变频调速在油田抽油机控制系统中的应用
时间：2022-06-02 11:42:01 浏览次数：次
过程控制等技术设计了一种高效节能的新型抽油机。介绍了以PLC、变频器为核心组成的变频调速在抽油机控制系统中的应用。阐述了该抽油系统的节能原理、硬件、软件设计及其优点，通过室内模拟试验，证明了基于PLC控制的变频调速应用在抽油机控制系统中，有着优越的技术性能及其显著的经济效益,且具有很好的推广应用价值和进一步的研究价值。
关键词：抽油机；可编程控制器；变频调速；控制系统
中图分类号：TP202 文献标识码：B
文章编号：1004-373X(2008)11-123-04
Application of Frequency Conversion Adjusting Speed in the Controlling
System of Pumping Unit in Oil Field
SU Xianlong,LI Shan,MIAO Liangliang,SU Yingying
(Chongqing Institute of Technology,Chongqing,400050,China)
Abstract：Due to the shortcomings of low efficiency,high cost and complex adjusting parameters of rod pumping units at present,it makes full use of drive control technology and processing control technology to design of a new energy-saving and high-efficiency new oil-drawing machine.Introducing one kind of frequency converter and PLC for the core constitute of frequency conversion adjusting speed is applied in control system of pumping units.The economy energy principle,hardware,software of that system design and advantage of system are discussed,through an indoor imitative tests,the results prove to the control system based on PLC as controlled and frequency conversion adjusting speed is used as driver own technique function of superiority with remarkable economic benefits,it has good expansion application value and further research value.
Keywords：pumping units;programmable logic controller;frequency conversion adjusting speed;control system
1 引 言
石油化工行业是国民经济发展的基础行业，同时也是耗能大户。目前，我国石油化工行业中抽油机的保有量在10万台以上，电动机装机总容量在3 500 MW，每年耗电量逾百亿kWh。抽油机的运行效率特别低，在我国平均效率为25.96％，而国外平均水平为30.05％，年节能潜力可达几十亿kWh。游梁式抽油机作为我国油田中抽油机的主要形式，约占抽油机总数的90%左右，耗电量约占油田总用电量的40%左右，仅次于油田注水的用电量。更为严重的是随着“我国石油工业的发展”游梁式抽油机(CYJ)暴露出越来越多的弊端:能耗较大、效率低、冲程冲次无法满足现场随机多变的工况要求等。
本文是在综合分析目前抽油机的控制系统及其使用状况的基础上，更为了便于方便控制，提出了基于PLC和变频调速为主要技术手段，对油田抽油机控制系统进行的设计，是一种运行效率非常高的创新方案，是自动控制组合理论的具体应用。其中以PLC控制的变频调速为核心组成的控制系统具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本等诸多特点。而且在对传统抽油机进行部分改
造后，实现以最简单的组合，达到最佳效果的目的。本方案通过室内模拟试验后，证明该设计有严格的运动协调和能量协调关系。
2 游梁式抽油机存在的一些问题
国内外使用的抽油机主要类型有游梁式抽油机、宽带式抽油机、链条式抽油机等，其中游梁式抽油机应用最为普遍，其自身又分为常规型游梁式抽油机和异相型游梁式抽油机两种主要形式。图1是曲柄平衡常规型游梁式抽油机结构图，目前，正在使用的游梁式抽油机是有杆抽油设备系统的地面装置，其基本功能是：为井下抽油泵提供运动和动力，实现从一定的井深处抽出一定数量的原油。常规型游梁式抽油机特点是结构简单、制造容易、维修方便，特别是它可以常年累月全天候在野外工作，使用可靠，故障率低，结实耐用。
但是游梁式抽油机在静止状态启动载荷很大，是正常运行时载荷的5～6倍，甚至更高，为了使抽油机可靠地启动，抽油机几乎无一例外地采用了较大功率驱动电机和大容量变压器。这虽然解决了启动问题，但电机正常运行时工作在轻载状态，使其效率和功率因数明显下降，而且配用变压器的容量也不得不相应提高。变压器及电机较低的负载率导致电网传输无功负荷过大，网损增加，电网容量得不到充分利用，供电质量受到影响，归纳起来传统抽油机的主要缺点是耗能[1-2]。
图1 常规曲柄平衡抽油机
以盘锦油田机械采油系统为例，其平均装机容量在47 kW左右，而实际运行时平均功率为9.38 kW左右，只占装机容量的20％，电机负载率极低约为16％。电力消耗约占原油生产成本的20％～30％，机械采油系统高配置，低效率的现状，造成了电力能源和设备资源的浪费。
3 改造后的新型变频调速式抽油机
3.1 变频调速式抽油机的提出
由于游梁式抽油机应用十分广泛，其效率低、能耗大的问题也日趋突出，引起人们越来越多的关注和重视。针对抽油机数量的不断增加，如何实现抽油机的平衡效果，实现节能，提高经济效益的节能型抽油机成为了研究热点。
抽油机的节能研究可从供电电源开始到最终接受能量的井底流体为止的整条传输路线着手，即机械部分和电气部分。电气部分主要是电动机和相应的控制电路研究。大启动力矩电动机和变频调速以及提高那些负载过小电动机的功率因素的装量成为了研究的关键对象。
同时，石油行业是推广“电机系统节能”的重点行业。抽油机节能，其首选方案是采用变频器对其电机拖动系统进行改造，抽油机改用变频器拖动后有以下几个好处：大大提高了功率因数；动态调整抽取速度；动态调节抽油机的冲程频次；实现了真正的“软起动”，延长了设备的使用寿命，减少了停产时间，提高了生产效率。
综合分析了各种游梁式抽油机的特点和结构的基础上，利用机构创新的基本理论，综合现有抽油机的抽油方式特点，剖析它们内在的规律，提出了抽油机的调频变速。为解决游梁式抽油机能耗大、效率低，尤其是在下冲程时抽油杆柱依靠自重下落，能量出现倒流而使电动机处于发电机运行状态的问题提供了一种新的途径。
3.2 抽油机设备的改造
在对传统油田抽油机设备改造后，本文设计了抽油机地面以上的部分，简易工艺如图2所示。
图2 简易工艺实物模拟图
在上述装置中，控制柜内主要安装器件有三相电源接头、LG系列PLC、高仕达金星变频器等。
该抽油机设备的设计完全摒弃了传统抽油机那种磕头笨重的缺点,而是以简单的控制系统对抽油的全部流程进行控制，在某种程度上真正实现了自动控制的思想。简易工艺运行过程如下所述：
在控制柜内利用PLC自带的属性特点[3]，即为开关量输入/输出信号，由其输入端口开关的关断对变频器的速度控制级及正传信号进行控制，进而驱动电动机的快慢旋转，继而由电动机的转动带动连杆对配重进行上下运行动作，从而实现提油装置在上升及下降过程中的稳定运行。
其中，改造后的抽油机可持续工作在运行状态，无须停机。利用滑轮的快慢旋转迫使抽油杆做上下提升动作，再由悬绳器牵引盛油装置做往复运行的动作。
3.3 改造后抽油机的运行过程分析
改造后的抽油机在循环运行过程中，需要在不同的上升或下降阶段有不同的变速方式。在图3中分析了提油装置到达地面以后直到下一次进入地下抽油，这一段期间的运行状况。
本控制系统的设计共需4个接近开关，其中P0004、P0005为高低速切换开关；P0006、P0007为机械换向开关,具体流程简述如下：
抽油机在使盛油装置在上升过程中，起始阶段为低速加速过程，当遇到接近开关P0004时，由PLC控制变频器，进而使抽油机变为高速运行，且保持这种状态。当遇到接近开关P0005时，在使抽油机变为低速运行段，在把原油放入固定装置后，遇到接近开关P0007时，由油田有关方面研制的特定机械换向装备迫使盛油装置变为下降过程，而此后再遇到接近开关P0005时，再使盛油装置变为高速运行，此后，遇到接近开关P0004时，变为低速运行，当低速运行到达位置为接近开关P0006时，经过装入原油后，又进行机械换向，此时，完成了一次提油及其放送装置的周期循环。以后重复上述过程。
图3 工艺分析图
在上述装置的工作过程中，我们设提油装置每次盛油3 t。抽油杆重为2 t，配重为4 t，这样确保抽油过程中，支架两边有1 t的差额。
3.4 变频调速式抽油机工作过程分析
变频调速控制系统由16位CPU运行控制，控制电路采用直接数字控制方式，进行判断处理变频调速抽油机运行时的各项参数。CPU接收到输入电路的控制信号后，经过数据处理、转矩计算等环节形成控制指令，供给基极驱动电路，控制变频器大功率晶体管的导通与关断。此外，控制系统中变频器可接收外部模拟信号和开关量控制信号，完成对工作频率的调整[4]。
给定部分为电压信号，PLC部分为开关量控制信号，即利用常规开关及接近开关的关断去调节变频器的电压/频率的变化，再由变频器作为三相异步电动机的驱动信号，进而驱动电动机高低速及正反转的变化。
电动机在正向转动状态下，将通过连杆驱动配重作上升及下降的运行，而当盛油装置装满原油后，通过悬绳及连接杆的连接，在控制系统的控制下，作相应的上升、下降及高低速的运动。
抽油机工作过程中，支架上的滑轮也随着盛油装置的运行方向变化，而作相应的需求改变，而横梁起到减轻部分负载的作用[5]。
变频调速抽油机的运行由五个过程组成(见图4)，具体说明如下：
(1) “ S” 形加速过程
本过程可分为起始低值加速过程、匀加速过程、结尾低值加速阶段。
(2) 匀速提升抽油高速过程
这是主要工作过程，由于柱塞达到最高提升速度后，控制系统便使其始终保持大小不变的速度直到这一过程结束，从而使这种工作方式有效地提高了系统的抽油效率，并有效地保证了系统机械零部件平稳地工作，合理选择的周期，可确保得到合理的产量和最低的能耗。
(3) 逆“S”形负加速过程
与(1)过程相同，也可分成三个阶段，但加速曲线与(1)过程的变化方向相反，合理处理好这个过程是确保进液工作条件的关键，也是确保系统平稳工作的关键。
(4) 匀速下放抽油装置过程
这部分可以说成是匀速提升抽油高速过程的逆过程。
(5) 匀速下降进液过程
这是井下设备的进液过程(也是地面设备的储能过程)，合理安排这一过程是确保提高泵效的关键，这一过程也是地面设备的储能过程，在确定了作业条件之后，选定合理的平衡配重可以有效地减轻系统的动态载荷和能耗。
图4 变频调速抽油机的运动原理曲线
变频调速抽油机与传统的抽油机的不同之处是整个工作循环的每个过程都可根据油水井的井下地质条件、开发特征、选用的井下设备以及地面设备(包括井口装置和输油管道的长度、直径、弯曲接头等)进行测定与综合分析，并可以采用计算机计算模拟最佳工况，得到一系列的优化工作参数，如冲程长度，每分钟冲次数，提升速度与加速度，下降速度与反向加速度等，这些参数送入抽油机的数控系统，从而使抽油机地面的动力端能很好地与井下的液力端动态协调，即应使抽油杆工作为始终保持张紧状态，保持了它的刚性，因而可以大幅度提高泵效，增加产油量，甚至能使深井抽油泵的泵效提高到大致与地面往复泵接近的程度[6]。
4 控制系统的实现
本文所设计的抽油机变频调速控制装置采用的PLC是LG公司生产的MASTER-K30S型可编程控制器，它具有8个输入点、8个输出点及部分扩展端口。可分别与变频器的控制端和抽油机的限位传感器等连接,以沟通外部系统和内部系统。通过PLC的串行口，装入根据每口井况编制的管理程序，它将根据输入点的信息进行实时控制。在系统运行过程中，PLC接收抽油机上冲程和下冲程换向点位置传感器传来的信号和电机输出功率信号，经PLC程序处理后输出控制信号，以控制变频器的输出电压和上下冲程的输出频率,达到控制抽油机上下冲程速度的目的。执行结果用以操作输出设备如(接通或断开)，从而使被控对象受到控制。这样在控制系统中，控制过程的更改不需要改变其内部的接线，而只需通过编程器去改变程序存储器中的某些语句即可。
由于抽油机的工作特性，本文所设计的变频调速式抽油机属于基频以下的恒磁通变频调速，即恒转矩调速方式[4]。
在对改造后抽油机变频调速控制系统的模拟运行实验中，应用的硬件电路原理图如图5所示，对变频器及PLC端子的功能在表1、表2、表3中进行了详细说明。
按照硬件电路原理图对应实物进行接线并且运行后，通过调解PLC和变频器的输入\输出端口接线及观察电机的转速变化,运行结果证实了本实验所设计的变频调速控制系统，达到了抽油机运行中工艺流程的基本要求。
图5 抽油机控制系统硬件电路原理图
表1 PLC基本功能端子说明
端子功能端子功能
5 结 语
本文所研究的变频调速式抽油机是由PLC、变频器、电动机组等组成的开环控制系统。通过对所设计的控制系统进行理论研究、性能分析，结果表明,本抽油系统优点为节能效益高,运行可靠、稳定,结构简单，操作简便,使用寿命长，自动化程度高，无需人看管，维护量少。
参 考 文 献
［1］孔昭瑞.国内抽油机的发展趋向\[J\].石油机械,1995,19（6）：38-47.
［2］张连山.国外抽油机发展趋势\[J\].国外石油机械,1996,6（5）：53-65.
［3］郁汉琪,郭健.可编程序控制器原理及应用\[M\].2版.北京：中国电力出版社，2004.
［4］丁斗章.变频调速技术与系统应用\[M\].2版.北京：机械工业出版社，2005.
［5］张训文.机电一体化系统设计与应用\[M\].3版.北京：机械工业出版社，2003.
［6］徐甫荣.变频器在抽油机上应用的若干问题探讨\[J\].电气传动自动化,2005,26(2):4-8.
作者简介 苏宪龙 男，1984年出生，硕士研究生。主要从事工业过程控制及电力拖动系统方面的研究。
李 山 男，1965年出生，教授，硕士生导师。主要从事电气传动及运动控制技术、电动汽车驱动控制技术、大功率变换技术以及嵌入式系统方面的研究。
苗亮亮 女，1982年出生，硕士研究生。主要从事自动控制技术方向的研究。
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