VACON变频器在油田抽油机上的应用

1 引言
游梁式抽油机是目前各个油田所普遍采用抽油机，但是目前的抽油机系统普遍存在着效率低、能耗大、冲程和冲次调节不方便等明显的缺点。
针对传统游梁式抽油机, 芬兰瓦萨控制系统有限公司利用其高性能VACON变频器开发出专用软件。芬兰瓦萨控制系统有限公司（Vacon OYJ简称芬兰瓦肯）位于芬兰的工业城市-瓦萨，是一家专注于研发、生产、销售VACON品牌变频器的大型生产企业。拥有16,000平方米生产车间，4条自动化生产线，每年产量达到120,000台，产品功率覆盖0.55kW~2200Kw。是世界上唯一的一家变频器专业制造商。凭借雄厚的研发实力、丰富的设计经验、独到的见解、世界级营销和服务网络、优质可靠的变频器产品，成为世界交流变频传动领域尤其是低压变频器领域的主要领导者之一。
我单位针对传统游梁式抽油机的特点和油田的实际应用情况所设计的新型智能化电气油田抽油机多功能控制柜。该控制柜采用Vacon可编程变频器为核心，采用VACON变频器开发出的专用抽油机软件，根据游梁式抽油机的机械结构和油田采油井的实际情况，自主开发设计的游梁式抽油机多功能控制柜。该控制柜可以适用于目前常见的游梁平衡、曲柄平衡和复合平衡的三种游梁式油田抽油机。实际应用时，当输入必须的抽油机参数后，控制器将对抽油机进行静态建模；实际运行时，控制器将根据抽油机的实际运行情况，实时修改抽油机的数学模型，达到增产节能的目的。
2 游梁式抽油机的工作原理
当游梁式抽油机工作时，驴头悬点上作用的载荷是变化的。上冲程时，驴头悬点需提起抽油杆柱和液柱，在抽油机未进行平衡的条件下，电动机就要付出很大的能量。在下冲程时，抽油机杆柱转而对电动机做功，使电动机处于发电机的运行状态。抽油机未进行平衡时，上、下冲程的载荷极度不均匀，这样将严重地影响抽油机的四连杆机构、减速箱和电动机的效率和寿命，恶化抽油杆的工作条件，增加它的断裂次数。为了消除这些缺点，一般在抽油机的游梁尾部或曲柄上或两处都加上了平衡重，如图1所示。这样一来，在悬点下冲程时，要把平衡重从低处抬到高处，增加平衡重的位能。为了抬高平衡配重，除了依靠抽油杆柱下落所释放的位能外，还要电动机付出部分能量。在上冲程时，平衡重由高处下落，把下冲程时储存的位能释放出来，帮助电动机提升抽油杆和液柱，减少了电动机在上冲程时所需给出的能量。
目前使用较多的游梁式抽油机，都采用了加平衡配重的工作方式，因此在抽油机的一个工作循环中，有两个电动机运行状态和两个发电机运行状态。当平衡配重调节较好时，其发电机运行状态的时间和产生的能量都较小。
3 抽油机控制器设计原理
VACON变频器具有可编程功能，其编程工具Vacon NC1131-3 Engineering是一个符合IEC1131-3标准的图形化的编程工具，它可以用来设计Vacon NX特殊的控制逻辑和参数。它包含了基本功能模块和高级功能模块，如各种滤波器，PI控制器和积分器。VACON NC1131-3可以创建参数，故障信息和其他与应用相关的特性。在本系统中，如采用普通变频器，为防止变频器过压报警，必须加制动电阻，制动电阻消耗能量，达不到系统节能要求，利用VACON变频器具有可编程功能，利用抽油机工作时，驴头悬点载荷是非线性变化的。设计变频器应用程序，根据电动机负载转矩的变化情况，变频器将实时计算抽油机此时应该运行的速度，实时计算上、下冲程的时间，使下冲程速度加快，而上冲程速度变慢，达到增产的目的，同时当抽油机处于发电机运行状态时，变频器将控制电机采用抽油机的惯性运行，而不输出任何的转矩。采用这样的计算方法后，抽油机工作所需的转矩和电流将明显减小，由于抽油机速度快时，其输出的转矩小，速度慢时，其输出的转矩也比工频时小，达到节能的目的，同时也避免了控制器的过压故障。
3.1 Vacon变频器应用程序设计
 电动机起动时采用专用抽油机变频起动程序
根据抽油机起动转矩和电流较大的情况，采用了特殊的起动和运行方式，减小其起动时的电流冲击，并确保抽油机在任何位置都能很好地起动。
 电动机工作时实时计算修改上、下冲程速度，保持恒定抽油时间
由于每次采油量的不同，因而可能造成每次抽油机的运行时间的长短都不一致，所以在所设计的抽油机专用程序中，将实时计算上、下冲程的速度，保持恒定的抽油时间和速度。
平衡负载模式控制方式如图2 ,此模式下，电动机没有很清晰的发电状态。

根据电机转矩变化规律,控制系统结构框图如图3所示，设计智能控制器,控制变频器输出频率。控制器的输入信号为与冲程次数对应的电压信号，反馈信号为变频器输出转矩、变频器输出频率信号。
智能变频器控制程序设计规则：如图2
位置1为第一计数起始点。此参数定义为转矩的百分数，当转矩高于这一参考转矩极限时允许计数器开始计数。
时间2 低参考值允许时间。转矩必须高于位置1的时间。此时间采用低频率参考值。
位置3 第一转矩中间点。转矩小于位置3且当时间2到后采用高参考频率值。
时间4 高参考值最小时间。给定高参考值后直到允许低参考值的最小时间。
时间5 高参考值最小循环时间。高参考值后直到再次为高参考值的最小时间。
位置6 第二计数起始点。此参数定义为转矩的百分数，当转矩高于低参考极限时允许计数器开始计数。
时间7 高参考频率值允许时间。转矩必须高于位置6的时间。此间采用高参考值。
位置8第二转矩中间点。转矩小于位置6且当时间7到后采用低参考值。
3.2 实验调试结果分析
抽油机多功能控制柜在辽河油田洼3737井、海C9-17井投入实验运行，控制柜运行稳定，节能效果显著。变频器运行参数曲线如图4所示。抽油机上冲程要慢,电动机处于电动状态, 图中电动机转速低,变频器输出频率低, 电机转矩为正,直流母线电压低。抽油机下冲程要快,部分时间电动机处于发电状态, 图中电动机转速增加,变频器输出频率高, 处于发电状态时电机转矩为负,直流母线电压很高。

系统设计指标为节电率15%，增产率5%。系统运行实际数据如下表：达到了设计要求。
井号及电机型号 洼3737 y280m-8 海C9-17 y280m-12
工 况 变频 共频 变频 共频
有功日均耗电 137度 188度 135度 143度
无功日均耗电 33度 799度 27度 778度
有功节电率 27% 5.93%
无功节电率 96% 96.6%
综合功节电率 34．9% 18．37%
日均液量 12.15吨 9.225吨 23.1吨 20.1吨
变频实验增产率 31.7% 9.95%

4 结论
本系统充分利用了VACON变频器具有可编程功能，实现了其它普通变频器无法实现的功能。因此，本系统具备如下优点：
1 人机界面友好，安装方便，操作简单
控制柜上具有控制器的操作面板和各种操作运行按钮，操作方便。
控制器的显示面板可以直接显示变频器的输出电压，输出电流，输出频率，电机运行消耗的能量，运行时间，抽油次数等。变频器的运行参考可直接设置抽油机的抽油次数，改变传统的设置电机运行频率的操作方式，具有良好的人机界面。
2 运行安全，性能可靠
该控制柜内没有任何的PLC，而是基于变频器的特殊控制程序进行控制，并且具有工频和变频的操作的方式，且这两种操作方式互锁，并相互独立，控制柜所采用的变频器也具有宽广的输入电压范围，因此使控制器的运行更安全，性能更加可靠。
3 高效节能，增产
控制器内无任何的制动电阻，当抽油机处于发电机运行状态时，变频器自动提高电机的运行速度，并储存发电机状态的能量，比传统的设计方式，减少了不必要的能量损失。
变频器的控制程序是根据油田实际情况，特殊开发的控制程序，它能自主判断抽油机运行的上下冲程，根据油井的实际情况，实时调节上下冲程的速度，达到实际抽油时，不更改每分钟的抽油次数，但增加每次抽油时的采油量，提高抽油机的产量。