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        立式節(jié)能抽油機的智能控制系統(tǒng)

        2014-03-29 05:45:06徐春明
        機電工程 2014年4期
        關(guān)鍵詞:游梁沖程抽油機

        徐春明

        (武漢科技大學(xué)機械自動化學(xué)院,湖北武漢430081)

        0 引言

        我國的油田不像中東的油田那樣有很強的自噴能力,多為低滲透的低能、低產(chǎn)油田,大部分油田要靠注水壓油入井,再用抽油機把油從地層中提升上來,以水換油或者以電換油是我國油田的現(xiàn)實。因而,電費在我國的石油開采成本中占了相當(dāng)大的比例,所以,石油行業(yè)十分重視節(jié)約電能。目前,我國抽油機的保有量在10萬臺以上,電動機裝機總?cè)萘吭? 500 MW,每年耗電量逾百億。抽油機的運行效率特別低,在我國平均效率為25.96%,而國外平均水平為30.05%,年節(jié)能潛力可達幾十億。除了抽油機之外,油田還有大量的注水泵、輸油泵和潛油泵等設(shè)備,總耗電量超過油田總用電量的80%,可見,石油行業(yè)是推廣“電機系統(tǒng)節(jié)能”的重點行業(yè)[1]。

        抽油機節(jié)能包括節(jié)能型抽油機和抽油機節(jié)能電控裝置的研制與推廣兩個方面,對該兩大技術(shù)的研究方興未艾,本研究主要側(cè)重于抽油機自適應(yīng)變頻調(diào)速和自動進行故障診斷的智能電控系統(tǒng)的研制。

        1 兩種抽油機的性能比較

        作為上百年來一直使用傳統(tǒng)抽油設(shè)備游梁式抽油機(其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示)存在如下缺點:

        圖1 游梁式抽油機

        (1)電動機大功率啟動,小功率運轉(zhuǎn),造成“大馬拉小車”的狀況,因而浪費了大量的電能;

        (2)沖次的調(diào)整困難,不能實現(xiàn)上、下行程速比的變化,因而也造成大量電能的浪費;

        (3)沖程量小且調(diào)整困難,從而限制產(chǎn)油率;

        (4)對于游梁的材料性能要求高,從而提高了整臺設(shè)備的成本;

        (5)減速器更換頻繁,造成物資浪費。

        雖然幾十年來從節(jié)約能源的角度對于游梁式抽油機的機械結(jié)構(gòu)做出很多的改進,例如調(diào)整平衡配重、增加雙驢頭結(jié)構(gòu)等方式,但仍然不能從根本上解決上述缺陷。

        立式節(jié)能抽油機結(jié)構(gòu)如圖2所示,其為解決游梁式抽油機一些缺陷提供了可能,但要做到具體實現(xiàn)則必需有配套的節(jié)能智能控制系統(tǒng)。

        本研究主要針對立式抽油機的運行控制而設(shè),該控制系統(tǒng)通過選用西門子PLC作為核心控制器去控制變頻器,通過改變電動機的運轉(zhuǎn)頻率,實時計算抽油機的應(yīng)該運行的速度,通過計算上、下沖程的時間控制變頻器的輸出電源的頻率和電壓,實現(xiàn)電動機的無級調(diào)速控制,并做到運行轉(zhuǎn)矩的適配。該立式抽油機智能控制系統(tǒng)將實現(xiàn)的特點如下:

        (1)安排抽油井工作制度,定時啟動、停止,實現(xiàn)電機的軟啟動,對電網(wǎng)無沖擊[2]。

        圖2 立式抽油機

        (2)動態(tài)調(diào)節(jié)抽油機的沖程頻次。隨著油井的由淺入深的抽取,井下油量的減少,必然會出現(xiàn)泵的充滿度不足、泵效下降的情況。當(dāng)油井的供液能力小于抽油泵的排量時,就可能造成泵抽空和液擊。防止液擊的有效方法之一是減慢泵速以提高泵充滿度。通過變頻調(diào)速技術(shù)降低電機轉(zhuǎn)速減少抽取頻次,不僅減小了電機功率,而且提高了泵的充滿度,提高了泵效,增加了原油產(chǎn)量。

        (3)動態(tài)調(diào)節(jié)抽油機上、下行程速度。采用自適應(yīng)智能化變頻調(diào)速技術(shù),除了可以動態(tài)改變抽油機的沖程頻次之外,還可以根據(jù)實際需要分別調(diào)整每一沖程的上下行程速度,使抽油機工作在最佳運行狀態(tài),在每一沖程中,適當(dāng)降低下行程的速度,可以提高原油在泵內(nèi)的充滿度,而適當(dāng)提高上行程的速度,則可以減少在提升中的漏失系數(shù),有效提高單位時間內(nèi)原油的產(chǎn)量,同時通過動態(tài)調(diào)速,也可以節(jié)省電能的消耗。

        (4)自動進行故障診斷,可來電自啟,同時具有自啟前和故障后的報警功能,必要時自動停止抽油或?qū)嵭凶詣娱g抽。在智能控制系統(tǒng)中,采用檢測電動機的功率來實現(xiàn)抽油機的閉環(huán)自動控制。

        (5)該控制系統(tǒng)引進了智能芯片PLC,西門子公司為該系列PLC提供了成熟的網(wǎng)絡(luò)接口模塊,所以可以將該系統(tǒng)與工控網(wǎng)或inter網(wǎng)接口以實現(xiàn)遠程監(jiān)控[3-4];

        (6)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)運行平穩(wěn)不會出現(xiàn)較大的沖擊振動,對整個機械系統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)材料的性能要求低;

        (7)由于系統(tǒng)運行平穩(wěn),可以極大地提高減速器的無故障運行時間。

        2 控制系統(tǒng)的性能評價

        評價異步電動機的起動性能,重要的指標(biāo)是起動電流和起動轉(zhuǎn)矩的大小,對這兩項指標(biāo)的要求是:起動轉(zhuǎn)矩足夠大、起動電流不要太大。抽油機的啟動都通常為帶載啟動,啟動時,接通電源,n=0,s=1,轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割磁力線速度很大,轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢增大,轉(zhuǎn)子電流就增大,定子電流也隨之增大,頻繁起動時造成熱量積累,使電機過熱大電流使電網(wǎng)電壓降低,影響鄰近負載的工作。異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩[5]為:

        由異步電動機的電磁轉(zhuǎn)公式可知:接通電源時起動電流大,起動轉(zhuǎn)矩小,一般中小型鼠籠式電機起動電流為額定電流的5~7倍。

        常規(guī)游梁式抽油機多采用星—三角降壓起動方法啟動,啟動時定子三相繞組被接成星形,各相繞組所承受的相電壓等于線電壓UN的;待轉(zhuǎn)速基本穩(wěn)定時,再將三相繞組接成三角形,各相繞組承受的電壓是線電壓UN,降壓起動時的電流為直接起動時的。雖然該方式可以在一定程度上可以降低起動電流,但因[6]:

        當(dāng)電源頻率、極數(shù)為恒定值時,同步轉(zhuǎn)速恒定,所以電磁轉(zhuǎn)矩更小,該方式只適用于正常運行時定子繞組為三角形接法的異步電動機,且Y-D換接啟動只適合于空載或輕載起動場合。所以常規(guī)游梁式抽油機在采用星-三角降壓起動方法啟動時抽油機為克服大的起動轉(zhuǎn)矩,所采用的電動機遠遠大于實際所需功率,工作時電動機利用率一般為20%~30%,最高不會超過50%,電動機常處于輕載狀態(tài),造成資源浪費。抽油機工作情況的連續(xù)變化取決于地下的狀態(tài),若始終處于工頻運行,也會造成電能浪費。

        該自適應(yīng)智能控制系統(tǒng)核心技術(shù)是三相交流電機的變頻調(diào)速技術(shù)。當(dāng)電源的頻率改變時同步轉(zhuǎn)速與頻率成正比變化,電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也隨之而變,改變電源頻率可以平滑的調(diào)節(jié)異步電動機的轉(zhuǎn)速,實現(xiàn)無級調(diào)速。又根據(jù)式(1),當(dāng)同步轉(zhuǎn)速很小時,很小的轉(zhuǎn)子電流也可以輸出大的電磁轉(zhuǎn)矩,所以異步電動機有著極良好的起動性能,實現(xiàn)異步電動機的功率適配,提高了能源的利用率。變頻技術(shù)的應(yīng)用不僅能夠通過調(diào)頻來降低電動機轉(zhuǎn)速進而達到降低有功功率的目的,使普通電動機達到調(diào)速電動機的功效,而且由于電流減小(因為根據(jù)功率P=UI,電壓不變,電流I減小功率降低),降低了無功損耗,改善了電動機的工況,從而解決了一系列的現(xiàn)場應(yīng)用問題[7]。

        立式抽油機的電氣控制結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。該電氣控制系統(tǒng)中的主控部分為核心控制器西門子PLC(CPU224XP 230 VAC/24 VDC/繼電器輸出,22 KB存儲空間,14輸入,10輸出,2集成模擬量輸入,1集成模擬量輸出)[8-9]與Micromaster 440變頻器(30 kW/62 A)交換信息,性能參數(shù)如表1和表2所示。

        圖3 立式抽油機的電氣控制結(jié)構(gòu)圖

        表1 PLC(CPU224XP)

        表2 Micromaster 440變頻器

        PLC輸出0~10 V的電壓給變頻器,變頻器按照線性V/f控制特性,由模擬電位計控制供給電動機電源頻率從0~50 Hz變化,從而控制電動機運轉(zhuǎn)速度的變化,同時PLC輸出0或10 V的觸發(fā)脈沖給變頻器以控制電動機的正、反轉(zhuǎn)[10]。變頻器相應(yīng)地向PLC反饋電動機的運行電流電壓及運行功率情況。

        對于電動機頻繁正、反轉(zhuǎn)所采取的制動方式為發(fā)電反饋制動。當(dāng)電機的運行頻率高于變頻器的指令頻率,這時電機就處于再生(即發(fā)電)狀態(tài),由于通用變頻器的變流部一般均為不可控整流,其產(chǎn)生的能量不能回饋給電網(wǎng),只能對變頻器的直流部電容器充電,制動電阻的作用就是將這部分能量消耗在制動電阻上,使直流母線電壓保持在正常值。由于再生時產(chǎn)生和轉(zhuǎn)矩方向與電動轉(zhuǎn)矩相反,起的是制動作用,這個狀態(tài)又叫再生制動狀態(tài),這個電阻就叫制動電阻。該控制系統(tǒng)的制動電阻采用的是西門子4BD22-2EA0型15 Ω的電阻。該機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在變頻器停止供電后,系統(tǒng)本身有極強的阻尼作用,所以消耗在制動電阻上的電能微小。

        3 控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

        該系統(tǒng)為按配重的位置與給定值偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制系統(tǒng),無論是干擾的作用,還是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化,只要配重經(jīng)過接近開關(guān)控制系統(tǒng)參數(shù)自動初始化,達到消除累計誤差的目的[11]。其控制系統(tǒng)運行流程圖如圖4所示。

        圖4 控制系統(tǒng)運行流程圖

        當(dāng)系統(tǒng)上電以后,通過TD200中文版文本顯示器設(shè)置最大沖程量、沖次、行程速度等參數(shù);先假定感應(yīng)磁鐵在接近開關(guān)的上方,按上行啟動按鈕,PLC向變頻器輸送0~10 V速度觸發(fā)電壓,同時送正轉(zhuǎn)觸發(fā)電壓0 V,抽油桿上行抽油機開始抽油;若采樣到渦流式直流三線接近開關(guān)的采樣脈沖信號,則開始對旋轉(zhuǎn)編碼器輸入的脈沖數(shù)進行計數(shù);當(dāng)計數(shù)值等于設(shè)定值時,速度觸發(fā)端腳輸出0 V電壓,則電動機的運行頻率為0 Hz,電機處于再生制動狀態(tài),直到電機停止轉(zhuǎn)動,此時絲杠的上升行程為立式抽油機的上沖程。

        接著PLC向變頻器輸送0~10 V速度觸發(fā)電壓,同時送反轉(zhuǎn)觸發(fā)電壓10 V,抽油桿下行;若采樣到渦流式直流三線接近開關(guān)的采樣脈沖信號,則開始對旋轉(zhuǎn)編碼器輸入的脈沖數(shù)進行計數(shù);當(dāng)計數(shù)值等于設(shè)定值時,速度觸發(fā)端腳輸出0 V電壓,則電動機的運行頻率為0 Hz,電機處于再生制動狀態(tài),直到電機停止轉(zhuǎn)動,此時絲杠的下降行程為立式抽油機的下沖程。

        在抽油機的運行過程中,負荷傳感器始終向PLC傳送負荷信號,考慮到油井的粘度大小不同,經(jīng)轉(zhuǎn)換可通過TD200顯示當(dāng)前的抽油量。

        另外,在圖2中,接近開關(guān)裝在離上行位開關(guān)比較近的位置。旋轉(zhuǎn)編碼器檢測的行程越長,誤差越大,而該控制系統(tǒng)要保證抽油桿在起動抽油時能夠盡量從抽油泵的最低點開始,而回程時又不至于沖撞泵底,所以筆者將接近開關(guān)如此安裝。

        4 結(jié)束語

        本研究的實際意義主要是在石油行業(yè)推廣“電機系統(tǒng)節(jié)能”智能裝置的使用,以現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展為基礎(chǔ),立式抽油機從很多方面都體現(xiàn)了高效、節(jié)能的特點,而且立式抽油機所采用成熟的核心控制器西門子PLC也提供了實現(xiàn)遠程監(jiān)控的配套模塊,從而可以方便地建立起工業(yè)以太網(wǎng)自動控制體系。

        但立式抽油機也還有需要改進的部分,控制系統(tǒng)所采用的變頻裝置為通用變頻器,該產(chǎn)品的成本目前較高,立式抽油機專用變頻裝置的研制提上了日程,只有專用變頻裝置出現(xiàn),才能更好地體現(xiàn)立式抽油機的優(yōu)越性能,也才能最終代替游梁式抽油機。

        ):

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