傳感器實(shí)時(shí)反饋的數(shù)據(jù)來(lái)判斷電潛泵當(dāng)前的作業(yè)狀態(tài)，并根據(jù)實(shí)際需求調(diào)用可編程控制器內(nèi)部對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)智能控制程序塊或者生產(chǎn)智能控制程序塊控制電潛泵作業(yè)，從而應(yīng)對(duì)電潛泵不同階段的使用工況，進(jìn)而保證電潛泵處在正常工作的狀態(tài)，同時(shí)還能降低電潛泵的能耗，延長(zhǎng)它的使用壽命。

云服務(wù)器單元由物聯(lián)網(wǎng)關(guān)、云服務(wù)器以及上位機(jī)程序組成。物聯(lián)網(wǎng)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)本地控制系統(tǒng)與云服務(wù)器之間的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信，云服務(wù)器用于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與存儲(chǔ)，并向上位機(jī)程序提供網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)接口。用戶可以通過(guò)上位機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控與專家支持。

變頻器控制柜主要包括變頻器、正弦波濾波器和控制系統(tǒng)等部分，如圖2所示。

圖2 變頻器控制柜結(jié)構(gòu)圖

控制柜控制系統(tǒng)主要由可編程控制器、人機(jī)界面、信號(hào)解碼器、物聯(lián)網(wǎng)關(guān)及其他電氣元件組成?？删幊炭刂破鬟€連接了濕度傳感器和除濕加熱器，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)變頻器控制柜內(nèi)的濕度，當(dāng)濕度超過(guò)限制后，就可以自動(dòng)啟動(dòng)除濕加熱器，避免對(duì)柜內(nèi)電控元件產(chǎn)生不利影響?？刂乒襁€設(shè)有防雷保護(hù)器，防雷保護(hù)器和變頻器采用電性連接，從而防止雷擊的過(guò)電壓對(duì)變頻器以及控制系統(tǒng)造成損害，示意圖如圖3所示。

圖3 變頻器控制柜控制系統(tǒng)

2 智能系統(tǒng)控制方法

在電潛泵的啟動(dòng)和生產(chǎn)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)因?yàn)榫律a(chǎn)環(huán)境發(fā)生變化，造成啟動(dòng)困難、砂堵和氣鎖等異常情況，智能系統(tǒng)能根據(jù)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)調(diào)用對(duì)應(yīng)的智能控制單元對(duì)上述情況進(jìn)行處理。

2.1 啟動(dòng)智能控制

由于在電潛泵的啟動(dòng)過(guò)程中，固體顆?；蛘叱恋砦锟赡軙?huì)堵塞電潛泵，造成電潛泵啟動(dòng)困難，因此系統(tǒng)會(huì)根據(jù)變頻器和傳感器反饋的數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)用不同的子程序處理單元，協(xié)助電潛泵正常啟動(dòng)；自動(dòng)提高啟動(dòng)轉(zhuǎn)速子程序，當(dāng)交流升壓變壓器將低電壓向中電壓轉(zhuǎn)換時(shí)，提高啟動(dòng)轉(zhuǎn)速有利于提高功率傳輸?shù)男?，防止啟?dòng)時(shí)出現(xiàn)升壓變壓器飽和的現(xiàn)象；系統(tǒng)可以自動(dòng)提高啟動(dòng)轉(zhuǎn)速，其主要設(shè)定的參數(shù)為初始調(diào)制頻率，該頻率以電潛泵的運(yùn)行頻率為基準(zhǔn)。

該子程序的參數(shù)包括啟動(dòng)轉(zhuǎn)速、輔助啟動(dòng)轉(zhuǎn)速、保持時(shí)間間隔以及輔助啟動(dòng)電流等。

如圖4所示，電潛泵以低轉(zhuǎn)速啟動(dòng)后，在保持時(shí)間間隔內(nèi)按照設(shè)定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，再自動(dòng)將轉(zhuǎn)速調(diào)整至輔助啟動(dòng)轉(zhuǎn)速上限，完成電潛泵的正常啟動(dòng)流程。在保持時(shí)間間隔內(nèi)，變頻器還可以按照系統(tǒng)輔助設(shè)定對(duì)輸給電機(jī)的電流進(jìn)行控制。

電流脈沖啟動(dòng)，當(dāng)正常啟動(dòng)流程運(yùn)行結(jié)束且電潛泵沒有達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速時(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)輸出一系列高電流脈沖，幫助電潛泵完成加速，直至達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速。電流脈沖啟動(dòng)參數(shù)包括啟動(dòng)電流占電潛泵額定電流的比例、脈沖個(gè)數(shù)、脈沖持續(xù)時(shí)長(zhǎng)和循環(huán)執(zhí)行次數(shù)；震蕩啟動(dòng)參數(shù)包括振蕩次數(shù)、反轉(zhuǎn)頻率、反轉(zhuǎn)時(shí)長(zhǎng)、正轉(zhuǎn)頻率、正轉(zhuǎn)時(shí)長(zhǎng)和正反轉(zhuǎn)間隔時(shí)長(zhǎng)。電流脈沖啟動(dòng)工作的原理如圖5所示。

在使用過(guò)程中，可以通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖的幅度與頻率來(lái)調(diào)整脈沖啟動(dòng)的推力。在脈沖啟動(dòng)流程完成后，如果仍然不能達(dá)到正常的轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)就會(huì)再次調(diào)用自動(dòng)提高啟動(dòng)轉(zhuǎn)速子程序，從而完成電潛泵的正常啟動(dòng)。

2.2 生產(chǎn)智能控制

生產(chǎn)過(guò)程中的電潛泵還會(huì)存在能耗大、溫度高的問(wèn)題，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)變頻器和傳感器反饋的數(shù)據(jù)，自動(dòng)調(diào)用不同的子程序處理單元協(xié)助電潛泵正常工作，因此設(shè)計(jì)了電潛泵生產(chǎn)智能控制程序，該程序包括能耗優(yōu)化子程序、過(guò)載或欠載保護(hù)子程序和回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)子程序，生產(chǎn)智能控制程序構(gòu)架圖如圖6所示。

圖4 自動(dòng)提高啟動(dòng)轉(zhuǎn)速子程序原理圖

圖5 脈沖啟動(dòng)子程序原理圖

圖6 電潛泵生產(chǎn)智能控制程序

生產(chǎn)智能控制程序主要由能耗優(yōu)化、過(guò)載/欠載保護(hù)和回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)3個(gè)功能模塊組成。

2.2.1 能耗優(yōu)化

能耗優(yōu)化模塊可以在負(fù)載發(fā)生快速變化時(shí)及時(shí)對(duì)電潛泵的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行干預(yù)，并根據(jù)實(shí)際負(fù)載自動(dòng)調(diào)整變頻器異步電機(jī)矢量控制模型的磁通給定控制器，通過(guò)修改控制器磁通絕對(duì)值來(lái)改變電潛泵的磁通參數(shù)，優(yōu)化電潛泵的電流，從而減少電能消耗，降低電潛泵的工作溫度，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命[4]；由控制程序生成的電機(jī)估值電流能給變頻電機(jī)提供穩(wěn)定可靠的實(shí)時(shí)機(jī)械負(fù)載指示。

2.2.2 過(guò)載或欠載保護(hù)

通過(guò)設(shè)定負(fù)載曲線，可編程控制器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電潛的工作頻率，判斷系統(tǒng)的負(fù)載狀態(tài)。當(dāng)運(yùn)行中出現(xiàn)過(guò)載或欠載的狀態(tài)時(shí)，變頻器會(huì)按照用戶設(shè)定的處理方式（不做處理、警告、警告并停機(jī)、故障跳閘以及智能處理）來(lái)進(jìn)行后續(xù)處理，使系統(tǒng)盡快脫離過(guò)載或欠載的狀態(tài)，該功能可以有效保護(hù)設(shè)備的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，使設(shè)備在安全與生產(chǎn)效率之間達(dá)到平衡。

負(fù)載監(jiān)控在一定的電機(jī)轉(zhuǎn)速或頻率范圍內(nèi)是有效的。標(biāo)量電機(jī)對(duì)應(yīng)的是頻率范圍，其他類型的電機(jī)對(duì)應(yīng)的是轉(zhuǎn)速范圍，該范圍的設(shè)定包括5組參數(shù)（欠載載荷、過(guò)載載荷），其設(shè)定值都為正值。

2.2.3 回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)

在生產(chǎn)停止或者中斷時(shí)，可編程控制器啟用回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)，只有當(dāng)回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為0或者低于安全值時(shí)，電潛泵才能重新啟動(dòng)。

回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)功能可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，防止由于液柱異?；亓髟斐呻姖摫卯惓７崔D(zhuǎn)。在該功能運(yùn)行時(shí)，電機(jī)必須處于停機(jī)狀態(tài)?；剞D(zhuǎn)轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)能有效防止因意外重啟而產(chǎn)生的葉輪附著，并且減少了下次重啟的時(shí)間，從而提高了生產(chǎn)效率。

3 云服務(wù)器單元

電潛泵智能控制系統(tǒng)還通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)、4G天線、服務(wù)器和上位機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)電潛泵的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。操作人員通過(guò)上位機(jī)程序訪問(wèn)云服務(wù)器，可以遠(yuǎn)程監(jiān)控電潛泵的運(yùn)行狀態(tài)與運(yùn)行參數(shù)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)行指導(dǎo)，從而保證現(xiàn)場(chǎng)端設(shè)備的穩(wěn)定正常運(yùn)行。在確?，F(xiàn)場(chǎng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信條件穩(wěn)定、實(shí)時(shí)的條件下，可以實(shí)現(xiàn)電潛泵遠(yuǎn)程智能控制與無(wú)人值守，極大地降低了人工成本。

4 結(jié)語(yǔ)

該文以變頻器、可編程控制器為電氣主體，完成了對(duì)各單元模塊的設(shè)計(jì)，并對(duì)單元模塊的組成及功能進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。該智能系統(tǒng)有效地解決了電潛泵在生產(chǎn)過(guò)程中遇到的主要異常工況，降低了設(shè)備運(yùn)行能耗，為操作人員提供了更具智能化的操作方式，具備較好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)應(yīng)用前景。