姚 鵬，白文雄，張安國，寇聯(lián)星，趙 剛，李紅才

抽油機(jī)光桿電控加載及功圖再現(xiàn)系統(tǒng)的研制

姚 鵬1，白文雄1，張安國1，寇聯(lián)星1，趙 剛2，李紅才1

（1．長慶油田分公司機(jī)械制造總廠，西安710201；2．西安寶德自動(dòng)化股份有限公司，西安710077）

針對(duì)當(dāng)前抽油機(jī)出廠檢驗(yàn)和型式試驗(yàn)中采用在驢頭懸點(diǎn)加載重錘的方法進(jìn)行試驗(yàn)的問題，研發(fā)了抽油機(jī)光桿電控加載及功圖再現(xiàn)系統(tǒng)，解決了抽油機(jī)光桿彈性變形帶來的功圖形變的問題，使抽油機(jī)上下沖程的載荷得到控制，并可將現(xiàn)場(chǎng)抽油機(jī)的功圖完整再現(xiàn)到試驗(yàn)抽油機(jī)的工作上，保證了抽油機(jī)檢驗(yàn)試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。該系統(tǒng)能夠在非井場(chǎng)實(shí)現(xiàn)真實(shí)油井的光桿載荷和位移，得到與現(xiàn)場(chǎng)抽油機(jī)同樣工況，便于抽油機(jī)出廠前的檢驗(yàn)以及示功圖設(shè)備的實(shí)際檢測(cè)，為實(shí)現(xiàn)油田數(shù)字化管理技術(shù)的進(jìn)步提供保障。

抽油機(jī)；光桿電控加載；功圖再現(xiàn)；應(yīng)用試驗(yàn)

游梁式抽油機(jī)是油田開發(fā)的主要設(shè)備，由于其應(yīng)用量非常之大，許多石油裝備制造廠都在研發(fā)、生產(chǎn)各種游梁式抽油機(jī)。但是，技術(shù)人員將研發(fā)的重點(diǎn)都集中在抽油機(jī)自身的平衡系統(tǒng)以及抽油機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)上，往往忽略了對(duì)新研發(fā)抽油機(jī)在廠內(nèi)的有效試驗(yàn)和系統(tǒng)評(píng)價(jià)研究。研制的抽油機(jī)節(jié)能效果及性能如何，只有將抽油機(jī)安裝到井場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)［1-2］，這樣的試驗(yàn)受到了油井狀況及現(xiàn)場(chǎng)因素等各方面的影響，具有試驗(yàn)成本高、數(shù)據(jù)單一等弊端。目前，傳統(tǒng)的廠內(nèi)試驗(yàn)是，在抽油機(jī)的懸點(diǎn)加載固定重錘，以檢測(cè)抽油機(jī)上下沖程的工作電流大小來評(píng)價(jià)抽油機(jī)的平衡狀態(tài)、功率消耗和節(jié)能狀況。

筆者認(rèn)為，這樣的試驗(yàn)只能是一個(gè)粗略的試驗(yàn)，其主要原因是：采用重錘加載，抽油機(jī)上下沖程的載荷是一樣的，不能模擬抽油機(jī)實(shí)際工作中的上下沖程的載荷變化，通常抽油機(jī)上沖程載荷大，下沖程載荷小，其差別因油井的結(jié)構(gòu)、抽油泵型式及桿系組合的不同而變化；無法模擬抽油機(jī)實(shí)際工作中桿系的彈性變形，不能使抽油機(jī)的示功圖完整再現(xiàn)。

研制光桿電控加載及功圖再現(xiàn)系統(tǒng)旨在模擬真實(shí)油井工況條件下對(duì)抽油機(jī)的動(dòng)力性、系統(tǒng)效率及工作可靠性等進(jìn)行綜合的檢測(cè)和評(píng)價(jià)，并提出優(yōu)化建議，為提高抽油機(jī)的設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量，提升數(shù)字化管理水平帶來強(qiáng)有力的技術(shù)保證。

1　技術(shù)分析

1．1 光桿加載及功圖再現(xiàn)系統(tǒng)方案選擇

可供選擇的抽油機(jī)光桿加載及功圖再現(xiàn)系統(tǒng)有以下4種方案：

1） 電液伺服加載及功圖再現(xiàn)系統(tǒng)。是將液壓驅(qū)動(dòng)缸與抽油機(jī)懸點(diǎn)光桿連接，用控制柜中的R T U控制器對(duì)抽油機(jī)懸點(diǎn)進(jìn)行液壓伺服控制加載和功圖測(cè)量與再現(xiàn)，液壓驅(qū)動(dòng)缸可不斷改變光桿載荷，較好地實(shí)現(xiàn)了抽油機(jī)光桿伺服加載及功圖再現(xiàn)。但其造價(jià)高，地面液壓站建設(shè)面積大，成本高。

2） 勵(lì)磁剎車加載及功圖再現(xiàn)系統(tǒng)。是將勵(lì)磁剎車系統(tǒng)與抽油機(jī)懸點(diǎn)光桿連接，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)的加載及功圖再現(xiàn)。該系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)下沖程時(shí)的可變加載和模擬光桿彈性變形。

3） 直線電機(jī)加載及功圖再現(xiàn)系統(tǒng)。是將直線電機(jī)［3］與抽油機(jī)懸點(diǎn)光桿連接，通過變頻器對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，能夠較好地實(shí)現(xiàn)光桿可變加載及功圖再現(xiàn)功能。但市場(chǎng)上可供選擇的直線電機(jī)受到了結(jié)構(gòu)、成本和加載力的限制，不能滿足抽油機(jī)的加載試驗(yàn)。

4） 電控變頻加載及功圖再現(xiàn)系統(tǒng)。通過變頻控制系統(tǒng)對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)光桿的可變加載，較好地解決了抽油機(jī)上下沖程光桿載荷的加載及隨位移的載荷變化，并通過電控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)載荷和位移及功圖的輸入、評(píng)價(jià)和再現(xiàn)。

通過比較，選擇了電控變頻加載及功圖再現(xiàn)系統(tǒng)（方案4），于2013-06完成了四型和五型抽油機(jī)的光桿電控加載及功圖再現(xiàn)系統(tǒng)研制，經(jīng)過應(yīng)用試驗(yàn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

1．2 光桿電控加載及功圖再現(xiàn)系統(tǒng)組成

抽油機(jī)光桿電控加載及功圖再現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，該結(jié)構(gòu)由光桿電控加載和功圖再現(xiàn)系統(tǒng)組成。其中：光桿電控加載是通過加載變頻電機(jī)系統(tǒng)完成的，由鋼絲繩、滾筒、帶減速機(jī)的可變頻電機(jī)及電機(jī)固定座、制動(dòng)電阻箱和本地控制柜組成；功圖再現(xiàn)系統(tǒng)由傳感器、本地控制柜和系統(tǒng)控制柜等組成。

圖1　抽油機(jī)光桿電控加載及功圖再現(xiàn)結(jié)構(gòu)

1．3 技術(shù)參數(shù)及工作原理

1．3．1 技術(shù)參數(shù)

（無需配備固定載荷，大1．2倍的額定載荷可滿足抽油機(jī)的超負(fù)荷加載試驗(yàn)［4］）

根據(jù)可控載荷范圍，自動(dòng)加載變頻電機(jī)正向和反向載荷，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)上、下沖程的可變加載。其他機(jī)型的技術(shù)參數(shù)根據(jù)抽油機(jī)的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

1．3．2 工作原理

抽油機(jī)光桿電控加載及功圖再現(xiàn)系統(tǒng)工作原理如圖2所示。產(chǎn)生光桿載荷的變頻電機(jī)通過滾筒上的鋼絲繩和光桿與抽油機(jī)的懸點(diǎn)相連，其固定于地下若干米深處，并集成有轉(zhuǎn)矩傳感器（可換算為載荷的傳感器）和計(jì)算位移的編碼器；需要再現(xiàn)或檢測(cè)的示功圖系統(tǒng)安裝在控制柜內(nèi)，位于地面抽油機(jī)旁。再現(xiàn)的示功圖可以本地輸入或通過遠(yuǎn)程控制柜輸入至R T U箱，R T U箱內(nèi)部集成電控加載控制器、示功圖測(cè)量單元等，不間斷檢測(cè)光桿位移并通過電控加載控制器計(jì)算出此時(shí)的轉(zhuǎn)矩；載荷控制系統(tǒng)將該轉(zhuǎn)矩傳輸給變頻器，通過變頻器控制滾筒的輸出轉(zhuǎn)矩，滾筒通過鋼絲繩不斷改變光桿載荷，反映出較完整的1個(gè)沖程（1個(gè)周期）內(nèi)的位移和載荷變化，使示功圖實(shí)時(shí)再現(xiàn)，完成了真實(shí)抽油機(jī)負(fù)載的模擬。多余的載荷由制動(dòng)電阻箱吸收排出。

圖2　系統(tǒng)工作原理框圖

2　關(guān)鍵技術(shù)

2．1 光桿電控加載系統(tǒng)控制原理

系統(tǒng)控制原理如圖3所示，以控制器為控制核心，采用直接轉(zhuǎn)矩控制方式控制電機(jī)完成轉(zhuǎn)矩控制，變頻器通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)光桿載荷的控制與檢測(cè)；通過電機(jī)編碼器的信號(hào)反饋實(shí)現(xiàn)光桿位移控制與檢測(cè)。該電機(jī)采用閉環(huán)控制，從而實(shí)現(xiàn)功圖采集與系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

圖3　系統(tǒng)控制原理

2．2 電控系統(tǒng)要求

1） 變頻器系統(tǒng)采用公共直流母線方式，并通過總線方式與控制器相連。

2） 采用上位機(jī)組態(tài)軟件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄、參數(shù)設(shè)置和系統(tǒng)操作，與目前長慶油田數(shù)字化管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸相一致。

電控系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖4所示。

圖4　電控系統(tǒng)拓?fù)鋱D

3　技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

1） 電控加載及功圖再現(xiàn)系統(tǒng)在非井場(chǎng)真實(shí)地再現(xiàn)了抽油機(jī)油井工作狀況。

2） 根據(jù)輸入的載荷與位移或抽油機(jī)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際示功圖，實(shí)時(shí)輸出與輸入位移相對(duì)應(yīng)的載荷，再現(xiàn)抽油機(jī)上下沖程光桿真實(shí)載荷狀況，形成與輸入對(duì)應(yīng)的示功圖，并實(shí)時(shí)記錄和輸出。較好地模擬了真實(shí)油井抽油機(jī)光桿的彈性變形，形成真實(shí)示功圖。

3） 與示功圖同步監(jiān)測(cè)抽油機(jī)的三相電參數(shù)，實(shí)時(shí)測(cè)量限定周期內(nèi)抽油機(jī)的輸入電量、實(shí)際做功量，測(cè)試抽油機(jī)的工作效率，并進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4） 控制系統(tǒng)1個(gè)沖程內(nèi)的功圖最少采集220個(gè)點(diǎn)［5］，保證了實(shí)際功圖與輸入功圖的載荷與位移的控制精度≤5%。

5） 地面設(shè)置的控制柜控制模擬加載系統(tǒng)，在顯示屏上監(jiān)測(cè)、顯示輸入和輸出數(shù)據(jù)。同時(shí)顯示抽油機(jī)輸入電參數(shù)、實(shí)際做功量及功量對(duì)比值。完整顯示示功圖及評(píng)價(jià)抽油機(jī)所需的相關(guān)參量。同時(shí)，設(shè)置1個(gè)外掛筆記本電腦的連接口與筆記本電腦相連，進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)試、升級(jí)及數(shù)據(jù)修訂，還可連接外掛系統(tǒng)測(cè)試儀。

6） 地面控制柜與遠(yuǎn)程控制柜相呼應(yīng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制加載系統(tǒng)。遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)使用力控組態(tài)軟件。

4　應(yīng)用與試驗(yàn)

系統(tǒng)登錄、系統(tǒng)監(jiān)控、系統(tǒng)運(yùn)行效果界面如圖5～7所示。

圖5　系統(tǒng)登錄界面

圖6　系統(tǒng)監(jiān)控界面

圖7　系統(tǒng)運(yùn)行效果

圖7中：曲線1為給定功圖，曲線2為R T U采集上來的功圖，曲線3為抽油機(jī)采集得到的功圖；右側(cè)為給定數(shù)據(jù)顯示區(qū)、采集數(shù)據(jù)顯示區(qū)、電參數(shù)據(jù)顯示區(qū)域。其中，電參數(shù)據(jù)顯示區(qū)域可以顯示抽油機(jī)電流、電壓、做功量、耗電量、沖次等參數(shù)。

根據(jù)已知的給定功圖數(shù)據(jù)和通過采集所獲得的實(shí)際功圖數(shù)據(jù)，利用M atlab軟件求出抽油機(jī)隨位移變化的1個(gè)周期內(nèi)相同位移下的偏差e，并用1個(gè)周期內(nèi)最大偏差e除以該偏差所對(duì)應(yīng)的給定載荷值，得出系統(tǒng)運(yùn)行在該功圖下的控制精度為3．5%。

5　結(jié)語

1） 采用電控變頻加載系統(tǒng)，較好地解決了抽油機(jī)上下沖程光桿載荷彈性變形引起的功圖形變，使抽油機(jī)示功圖完整再現(xiàn)，可在非井場(chǎng)實(shí)現(xiàn)與油井工況相同的抽油機(jī)工作狀況。

2） 應(yīng)用該系統(tǒng)可以將油井現(xiàn)場(chǎng)同一型號(hào)的抽油機(jī)示功圖加載到試驗(yàn)抽油機(jī)中，并在抽油機(jī)遠(yuǎn)程控制界面上進(jìn)行顯示、比對(duì)，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)的數(shù)字化感知。

3） 應(yīng)用該系統(tǒng)可有效進(jìn)行抽油機(jī)的節(jié)能效果的綜合試驗(yàn)和評(píng)價(jià)，比常規(guī)的重錘加載更具備說服力。特別是對(duì)新研發(fā)的抽油機(jī)，通過該系統(tǒng)的試驗(yàn)、檢測(cè)，評(píng)價(jià)出抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)和動(dòng)力參數(shù)的優(yōu)劣，不必要到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)，減少了風(fēng)險(xiǎn)，降低了成本。

4） 該系統(tǒng)是對(duì)國家標(biāo)準(zhǔn)《游梁式抽油機(jī)》整機(jī)試驗(yàn)的補(bǔ)充和完善。

［1］ 薛梅．抽油機(jī)節(jié)能效果測(cè)試評(píng)價(jià)技術(shù)研究［J］．石油天然氣學(xué)報(bào)，2011，33（5）：294-295．

［2］ 楊胡坤，秦麗豐，盧玉，等．常規(guī)游梁式抽油機(jī)電流平衡調(diào)整方法研究［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2013，42（6）：1-6．

［3］ 姜民政，王建萍，鄭雪峰，等．直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)的研究［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2006，35（1）：38-41．

［4］ G B／T2901—2012，石油天然氣工業(yè)游梁式抽油機(jī)［S］．

［5］ Q／S Y C Q 3436—2011，抽油機(jī)電參數(shù)據(jù)功圖數(shù)據(jù)自動(dòng)采集技術(shù)規(guī)范［S］．

Develop ment of Polished Rod Electric Control Loading and Indicator Diagram Representation System of Pum ping Units

YAO Peng1，BAI Wenxiong1，ZHANG Anguo1，KOU Lianxing1，ZHAO Gang2，LI Hongcai1
（1.M achinery M anufacturing Plant，Changqing Oilfield Com pany，Xi’an710201，China；2.Xi’an Bode Energy Equip ment Co.，Ltd.，Xi’an710077，China）

According to the existing horse head m ounting points load ha mmer test problems for the oil pu m ping machine’s factory inspection and type test problem，a polished rod of the pu m ping units electric controlloading and diagra m representation system was developed．It could solve diagram deformation caused by the oil pu m ping polished rod elastic deformation，make the pu m ping unit on the up and dow n stroke load control，and can be co m pletely reproduced the diagra m of the pu m ping unit，ensure the accuracy of machine oil pu m ping test．T he system can realize the real well polished rod load and displacement off-site，attain the sa me conditions with on-site pu m ping，make test of pu m ping units before leaving the factory and the actual detection ofindicator diagram equip ment．It is a powerful means for digitalizing management progress of petroleu m enterprise．

pu m ping units；polished rod electric controlloading；diagra m representation；applicationtest

T E933．107

B

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．01．014

1001-3482（2015）01-0056-04

2014-07-16

中國石油長慶油田分公司2012年科研項(xiàng)目“采油場(chǎng)站數(shù)字化感知系統(tǒng)研究與應(yīng)用”子課題（2012C Q-207）

姚 鵬（1978-），女，甘肅寧縣人，工程師，碩士研究生，主要從事石油機(jī)械與一體化集成裝置的控制理論與控制工程研究，E-mail：yaop＿cq＠petrochina．co m．cn。