VACON變頻器在油田抽油機上的應用

1 引言
游梁式抽油機是目前各個油田所普遍采用抽油機，但是目前的抽油機系統普遍存在著效率低、能耗大、沖程和沖次調節不方便等明顯的缺點。
針對傳統游梁式抽油機, 芬蘭瓦薩控制系統有限公司利用其高性能VACON變頻器開發出專用軟件。芬蘭瓦薩控制系統有限公司（Vacon OYJ簡稱芬蘭瓦肯）位于芬蘭的工業城市-瓦薩，是一家專注于研發、生產、銷售VACON品牌變頻器的大型生產企業。擁有16,000平方米生產車間，4條自動化生產線，每年產量達到120,000臺，產品功率覆蓋0.55kW~2200Kw。是世界上唯一的一家變頻器專業制造商。憑借雄厚的研發實力、豐富的設計經驗、獨到的見解、世界級營銷和服務網絡、優質可靠的變頻器產品，成為世界交流變頻傳動領域尤其是低壓變頻器領域的主要領導者之一。
我單位針對傳統游梁式抽油機的特點和油田的實際應用情況所設計的新型智能化電氣油田抽油機多功能控制柜。該控制柜采用Vacon可編程變頻器為核心，采用VACON變頻器開發出的專用抽油機軟件，根據游梁式抽油機的機械結構和油田采油井的實際情況，自主開發設計的游梁式抽油機多功能控制柜。該控制柜可以適用于目前常見的游梁平衡、曲柄平衡和復合平衡的三種游梁式油田抽油機。實際應用時，當輸入必須的抽油機參數后，控制器將對抽油機進行靜態建模；實際運行時，控制器將根據抽油機的實際運行情況，實時修改抽油機的數學模型，達到增產節能的目的。
2 游梁式抽油機的工作原理
當游梁式抽油機工作時，驢頭懸點上作用的載荷是變化的。上沖程時，驢頭懸點需提起抽油桿柱和液柱，在抽油機未進行平衡的條件下，電動機就要付出很大的能量。在下沖程時，抽油機桿柱轉而對電動機做功，使電動機處于發電機的運行狀態。抽油機未進行平衡時，上、下沖程的載荷極度不均勻，這樣將嚴重地影響抽油機的四連桿機構、減速箱和電動機的效率和壽命，惡化抽油桿的工作條件，增加它的斷裂次數。為了消除這些缺點，一般在抽油機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，在懸點下沖程時，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，還要電動機付出部分能量。在上沖程時，平衡重由高處下落，把下沖程時儲存的位能釋放出來，幫助電動機提升抽油桿和液柱，減少了電動機在上沖程時所需給出的能量。
目前使用較多的游梁式抽油機，都采用了加平衡配重的工作方式，因此在抽油機的一個工作循環中，有兩個電動機運行狀態和兩個發電機運行狀態。當平衡配重調節較好時，其發電機運行狀態的時間和產生的能量都較小。
3 抽油機控制器設計原理
VACON變頻器具有可編程功能，其編程工具Vacon NC1131-3 Engineering是一個符合IEC1131-3標準的圖形化的編程工具，它可以用來設計Vacon NX特殊的控制邏輯和參數。它包含了基本功能模塊和高級功能模塊，如各種濾波器，PI控制器和積分器。VACON NC1131-3可以創建參數，故障信息和其他與應用相關的特性。在本系統中，如采用普通變頻器，為防止變頻器過壓報警，必須加制動電阻，制動電阻消耗能量，達不到系統節能要求，利用VACON變頻器具有可編程功能，利用抽油機工作時，驢頭懸點載荷是非線性變化的。設計變頻器應用程序，根據電動機負載轉矩的變化情況，變頻器將實時計算抽油機此時應該運行的速度，實時計算上、下沖程的時間，使下沖程速度加快，而上沖程速度變慢，達到增產的目的，同時當抽油機處于發電機運行狀態時，變頻器將控制電機采用抽油機的慣性運行，而不輸出任何的轉矩。采用這樣的計算方法后，抽油機工作所需的轉矩和電流將明顯減小，由于抽油機速度快時，其輸出的轉矩小，速度慢時，其輸出的轉矩也比工頻時小，達到節能的目的，同時也避免了控制器的過壓故障。
3.1 Vacon變頻器應用程序設計
 電動機起動時采用專用抽油機變頻起動程序
根據抽油機起動轉矩和電流較大的情況，采用了特殊的起動和運行方式，減小其起動時的電流沖擊，并確保抽油機在任何位置都能很好地起動。
 電動機工作時實時計算修改上、下沖程速度，保持恒定抽油時間
由于每次采油量的不同，因而可能造成每次抽油機的運行時間的長短都不一致，所以在所設計的抽油機專用程序中，將實時計算上、下沖程的速度，保持恒定的抽油時間和速度。
平衡負載模式控制方式如圖2 ,此模式下，電動機沒有很清晰的發電狀態。

根據電機轉矩變化規律,控制系統結構框圖如圖3所示，設計智能控制器,控制變頻器輸出頻率。控制器的輸入信號為與沖程次數對應的電壓信號，反饋信號為變頻器輸出轉矩、變頻器輸出頻率信號。
智能變頻器控制程序設計規則：如圖2
位置1為第一計數起始點。此參數定義為轉矩的百分數，當轉矩高于這一參考轉矩極限時允許計數器開始計數。
時間2 低參考值允許時間。轉矩必須高于位置1的時間。此時間采用低頻率參考值。
位置3 第一轉矩中間點。轉矩小于位置3且當時間2到后采用高參考頻率值。
時間4 高參考值最小時間。給定高參考值后直到允許低參考值的最小時間。
時間5 高參考值最小循環時間。高參考值后直到再次為高參考值的最小時間。
位置6 第二計數起始點。此參數定義為轉矩的百分數，當轉矩高于低參考極限時允許計數器開始計數。
時間7 高參考頻率值允許時間。轉矩必須高于位置6的時間。此間采用高參考值。
位置8第二轉矩中間點。轉矩小于位置6且當時間7到后采用低參考值。
3.2 實驗調試結果分析
抽油機多功能控制柜在遼河油田洼3737井、海C9-17井投入實驗運行，控制柜運行穩定，節能效果顯著。變頻器運行參數曲線如圖4所示。抽油機上沖程要慢,電動機處于電動狀態, 圖中電動機轉速低,變頻器輸出頻率低, 電機轉矩為正,直流母線電壓低。抽油機下沖程要快,部分時間電動機處于發電狀態, 圖中電動機轉速增加,變頻器輸出頻率高, 處于發電狀態時電機轉矩為負,直流母線電壓很高。

系統設計指標為節電率15%，增產率5%。系統運行實際數據如下表：達到了設計要求。
井號及電機型號 洼3737 y280m-8 海C9-17 y280m-12
工 況 變頻 共頻 變頻 共頻
有功日均耗電 137度 188度 135度 143度
無功日均耗電 33度 799度 27度 778度
有功節電率 27% 5.93%
無功節電率 96% 96.6%
綜合功節電率 34．9% 18．37%
日均液量 12.15噸 9.225噸 23.1噸 20.1噸
變頻實驗增產率 31.7% 9.95%

4 結論
本系統充分利用了VACON變頻器具有可編程功能，實現了其它普通變頻器無法實現的功能。因此，本系統具備如下優點：
1 人機界面友好，安裝方便，操作簡單
控制柜上具有控制器的操作面板和各種操作運行按鈕，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，電機運行消耗的能量，運行時間，抽油次數等。變頻器的運行參考可直接設置抽油機的抽油次數，改變傳統的設置電機運行頻率的操作方式，具有良好的人機界面。
2 運行安全，性能可靠
該控制柜內沒有任何的PLC，而是基于變頻器的特殊控制程序進行控制，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，因此使控制器的運行更安全，性能更加可靠。
3 高效節能，增產
控制器內無任何的制動電阻，當抽油機處于發電機運行狀態時，變頻器自動提高電機的運行速度，并儲存發電機狀態的能量，比傳統的設計方式，減少了不必要的能量損失。
變頻器的控制程序是根據油田實際情況，特殊開發的控制程序，它能自主判斷抽油機運行的上下沖程，根據油井的實際情況，實時調節上下沖程的速度，達到實際抽油時，不更改每分鐘的抽油次數，但增加每次抽油時的采油量，提高抽油機的產量。