抽油机变频电控装置的设计

王 丽

（天水电气传动研究所有限责任公司，甘肃天水741020）

1 引言

抽油机是目前应用最普遍的石油开采机械之一，也是油田耗电较大的设备，用电量约占油田总用电量的40%，会造成过剩的抽油能力，使抽油机的无功抽取时间增加，使油井开采的电费成本居高不下，能源浪费十分严重。同时，我国陆上油田无论是水网、沙漠还是高原、严寒地区，油井的数据采集都是靠采油工到现场采集，油井示功图、平衡度、油套压、油温及产液量等井口生产数据采集量大，劳动强度高，数据的准确可靠性差。采油井的生产参数经常受到天气变化和交通工具的影响无法正常获得，这些都严重影响了油井的自动化管理。如果在现有的有杆抽油机井上应用变频调速技术，实现增产、节能提高油井远程监控系统对于实现油井管理的自动化程度、提高工作效率，保证数据采集的准确性及加强现场事故应急处理等都具有非常重要的意义，这些将产生巨大的经济效益和社会效益［1]。

2 发展应用现状

油田抽油机负载是时变负载，有动、静负载特性之分。起动初始状态要求的启动力矩是抽油机实际负载的3－4倍，甚至更大，运行负载功率都远小于电机的额定功率，目前解决以上问题，针对抽油机节能化的改造方案大致有以下三个方面［2]。

（1）采用节能型抽油机

通过改进抽油机的结构，优化抽油机的机械机构设计来减小机构的负扭矩，从而提高电动机的工作效率，实现节能。

（2）采用节能驱动设备

研发出与采油工况相匹配的新型电机来提高电机的效率和功率因数。大多采用高转差电机，还有的采用节能的电机配电箱来提高抽油机效率，但是这种方案大多需要较高的技术和较大的资金投入，研发周期较长，不易实现。

（3）采用节能电控装置

目前应用的有下面几种节能电控装置［3]：①继电接触器调压节能；选择继电接触器，通过切换电机绕组，使用有级降压节能。②采用间抽控制器；当油井出油量低或者出现空抽时会自动关闭抽油机，等井下油液积蓄超过一定深度时又能自动开启抽油机，避免了电能的浪费，提高了抽油机的效率。③采用变频调速电控装置；通过改变电机的转速，使抽油泵的排列与油井的渗透出油量相一致，让电机的转速跟随油井渗油量的变化而变化，实现电机自动调节转速来自动调节功率，达到节能的目的。

3 抽油机变频电控装置设计要求

3.1 控制对象参数

驱动电机参数为：3AC 3～50Hz 75kW；移机装置电机参数为：3AC 50Hz 2.2kW；冷却电机参数为：3AC 50Hz 1.0kW；电磁制动器参数DC207V 300W。

3.2 技术参数描述

输入电压三相四线制380V（+10%，-15%）；输入频率50Hz±10%；输出电压0～380V（驱动电机）；输出频率0～200 Hz（驱动电机）；综合功率因数＞0.95（驱动电机）；使用环境温度：-20℃～ +50℃，海拔2000m及2000m以下。

3.3 技术要求

柜内加装温湿度自动控制装置；驱动电机电路图采用铝板制造，并固定；触摸屏上设置多语言操作界面，示功图曲线、冲程、冲次、上行电流、下行电流、最大载荷、最小载荷、流量等数据，并具有存储读取功能，设置电源、运行、故障指示灯，启动、停止、紧停按钮，工况选择开关、冲次调整器；0～4冲次连续可调；移机装置电机能够正反转控制；冷却电机随驱动电机运行自动控制；电磁制动器运行带电，断电制动保护；驱动电机欠压、过压、过载、过温、接地、短路的自动保护；实现对抽油机卡杆、卡泵、断杆、上行断链、下行断链的停机自动保护等。

4 抽油机变频电控装置设计

4.1 控制技术方案设计

图1 抽油机变频控制装置整体框图

根据技术要求研发如图1所示的系统，这套系统主要由变频调速器、传感器、数据采集模块和远距离无线传输终端（RTU）组成。采用交流采样原理对电动机输入电流和电压进行实时采样，经A／D转换后，用二瓦特计法计算电动机瞬时功率和一个冲程的平均功率，并和设定的功率阈值进行比较。借助位置传感器采集抽油机上下冲程四点位置信号，并把信号送给RTU，经过综合分析处理后输出控制信号给变频器。无线传输终端把相关数据发送到数据控制中心，进行数据分析和报表生成。变频器采用可以实现速度传感器的矢量控制，应用有速度传感器的恒转矩控制技术来控制，变频器将接受油井载荷传感器的数据信号以及电机侧的转速信号，通过内部指令编程来输出电源的频率和电压，以此来控制电动机的转速，最终控制抽油机的抽汲参数。

4.2 控制硬件电路设计

4.2.1 变频节能

控制系统的主电路图如图2所示，系统由供电断路器、变频器、功率调节柜、PLC、工控机、传感器、采集模块、RTU、电磁制动装置、移动控制单元、冷却控制单元、房内加热系统等组成。

4.2.2 相关计算、设计与选型

（1）变频器的计算与选型

图2 抽油机变频控制装置电路原理图

依据抽油机的工作原理和负载特性，对起动性能的要求是低速大转矩，要求力矩响应要快，且经常地快速制动，还要有足够的频率分辨率，所以主电路选择具有高启动性能、力矩响应快、低速力矩特性好的6SE440系列变频器。经计算可知变频器连续输出的最大视在功率为≥×142×380／1000＝93kVA，根据变频器的额定电流选择：IUN≥142A，推算额定功率选为90kW可以满足。

（2）制动电阻的计算和选型

当制动功率超过变频器损耗时，电路上的电压突升导致变频器保护跳闸，解决这一问题需在电路中增加一个制动模块和一个外部电阻器构成制动斩波器，当出现电压突升时制动单元开始吸收能量。根据制动电流Ic＝P／UCN，其中P为变频器的返回功率，一般取电机额定功率的70%～75%；由制动电阻 R＝UCN／Ic、制动功率 P＝Ic2R，计算出制动连续工作功率为60kW，为此选择了自主研发TSACD-21系列大功率制动单元，该套设备具有系统就绪提示、过温保护、过流保护、过载保护功能，可以根据需要设定恢复过载故障的时间。

（3）触摸屏的选择

本系统使用了一台平板电脑作为触摸式操作屏（HMI），正常情况下，可以完成抽油机的操作和监控任务。具有12英寸TFT显示，真彩色，提供800×600像素；防护等级为前面板IP65，后面板IP20；带Windows XP SP2操作系统 。

4.3 自动化方案的选择

抽油机设备大多位于沼泽、沙漠、盆地、浅海等条件恶劣的地区，因此选择S7200系列的PLC与无线通讯模块，即可实现控制器与变频器的工艺控制以及数据采集，又能方便实现与现场操作屏的通讯、运行操作、数据存储、通讯的等多项功能，采用CDMA／GPRS或者数传电台通讯模式，由传感器、井口控制器、数传电台通讯模块、采油厂通讯机、实时数据库服务器、WEB服务器、监控浏览终端组成的系统来实现油井远程监控功能，达到智能化控制的目的［4]。

4.4 控制系统软件设计

4.4.1 软件方案的设计

（1）控制模式设计

变频控制装置具有①机体盒控制，启动、停止、固定速度；②触摸屏控制，主电机及油泵电机工艺控制、0～4冲可调；③ 操作面板控制，触摸屏损坏情况下，在变频器操作面板上控制主电机的启动、停止、0～4冲可调等3种。

（2）运行模式设计

变频控制装置系统有①正常工作模式，电机和变频器依据运行情况自动保护；②测试工作模式，电机过载运行短时间（小于5分钟）不保护两种。

（3）刹车模式设计。

变频控制装置系统有①机体盒复位按钮未操作时，自动控制投入或切出；②机体盒复位按钮操作时，刹车打开，变频器停止两种。

（4）显示功能和数据存储设计

变频控制装置系统配有触摸屏，能显示瞬时流量、累计流量、功图、荷重、冲程及电气参数。系统可显示功能所显示的参数可以存储7天，随后新数据按时间顺序覆盖旧数据。

4.4.2 软件功能的设计与操作

整套软件采用触摸式操作屏，可完成抽油机的主要操作。系统启动后，进入操作画面可实现以下功能。

（1）自恢复功能

设备出厂时，已经安装了“一键恢复软件GHOST”并备份了数据。一旦系统出现问题后，不需格式化硬盘（备份数据会丢失），在重新启动时选择“一键GHOST”，然后根据提示，恢复系统即可（出厂状态）。

（2）主电机操作功能

在操作前，首先要确认相应指示灯是绿色，表示变频器“通讯正常”；选择运行模式“正常运行”或“过载运行”；选择正常运行扭矩限制为电机额定扭矩的100%；选择允许过载，扭矩限制为电机额定扭矩的150%，但不能长期过载运行；通过快速回零键将给定回零，按下“启动／停止”按钮指向“ON”，系统正常，则指示灯变绿，风机正常启动，系统状态窗口中的指示灯变绿，主电机开始运行；通过快增、快减键或慢增、慢减键，调整给定使主电机按给定的冲次；在工作过程中，随时可以调整给定，停抽油机时，先回零，再按下“启／停”按钮。

（3）移位电机操作

主电机停止后，如果需要移位电机正向运行时，点击按钮“正转启／停”，使其变绿，再次点击该按钮使其变灰，为停止正向运行；需要移位电机反向运行时，点击按钮“反转启／停”，使其变绿，再次点击该按钮使其变灰，为停止反向运行。

（4）示功图设计

通过“冲程－载荷”功能趋势，可以判别抽油机的工作是否正常。点击按钮“FuncTrend”进入该画面，当需要看历史数据的示功图时，只需把日期、时间和点数输入即可，在固定窗口中有报警信息条，点击按钮“Alarm”，可进入报警信息页面查看更多的信息。

（5）其他功能设计

系统设置中主要有参数校准、累计流量清零、主电机速度反馈选择和风机延时断电等。还有用户保密功能出厂时可任意设定的用户名和密码以防误操作。

5 抽油机变频电控装置的技术性能

这套系统的主要技术特征有：①实现无级调节有杆抽油系统的冲次，优选最佳冲次，提高泵效，降低吨油耗电；同时具有自启动前和故障后报警功能；有效消除电网波动影响并实时处理电动机发电产生的负功率，提高电网功率因数。②根据机采井工况及采液量任意调节上、下冲程的速度比，提高抽油泵充满系数、排量系数及冲次调节范围，对电动机、变速箱、抽油机都避免了过大的机械冲击，延长了设备的使用寿命，减少了停产时间，提高了效率。③柜内加装温湿度自动控制（包括自动冷却装置、自动加热装置）实现欠压、过压、过载、过温、接地、短路的自动保护，电磁制动器运行带电，断电制动保护。④触摸屏上设置中、英、俄文操作界面，实现示功图曲线、冲程、冲次、上行电流、下行电流、最大载荷、最小载荷、流量显示，并具有数据存储读取功能，设置电源、运行、故障指示灯、启动、停止、紧停按钮、工况选择开关、冲次调整器；实现油井产量最大化或保证系统的抽汲能力始终与变化的井底流入条件相匹配，优化提高整个机、杆、泵的机采系统效率。

6 结束语

本装置系统采用变频调速［5]控制技术，配有触摸屏显示、操作和远程监控功能。整个系统生产工艺水平良好，设备可靠性高，可提高泵效，降低吨油耗电，并有效消除电网波动影响，有助于提高电网功率因素。因此该设备可广泛应用到高产井、低产井、控制产量井、井身质量问题引起的频繁检泵的井上来实现高效节能［6]的目的。

［1] 王晓远，查宏民等.基于变频技术的新型抽油机节能控制器［J] .石油机械，2005，（8）.

［2] 丁建林，姜建胜等.抽油机变频调速智能控制技术研究［J] .石油机械，2003，（1）.

［3] 张春海.抽油机专用变频节能技术应用研究［J] .现代商贸工业，2011，（4）.

［4] 曲 刚，孙永兴.抽油机智能化变频控制系统［J] .陕西师范大学学报（自然科学版），2005，（1）.

［5] 刘慧芬.变频调速技术在游梁式抽油机中的应用［J] .石油矿场机械，2004，（5）.

［6] 崔平正.新型节能液压抽油机的控制系统设计［J] .机床与液压，2005，（8）.