（1.康希诺生物股份公司 天津市 300457；2.天津华海清科机电科技有限公司 天津市 300350）
摘要：分析了目前抽油机控制普遍存在的问题，提出系统控制方案，详细介绍了游梁式抽油机变频调参系统的工作原理、系统架构及功能特点。并通过实践证明采用了本控制系统的抽油机日耗电量有明显下降，抽油机变频调参系统确实可以提高效率、节约电能。
关键词：抽油机；变频；控制；节能
Application of Variable Frequency Speed Regulation System in Beam Pumping Unit
NA Ren-sha1 ZHAO De-long2
（1.Cansino Biologics Inc. Tianjin 300457， China；2.HWATSING Technology Co.，Ltd. Tianjin 300350， China）
Abstract： This paper analyzes the problems existing in the control of pumping unit， puts forward the control scheme of the system， and introduces in detail the working principle， system structure and functional characteristics of the frequency conversion and reference system of the beam pumping unit. And it is proved by practice that the daily power consumption of the pumping unit is decreased obviously， and the frequency conversion and reference system of the pumping unit can improve efficiency and save energy.
Key words： pumping unit； frequency conversion； control； energy saving
1.前言
随着国内各大油田地面工艺优化简化的深入，对油田生产管理提出了更高的要求。目前国内油田基本实现了油水井的远程监测，采集的监控数据为油田生产管理提供了科学的依据。但是如何利用监测的生产数据实现油井抽油机的远程控制，达到系统真正闭环控制的自动运行，尚未广泛实施。
2.抽油机系统现状及解决方案
目前抽油机系统普遍存在的问题主要有：
1.抽油机井的生产参数不协调，部分油井在供液不足的情况下，仍然采用较高的冲次，不仅导致泵效低，而且同时增大了悬点载荷，影响系统效率的提高；
2.部分油井的拖动系统配置不合理，属于高耗能产品，严重制约了单井抽油效率的提高；
3.抽油机平衡度不合格。随着抽油机生产载荷的变化，原来合格的平衡度也变得不平衡，因此也需要控制系统自动的加以鉴别；
4.抽油井的供油情况，随时间的推移和地下地质状况，以及采油工艺的改变都会有变化。
根据液体提升泵的原理，降低下冲速度可提高液体在泵内的充盈系数，提高上冲速度可减少液体在泵内的漏失系数进而达到增产、增效的目的。同时，由泵类负载特性可知，根据功率计算公式推导，若降低驱动电机电压，功率将成倍下降，节能效果显著，节电率可大大提升。控制系统采用高性能变频调速装置，通过控制器的自动调节，控制电机的端电压，保证在最小功率下运行，既自动调速，从而达到节能目的。以变频的方式自适应，实现系统节能的高效率，根据自动检测抽油机的运行情况，经过数学模型的运算以后，自动调整抽油机的工作状态以适应抽油环境的改变。避免当电机不能在满负荷下运行时，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费。同时，采用本控制单元可将发电状态下产生的能量反馈给电网。由于变频器具有软启动功能，减小启动电流对电网造成的冲击，延长设备使用寿命，同时减少了设备维护费用。
3.控制系统结构
整个抽油机变频调参系统由数据中心服务系统、工业无线网络和现场抽油机调速单元三部分组成。
3.1 数据中心服务系统
数据中心服务软件实时接收现场抽油机井生产数据，根据一个冲程内抽油杆载荷数据及电流数据，采用相应的控制算法分析抽油机井生产状态，确定控制参数，向现场的抽油机控制单元发送控制指令，实现远程调控抽油机井运行状态。
1.抽油机生产参数分析系统软件
（1）接收现场控制器上传的抽油机生产参数，分析、处理并存储； （2）处理客户端指令，向现场控制器下发控制指令，实现抽油机井动态调参； （3）报警信息处理； （4）油井故障诊断分析；（5）抽油机井静态信息查询/设置/修改，包括：名称、类型、杆泵组合、泵径等相关数据；
2.抽油机井客户端管理软件
软件采用三维力控，管理组或作业区生产人员通过该软件可实现如下功能：
（1）抽油机井生产信息查询，包括：井号、示功图、温度、载荷、井口压力。
（2）抽油机井生产参数远程设置，包括：抽油机冲次等数据。
（3）抽油机电力参数显示，包括：三相电流、三相电压、电度、功率等。
（4）抽油机游梁当前角度、最小角度、最大角度等实时显示。
（5）抽油机远程启/停控制。
（6）抽油机上下行程分别有5个速度段，可分开设置各个阶段的速度。
（7）抽油机运行历史曲线及报表查询。
3.2 工业无线网络
抽油机调参单元由于地理分布原因，只能采用无线方式传输现场数据。目前常用的数据传输网络为移动公司的GPRS/CDMA网络，近期部分系统尝试采用ZIGBEE实现油水井数据传输。DTU无线方式传输的优点：
1、综合成本低，只需一次性投资，无须挖沟埋管，特别适合室外距离较远及已装修好的场合，节省人力物力，节省投资。
2、适应性好，在许多情况下，用户往往由于受到地理环境和工作内容的限制，例如山地、港口和开阔地等特殊地理环境，对有线网络、有线传输的布线工程带来极大的不便，采用有线的施工周期将很长，甚至根本无法实现。这时，采用无线监控可以摆脱线缆的束缚，有安装周期短、维护方便、扩容能力强，迅速收回成本的优点。
3、组网灵活，可扩展性好，即插即用，管理人员可以迅速将新的无线监控点加入到现有网络中，不需要破环原有线路、新建传输铺设网络、增加设备，轻而易举地实现远程无线监控。
4、维护费用低，无线监控维护由网络提供商维护，前端设备是即插即用、免维护系统。出现故障时能快速找出原因，恢复正常运行。
3.3 抽油机调速单元
游梁式抽油机是一种变形的四连杆机构，属于有杆采油的地面驱动设备，其整机结构特点像一架天平：一端是抽油载荷，另一端是平衡配重载荷。上冲程时，电动机处于电动状态时，从电网吸收电能；下冲程时，电动机处于发电状态时，释放能量，电能直接回馈给电网，造成抽油机供电系统功率因数降低，对电网质量影响较大。由于抽油载荷是每时每刻都在变化的，而平衡配重不可能和抽油载荷作完全一致的变化，使得游梁式抽油机的生产参数调节变得十分复杂。
3.3.1 工作原理
将角位移传感器安装于游梁式抽油机的游梁上，当抽油机在运行过程中，游梁的倾斜角度实时变化，角位移传感器依据倾斜后的角度与重力加速度成函数关系的原理来测量倾角，将角度值转化为模拟量电流信号，通过导线传送到PLC控制系统的模拟量扩展模块中，通过CPU内存储的控制程序及逻辑算法，对变频器的频率给定进行实时调整，从而改变电动机的转速，实现抽油机的速度调整，利用反馈单元将电动机处于发电状态时的电能反馈给电网，GPRS模块将PLC控制系统采集到的信号发送给远程控制终端，并接受远程控制终端发出的命令，同时将抽油机井的节能增效融合到现有的抽油机井远程测控系统中，根据这些现场参数和存储在RTU内部的油井的理论运行参数，计算得到抽油机井实际的运行参数，包括速度和加速时间等等，实时通过DTU远程数据终端将电机的控制参数送到变频器内部，通过变频器完成对抽油机井电机的调速控制。操作及工艺人员还可以通过远程终端，实时监控设备运行状态和工艺参数，还可随时调整抽油机的运行速度，从而实现抽油机的远程集中控制。还可以有效提高油井生产管理水平，实现设备安全、合理的运行，提高生产效率。机械在减速和重力下降的时候，电机处于逆向发电状态。反馈的电能回到变频器，会造成变频器的直流母线电压升高，变频器报警和停机。为实现节能优化，提高效率，采用变频器加装能量回馈装置方案，将发电状态下产生的再生能量回馈给电网。
3.3.2 系统架构
角位移传感器：用于检测有杆式抽油机的游梁角度信号，并将检测的角度数值以4-20mA模拟量信号传输给PLC控制系统。采用宇航YH-360 DC型角位移传感器，该产品为重力加速度原理，依据加速度传感器倾斜后的角度与重力加速度成函数关系的原理来测量倾角，是一种以电流输出与倾角为线性关系的用于测量物体倾斜位置的传感器。标准4～20mA信号，输出平滑性好；两线制，不分正负极，接线方便快捷；全密封防水，满足全天候使用。
PLC控制系统：用于接收采集角位移传感器与机柜温度的模拟量输入信号，接收采集工频及变频运行、故障、变频器状态和机柜上各个操作按钮的开关量输入信号，发出工频及变频运行、状态指示灯和报警喇叭等开关量输出信号，输出变频器频率给定的模拟量输出信号、启停信号等，通过CPU内部存储的编译程序来实现系统的自动控制。PLC控制系统采用无锡信捷XC3-24R-C系列可编程序控制器，它具有14点NPN输入，10点继电器（R）输出DC24V（C）电源，可外接扩展模块和BD板，可带时钟并对数据进行掉电保持，支持基本的逻辑控制和数据运算，支持高速计数、脉冲输出、外部中断、C语言编辑功能块、I/O点的自由切换、自由格式通讯、MODBUS通讯等功能。由于需要进行模拟量的检测与控制，系统增加了一块XC-E3AD4PT2DA型号扩展模块。PLC控制系统软件嵌入了多种智能算法与自学习功能，大大减小了数据的误差，提高了控制精度。
变频调速系统：用于驱动电动机，接收PLC控制系统发出的运行、停止和频率给定指令，实时调整输出频率，使电动机的转速可调。能量回馈单元将电动机处于发电状态时的能量反馈回电网，达到节能降耗的目的。变频调速系统采用日本YASKAWA公司H1000系列变频器，该系列变频器拥有先进的电机驱动技术，可以实现对所有类型电动机的驱动，感应电机和同步电机变频器可以通用，可以通过参数设定切换感应电机与同步电机。具有耐油、防湿、抗震动等适应各种恶劣工作环境的产品，还有防尘、防水型等各种保护结构的变频器产品，抑制电源高次谐波，噪音低。频率控制范围：0.02～400Hz，频率精度在±0.02 Hz，设定信号：0V～+10V，-10～+10V，4～20mA和脉冲序列，启动转矩150%/3 Hz，速度响应：10Hz，速度控制精度：±0.2%，加减速时间在0～6000.00秒之间可设。变频器可通过连接计算机调试软件设置参数，也可通过面板直接输入参数操作运行。
电动机：用于带动有杆游梁式抽油机运动，实现上下冲程的采油动作，其转速是由变频器来实时调整的。能量反馈单元将运动中负载上的机械能（位能、动能）通过能量回馈装置变换成电能（再生电能）并回送给交流电网，供附近其它用电设备使用，使电机拖动系统在单位时间消耗电网电能下降，从而达到降低损耗、节约电能的目的。
远程终端：用于远程集中监控抽油机控制系统的运行状态，人工参与控制并调整控制系统的参数和状态。远程终端可以直接采用已有站库的数据采集监控系统，站库数据采集监控系统接收到抽油机变频柜发回的数据，通过触摸屏或工控机上的组态画面进行远程监控和控制。使系统的分布相对集中，有利于系统的维护，具有较好的可扩展性以及灵活性。
GPRS通信模块：采用天津万众科技WDTU-0511D型GPRS DTU，用于接收远程终端发出的指令，并将接收到的信息传输至PLC控制系统②，用于接收PLC控制系统信息，并将接收到的信息发送给远程终端⑤。它拥有透传功能，可以将后台与WDTU-0511D的485连接设备之间的数据实现透明传输；让有线仪表与ZIGBEE无线仪表数据进行数据传输（温变、压变、载荷），有线仪表的有线传输协议需要遵循标准的MODBUS_RTU协议；可以从后台通过WDTU-0511D读取仪表数据或设置仪表参数。后台与GPRS之间的数据协议遵循标准的MODBUS_TCP协议；同时可以用485对WDTU-0511D寄存器进行访问。WDTU-0511D无线数据传输模块由SIM900B、RS485通信电路、RS232通信电路、无线通信ZigBee模块组成。四频 850/900MHz 和 1800/1900MHz；2.4G无线通信距离 0～150m（空旷地区）；电压范围在9V～30V；温度范围在-20℃～80℃；采用超低功耗高性能的嵌入式处理器；内置看门狗，不死机，掉线自动恢复；支持一路 RS232/RS485 方式的用户数据接口。电源端子+与—接入24V直流电源。另外还需将SIM卡插入到插槽中。无线数据传输方式避免了传统数据传输方式带来的电缆施工，大大降低了施工的难度和系统安装成本。
3.3.3抽油机变频调速单元实现功能
本系统的一个重要的研究方向就是，根据自动检测抽油机的生产情况，系统经过数学模型的运算以后，自动调整抽油机的工作状况以适应抽油环境的改变。
并旨在解决这一闭环控制难题，利用油水井远程测控系统基础数据及工业无线网络传输，实现抽油井远程动态自动控制，切实提高油井生产管理水平，保证设备安全、合理的运行，提高生产效率，增产、节能、绿色、环保。本控制系统实施后，可实现如下功能：
1、利用角位移传感器实现抽油机闭环自动控制。
2、抽油机井数据能够通过网络提交至油田公司油水井生产信息采集与管理平台进行展示。
3、利用RTU采集井口参数，包括：载荷、油压、套压等，利用PLC采集变频控制柜参数，包括：电机电流、电压、频率等电力参数。
4、抽油机变频控制方式：就地方式-通过操作变频柜门板上的按钮开关或面板直接操作；远程方式-通过内置无线通讯模式，实现远程启停抽油机及其它参数设定功能，如：抽油机运行速度分段设置。
5、提供完善的保护功能：过流保护、过热保护、过/欠压保护、三相电流不平衡、转速超限保护、来电自启功能等。
6、显示/诊断功能：通过上位机软件实时显示设备运行状态及参数设定功能，包括：频率显示、设定参数显示、故障代码显示等，实现报表查询功能、智能诊断功能等。
7、变频故障自动工频切换功能：当变频器发生故障时，自动切换到工频运行，避免停井造成的损失。
8、能量回馈功能：在变频运行方式下，系统可将下行程所发电回馈电网，绿色、节能、环保。
3.3.4 抽油机变频调速单元特点
1.任意调节冲次：针对抽油机实际工况的特定设计，不需要停产，不用更换皮带轮来调节合适冲次。本控制系统可以任意调节冲次，可以很好的解决目前抽油机的“大马拉小车”的问题，从而提高生产效率和泵效。
2.分段转速控制：根据抽油机的特殊工况，把转速控制细划为上冲程转速5段控制和下冲程转速5段控制，通过分别对上下冲程过程中转速的适当调节，可减少漏失，提高泵效。
3.柔性启动和设备保护：普通电机在工频状态下启动时，启动电流相当于3~7倍额定电流，因此通常在点击带载启动时，会对设备和供电网造成很大的冲击，对设备极为不利，严重时还会发生抽油机断托等现象。在利用本产品改造后就可以实现设备真正意义上的柔性启动，将会使启动电流大大降低，既节能又减少了对电网的冲击。避免了对电机、变速箱、抽油机等过大机械冲击，大大延长了相关设备的使用寿命。同时对设备具备过流、过压、过载和电网一场等保护。
4.高可靠性及完善的保护功能：自动实时监测母线电压、电流、各相电压、电流、转速等运行参数，具备过电流、过电压、过载、短路、接地故障、热线、电网异常等各种保护功能。
5.“调速+回馈”节能增效方式：双PWM控制单元分别执行调速功能和电能回馈功能。该方式的节能效果包括了调速控制器能够节约的电能和回馈电网的再生电能，理想、彻底的进行对抽油机节能增效的改造。
3.3.5 抽油机工频控制与变频控制对比
目前在某油田实施了几套抽油机变频控制系统，下面以实施方案为例，对比工/变频控制的生产数据。在某油田抽油井实施前，为对变频控制系统实施前后节能数据的对比，便在安装前2个月就安装了抽油机井数据采集远程系统。以下为某油田抽油井变频实施的数据对比。
抽油井实施前，该井日耗电220Kwh，安装完变频控制系统后，日耗电降为110Kwh，节能50%。通过数据对比可以看出，抽油机变频调速系统确实可以提高效率、节约电能，但由于不同井的工况、不同，其节能效果也不尽相同。
4.结论
抽油机变频调速单元实时接收数据中心服务器下发的调参指令，根据指令实时控制电机运转情况，实时控制驱动电机的速度，抽油机上下冲次的时间，抽油的频次，实现油井生产参数调节，进而实现抽油机远程集中调控。并且油井抽油效率有明显提高，节约了电能。
论文作者:娜仁莎1,赵德龙2
论文发表刊物:《电力设备》2018年第2期
论文发表时间:2018/5/30
标签：抽油机论文; 控制系统论文; 系统论文; 油井论文; 参数论文; 变频器论文; 电能论文; 《电力设备》2018年第2期论文;