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VACON變頻器系統(tǒng)在油田抽油機上的應(yīng)用

發(fā)布時間:2019-08-02 09:59:55來源:

VACON變頻器系統(tǒng)在油田抽油機上的應(yīng)用

1  引言

    游梁式抽油機是目前各個油田所普遍采用的抽油機,但是目前的抽油機系統(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。
    針對傳統(tǒng)游梁式抽油機, 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。
    我單位針對傳統(tǒng)游梁式抽油機的特點和油田的實際應(yīng)用情況所設(shè)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(fā)出的專用抽油機軟件,根據(jù)游梁式抽油機的機械結(jié)構(gòu)和油田采油井的實際情況,自主開發(fā)設(shè)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(fù)合平衡的三種游梁式油田抽油機。實際應(yīng)用時,當(dāng)輸入必須的抽油機參數(shù)后,控制器將對抽油機進行靜態(tài)建模;實際運行時,控制器將根據(jù)抽油機的實際運行情況,實時修改抽油機的數(shù)學(xué)模型,達(dá)到增產(chǎn)節(jié)能的目的。 (歡迎來電咨詢  鄭州變頻器 網(wǎng)址:m.xtze.cn  電話:0371- 56700815  手機:15515598858 )
2  游梁式抽油機的工作原理

    當(dāng)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(zhuǎn)而對電動機做功,使電動機處于發(fā)電機的運行狀態(tài)。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(yán)重地影響抽油機的四連桿機構(gòu)、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(shù)。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(huán)中,有兩個電動機運行狀態(tài)和兩個發(fā)電機運行狀態(tài)。當(dāng)平衡配重調(diào)節(jié)較好時,其發(fā)電機運行狀態(tài)的時間和產(chǎn)生的能量都較小。 

3  抽油機控制器設(shè)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(biāo)準(zhǔn)的圖形化的編程工具,它可以用來設(shè)計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警,必須加制動電阻,制動電阻消耗能量,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,利用抽油機工作時,驢頭懸點載荷是非線性變化的。設(shè)計變頻器應(yīng)用程序,根據(jù)電動機負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化情況,變頻器將實時計算抽油機此時應(yīng)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(dá)到增產(chǎn)的目的,同時當(dāng)抽油機處于發(fā)電機運行狀態(tài)時,變頻器將控制電機使抽油機的慣性運行,而不輸出任何的轉(zhuǎn)矩。 


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

3.1 Vacon變頻器應(yīng)用程序設(shè)計

    (1)電動機起動時采用專用抽油機變頻起動程序
    根據(jù)抽油機起動轉(zhuǎn)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。
    (2)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(shè)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(fù)載模式控制方式如圖2,此模式下,電動機沒有很清晰的發(fā)電狀態(tài)。
智能變頻器控制程序設(shè)計規(guī)則,圖2中: 


圖2     平衡模式控制方式 
位置1為第一計數(shù)起始點。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)矩極限時允許計數(shù)器開始計數(shù)。
 時間2低參考值允許時間。轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩中間點。轉(zhuǎn)矩小于位置3且當(dāng)時間2到后采用高參考頻率值。
時間4高參考值比較小時間。給定高參考值后直到允許低參考值的比較小時間。
時間5高參考值比較小循環(huán)時間。高參考值后直到再次為高參考值的比較小時間。
位置6第二計數(shù)起始點。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允許計數(shù)器開始計數(shù)。
時間7高參考頻率值允許時間。轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩中間點。轉(zhuǎn)矩小于位置6且當(dāng)時間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(shù)對應(yīng)的電壓信號,反饋信號為變頻器輸出轉(zhuǎn)矩、即變頻器輸出頻率信號。

3.2 實驗調(diào)試結(jié)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(wěn)定,節(jié)能效果顯著。變頻器運行參數(shù)曲線如圖4所示。抽油機上沖程要慢,電動機處于電動狀態(tài), 圖4中電動機轉(zhuǎn)速低,變頻器輸出頻率低, 電機轉(zhuǎn)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(fā)電狀態(tài), 圖中電動機轉(zhuǎn)速增加,變頻器輸出頻率高, 處于發(fā)電狀態(tài)時電機轉(zhuǎn)矩為負(fù),直流母線電壓很高。 


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

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:
(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(shù)等。變頻器的運行參考可直接設(shè)置抽油機的抽油次數(shù),改變傳統(tǒng)的設(shè)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(nèi)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(jié)能,增產(chǎn)
控制器內(nèi)無任何的制動電阻,當(dāng)抽油機處于發(fā)電機運行狀態(tài)時,變頻器自動提高電機的運行速度,并儲存發(fā)電機狀態(tài)的能量,比傳統(tǒng)的設(shè)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(jù)油田實際情況,特殊開發(fā)的控制程序,它能自主判斷抽油機運行的上下沖程,根據(jù)油井的實際情況,實時調(diào)節(jié)上下沖程的速度,達(dá)到實際抽油時,不更改每分鐘的抽油次數(shù),但增加每次抽油時的采油量,提高抽油機的產(chǎn)量。 字串1  (歡迎來電咨詢  鄭州變頻器 網(wǎng)址:m.xtze.cn  電話:0371- 56700815  手機:15515598858 )

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