1  引言

    游梁式抽油機(jī)是目前各個(gè)油田所普遍采用的抽油機(jī)，但是目前的抽油機(jī)系統(tǒng)普遍存在著效率低、能耗大、沖程和沖次調(diào)節(jié)不方便等明顯的缺點(diǎn)。
    針對(duì)傳統(tǒng)游梁式抽油機(jī), 芬蘭瓦薩控制系統(tǒng)有限公司利用其高性能Vacon變頻器開發(fā)出專用軟件。
    我單位針對(duì)傳統(tǒng)游梁式抽油機(jī)的特點(diǎn)和油田的實(shí)際應(yīng)用情況所設(shè)計(jì)的新型智能化電氣油田抽油機(jī)多功能控制柜。該控制柜采用Vacon可編程變頻器為核心，采用Vacon變頻器開發(fā)出的專用抽油機(jī)軟件，根據(jù)游梁式抽油機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和油田采油井的實(shí)際情況，自主開發(fā)設(shè)計(jì)的游梁式抽油機(jī)多功能控制柜。該控制柜可以適用于目前常見的游梁平衡、曲柄平衡和復(fù)合平衡的三種游梁式油田抽油機(jī)。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，當(dāng)輸入必須的抽油機(jī)參數(shù)后，控制器將對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行靜態(tài)建模;實(shí)際運(yùn)行時(shí)，控制器將根據(jù)抽油機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況，實(shí)時(shí)修改抽油機(jī)的數(shù)學(xué)模型，達(dá)到增產(chǎn)節(jié)能的目的。 (歡迎來(lái)電咨詢　 鄭州變頻器　網(wǎng)址：www.gzmonita.cn  電話：0371- 56700815  手機(jī)：15515598858 )
2  游梁式抽油機(jī)的工作原理

    當(dāng)游梁式抽油機(jī)工作時(shí)，驢頭懸點(diǎn)上作用的載荷是變化的。上沖程時(shí)，驢頭懸點(diǎn)需提起抽油桿柱和液柱，在抽油機(jī)未進(jìn)行平衡的條件下，電動(dòng)機(jī)就要付出很大的能量。在下沖程時(shí)，抽油機(jī)桿柱轉(zhuǎn)而對(duì)電動(dòng)機(jī)做功，使電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。抽油機(jī)未進(jìn)行平衡時(shí)，上、下沖程的載荷極度不均勻，這樣將嚴(yán)重地影響抽油機(jī)的四連桿機(jī)構(gòu)、減速箱和電動(dòng)機(jī)的效率和壽命，惡化抽油桿的工作條件，增加它的斷裂次數(shù)。為了消除這些缺點(diǎn)，一般在抽油機(jī)的游梁尾部或曲柄上或兩處都加上了平衡重，如圖1所示。這樣一來(lái)，在懸點(diǎn)下沖程時(shí)，要把平衡重從低處抬到高處，增加平衡重的位能。為了抬高平衡配重，除了依靠抽油桿柱下落所釋放的位能外，還要電動(dòng)機(jī)付出部分能量。在上沖程時(shí)，平衡重由高處下落，把下沖程時(shí)儲(chǔ)存的位能釋放出來(lái)，幫助電動(dòng)機(jī)提升抽油桿和液柱，減少了電動(dòng)機(jī)在上沖程時(shí)所需給出的能量。 
    目前使用較多的游梁式抽油機(jī)，都采用了加平衡配重的工作方式，因此在抽油機(jī)的一個(gè)工作循環(huán)中，有兩個(gè)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和兩個(gè)發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)平衡配重調(diào)節(jié)較好時(shí)，其發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的時(shí)間和產(chǎn)生的能量都較小。 

3  抽油機(jī)控制器設(shè)計(jì)原理

    VACON變頻器具有可編程功能，其編程工具Vacon NC1131-3 Engineering是一個(gè)符合IEC1131-3標(biāo)準(zhǔn)的圖形化的編程工具，它可以用來(lái)設(shè)計(jì)Vacon NX特殊的控制邏輯和參數(shù)。它包含了基本功能模塊和高級(jí)功能模塊，如各種濾波器，PI控制器和積分器。VACON NC1131-3可以創(chuàng)建參數(shù)，故障信息和其他與應(yīng)用相關(guān)的特性。在本系統(tǒng)中，如采用普通變頻器，為防止變頻器過壓報(bào)警，必須加制動(dòng)電阻，制動(dòng)電阻消耗能量，達(dá)不到系統(tǒng)節(jié)能要求，利用VACON變頻器具有可編程功能，利用抽油機(jī)工作時(shí)，驢頭懸點(diǎn)載荷是非線性變化的。設(shè)計(jì)變頻器應(yīng)用程序，根據(jù)電動(dòng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化情況，變頻器將實(shí)時(shí)計(jì)算抽油機(jī)此時(shí)應(yīng)該運(yùn)行的速度，實(shí)時(shí)計(jì)算上、下沖程的時(shí)間，使下沖程速度加快，而上沖程速度變慢，達(dá)到增產(chǎn)的目的，同時(shí)當(dāng)抽油機(jī)處于發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，變頻器將控制電機(jī)使抽油機(jī)的慣性運(yùn)行，而不輸出任何的轉(zhuǎn)矩。 


圖1     復(fù)合平衡式游梁式抽油機(jī) 字串3 
采用這樣的計(jì)算方法后，抽油機(jī)工作所需的轉(zhuǎn)矩和電流將明顯減小，由于抽油機(jī)速度快時(shí)，其輸出的轉(zhuǎn)矩小，速度慢時(shí)，其輸出的轉(zhuǎn)矩也比工頻時(shí)小，達(dá)到節(jié)能的目的，同時(shí)也避免了控制器的過壓故障。 (歡迎來(lái)電咨詢　 鄭州變頻器　網(wǎng)址：www.gzmonita.cn  電話：0371- 56700815  手機(jī)：15515598858 )

3.1 Vacon變頻器應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

    (1)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)采用專用抽油機(jī)變頻起動(dòng)程序
    根據(jù)抽油機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和電流較大的情況，采用了特殊的起動(dòng)和運(yùn)行方式，減小其起動(dòng)時(shí)的電流沖擊，并確保抽油機(jī)在任何位置都能很好地起動(dòng)。
    (2)電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，實(shí)時(shí)計(jì)算修改上、下沖程速度，保持恒定抽油時(shí)間
    由于每次采油量的不同，因而可能造成每次抽油機(jī)的運(yùn)行時(shí)間的長(zhǎng)短都不一致，所以在所設(shè)計(jì)的抽油機(jī)專用程序中，將實(shí)時(shí)計(jì)算上、下沖程的速度，保持恒定的抽油時(shí)間和速度。
平衡負(fù)載模式控制方式如圖2，此模式下，電動(dòng)機(jī)沒有很清晰的發(fā)電狀態(tài)。
智能變頻器控制程序設(shè)計(jì)規(guī)則,圖2中: 

圖2     平衡模式控制方式 
位置1為第一計(jì)數(shù)起始點(diǎn)。此參數(shù)定義為轉(zhuǎn)矩的百分?jǐn)?shù)，當(dāng)轉(zhuǎn)矩高于這一參考轉(zhuǎn)矩極限時(shí)允許計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。
 時(shí)間2低參考值允許時(shí)間。轉(zhuǎn)矩必須高于位置1的時(shí)間。此時(shí)間采用低頻率參考值。
位置3第一轉(zhuǎn)矩中間點(diǎn)。轉(zhuǎn)矩小于位置3且當(dāng)時(shí)間2到后采用高參考頻率值。
時(shí)間4高參考值比較小時(shí)間。給定高參考值后直到允許低參考值的比較小時(shí)間。
時(shí)間5高參考值比較小循環(huán)時(shí)間。高參考值后直到再次為高參考值的比較小時(shí)間。
位置6第二計(jì)數(shù)起始點(diǎn)。此參數(shù)定義為轉(zhuǎn)矩的百分?jǐn)?shù)，當(dāng)轉(zhuǎn)矩高于低參考極限時(shí)允許計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。
時(shí)間7高參考頻率值允許時(shí)間。轉(zhuǎn)矩必須高于位置6的時(shí)間。此間采用高參考值。
位置8第二轉(zhuǎn)矩中間點(diǎn)。轉(zhuǎn)矩小于位置6且當(dāng)時(shí)間7到后采用低參考值。 

 

圖3      控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 
根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)矩變化規(guī)律,控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，設(shè)計(jì)智能控制器,控制變頻器輸出頻率。控制器的輸入信號(hào)為與沖程次數(shù)對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，反饋信號(hào)為變頻器輸出轉(zhuǎn)矩、即變頻器輸出頻率信號(hào)。

3.2 實(shí)驗(yàn)調(diào)試結(jié)果分析 
    抽油機(jī)多功能控制柜在遼河油田洼3737井、海C9-17井投入實(shí)驗(yàn)運(yùn)行， 
控制柜運(yùn)行穩(wěn)定，節(jié)能效果顯著。變頻器運(yùn)行參數(shù)曲線如圖4所示。抽油機(jī)上沖程要慢,電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài), 圖4中電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低,變頻器輸出頻率低, 電機(jī)轉(zhuǎn)矩為正,直流母線電壓低。抽油機(jī)下沖程要快,部分時(shí)間電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài), 圖中電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加,變頻器輸出頻率高, 處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)矩為負(fù),直流母線電壓很高。 

圖4    系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)曲線 字串2 
系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)為節(jié)電率15%，增產(chǎn)率5%。系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)際數(shù)據(jù)如附表所示:達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。 
4  結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)充分利用了VACON變頻器具有可編程功能，具有如下優(yōu)點(diǎn):
(1) 人機(jī)界面友好，安裝方便，操作簡(jiǎn)單 
控制柜上具有控制器的操作面板和各種操作運(yùn)行按鈕，操作方便。
控制器的顯示面板可以直接顯示變頻器的輸出電壓，輸出電流，輸出頻率，電機(jī)運(yùn)行消耗的能量，運(yùn)行時(shí)間，抽油次數(shù)等。變頻器的運(yùn)行參考可直接設(shè)置抽油機(jī)的抽油次數(shù)，改變傳統(tǒng)的設(shè)置電機(jī)運(yùn)行頻率的操作方式，具有良好的人機(jī)界面。
(2) 運(yùn)行安全，性能可靠
該控制柜內(nèi)沒有任何的PLC，而是基于變頻器的特殊控制程序進(jìn)行控制，并且具有工頻和變頻的操作的方式，且這兩種操作方式互鎖，并相互獨(dú)立，控制柜所采用的變頻器也具有寬廣的輸入電壓范圍，因此使控制器的運(yùn)行更安全，性能更加可靠。
(3) 高效節(jié)能，增產(chǎn)
控制器內(nèi)無(wú)任何的制動(dòng)電阻，當(dāng)抽油機(jī)處于發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，變頻器自動(dòng)提高電機(jī)的運(yùn)行速度，并儲(chǔ)存發(fā)電機(jī)狀態(tài)的能量，比傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式，減少了不必要的能量損失。
變頻器的控制程序是根據(jù)油田實(shí)際情況，特殊開發(fā)的控制程序，它能自主判斷抽油機(jī)運(yùn)行的上下沖程，根據(jù)油井的實(shí)際情況，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)上下沖程的速度，達(dá)到實(shí)際抽油時(shí)，不更改每分鐘的抽油次數(shù)，但增加每次抽油時(shí)的采油量，提高抽油機(jī)的產(chǎn)量。 字串1  (歡迎來(lái)電咨詢　 鄭州變頻器　網(wǎng)址：www.gzmonita.cn  電話：0371- 56700815  手機(jī)：15515598858 )