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1 引言
隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，日益激烈的市場和越來越嚴(yán)格的環(huán)境保護(hù)要求，已經(jīng)對能源生產(chǎn)自動(dòng)化水平的提高和管理水平的進(jìn)步提出了更高的要求。都需要建立現(xiàn)代化的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)。可編程控制器（plc）、監(jiān)視控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（scada）、變頻器、傳感器與儀表、調(diào)節(jié)器等自動(dòng)化產(chǎn)品在我國能源工業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程中扮演了不可或缺的角色。
我國的油田絕大部分為低能、低產(chǎn)油田，大部分油田靠抽油機(jī)(磕頭機(jī))把油從地層中提升上來。耗電費(fèi)用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，節(jié)省電耗就是直接降低石油的開采成本。
變頻器從上個(gè)世紀(jì)80年代在中國推出以后，在國民經(jīng)濟(jì)和日常生活中發(fā)揮著日益重要作用，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于企業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)以及人們的日常生活中。變頻器廣泛應(yīng)用,主要得益于其優(yōu)良的節(jié)能特性和調(diào)速特性。中國產(chǎn)值能耗是世界上最高的國家之一。要解決產(chǎn)品能耗問題，除其它相關(guān)的技術(shù)問題需要改進(jìn)外，變頻調(diào)速已成為節(jié)能及提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效措施。油田作為一個(gè)特殊行業(yè)，有其獨(dú)特的背景，在油田中以風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載為主，因而決定了變頻器在油田中的應(yīng)用，以節(jié)能為第一目標(biāo)。油田中變頻器的應(yīng)用主要集中在游梁式抽油機(jī)控制、潛泵控制、注水井控制和油氣集輸控制等幾個(gè)場合。
針對抽油機(jī)的特點(diǎn)，芬蘭vacon公司專門基于nx系列變頻器開發(fā)了一款抽油機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)了抽油機(jī)變頻控制。
2 游梁式抽油機(jī)的工作原理
游梁式抽油機(jī)系統(tǒng)包括電機(jī)、抽油機(jī)、抽油桿、油管、深井泵等。抽油機(jī)為四連桿機(jī)構(gòu)，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為抽油桿的垂直直線運(yùn)動(dòng)，抽油桿帶動(dòng)深井泵，在下行時(shí)靠油層壓力向泵內(nèi)滲油，上行時(shí)將油提升，如此往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使石油在一定的動(dòng)壓力下被抽到地面以上，送往儲(chǔ)油管。
抽油機(jī)動(dòng)力配重桿每旋轉(zhuǎn)一周，抽油桿完成一個(gè)上沖程和一個(gè)下沖程；抽油機(jī)動(dòng)力配重桿每分鐘旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)即為沖次。一般地，在工頻電機(jī)拖動(dòng)下，抽油機(jī)及抽油桿理論上是勻速運(yùn)動(dòng)，按照電機(jī)的轉(zhuǎn)速和傳動(dòng)比很容易計(jì)算出抽油機(jī)系統(tǒng)的沖次，并結(jié)合傳動(dòng)輪直徑和連桿尺寸可方便地計(jì)算出上下沖程。
根據(jù)抽油機(jī)的抽油原理和地下液體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，抽油桿上行（上沖程）應(yīng)較快，這樣做可減少上行時(shí)間油泵泄漏；下行（下沖程）速度較慢，則可以增加滲油量從而提高產(chǎn)量，并且顯著節(jié)省電能。
當(dāng)游梁式抽油機(jī)工作時(shí)，驢頭懸點(diǎn)上作用的載荷是變化的。上沖程時(shí)，驢頭懸點(diǎn)需提起抽油桿柱和液柱，在抽油機(jī)未進(jìn)行平衡的條件下，電動(dòng)機(jī)就要輸出很大的轉(zhuǎn)矩。在下沖程時(shí)，抽油機(jī)桿柱對電動(dòng)機(jī)作功，使電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。抽油機(jī)未進(jìn)行平衡時(shí)，上、下沖程的載荷極度不均勻，這樣將嚴(yán)重地影響抽油機(jī)的四連桿機(jī)構(gòu)、減速箱和電動(dòng)機(jī)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(diǎn)，一般在抽油機(jī)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(diǎn)下沖程時(shí)，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(dòng)機(jī)輸出一定的轉(zhuǎn)矩。在上沖程時(shí)，平衡重由高處下落，把下沖程時(shí)儲(chǔ)存的位能釋放出來，幫助電動(dòng)機(jī)提升抽油桿和液柱，減少了電動(dòng)機(jī)在上沖程時(shí)所需給出的轉(zhuǎn)矩。

圖1 復(fù)合平衡式游梁式抽油機(jī)

目前使用較多的游梁式抽油機(jī)，都采用了加平衡配重的工作方式。當(dāng)平衡配重調(diào)節(jié)較好時(shí)，其發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的時(shí)間和產(chǎn)生的能量都較小。
3 抽油機(jī)控制算法設(shè)計(jì)原理
vacon變頻器具有可編程功能。編程工具vacon nc1131-3 engineering是一個(gè)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(jì)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(jí)功能模塊，如各種濾波器，pi控制器和積分器。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(bào)警，必須加制動(dòng)電阻，制動(dòng)電阻消耗能量，達(dá)不到系統(tǒng)節(jié)能要求，同時(shí)還要有其它微機(jī)控制器等，系統(tǒng)復(fù)雜。利用vacon變頻器具有可編程功能，利用抽油機(jī)工作時(shí)，驢頭懸點(diǎn)載荷是非線性變化的。設(shè)計(jì)變頻器應(yīng)用程序，根據(jù)電動(dòng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化情況，變頻器將實(shí)時(shí)計(jì)算抽油機(jī)適合運(yùn)行的速度，實(shí)時(shí)計(jì)算上、下沖程的時(shí)間，使上沖程速度加快，而下沖程速度變慢，達(dá)到增產(chǎn)的目的，同時(shí)當(dāng)抽油機(jī)處于發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，變頻器將控制電機(jī)采用抽油機(jī)的慣性運(yùn)行，而不輸出任何的轉(zhuǎn)矩。采用智能控制算法后，抽油機(jī)工作所需的轉(zhuǎn)矩和電流將明顯減小，由于抽油機(jī)速度大時(shí)，其輸出的轉(zhuǎn)矩小；速度慢時(shí)，其輸出的轉(zhuǎn)矩也比工頻時(shí)小，從而達(dá)到節(jié)能的目的，同時(shí)也避免了變頻器過壓故障。
3.1 vacon變頻器算法設(shè)計(jì)
●電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)采用專用抽油機(jī)變頻起動(dòng)程序
根據(jù)抽油機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和電流較大的情況，采用了特殊的起動(dòng)和運(yùn)行方式，減小其起動(dòng)時(shí)的電流沖擊，并確保抽油機(jī)在任何位置都能很好地起動(dòng)。
●電動(dòng)機(jī)工作時(shí)實(shí)時(shí)計(jì)算修改上、下沖程速度，保持恒定的沖次。
由于每次采油量的不同，因而可能造成每次抽油機(jī)的運(yùn)行時(shí)間的長短都不一致，所以在設(shè)計(jì)的抽油機(jī)專用程序中，將實(shí)時(shí)計(jì)算上、下沖程的速度，保持恒定的沖次。
平衡負(fù)載模式控制方式如圖2，此模式下，電動(dòng)機(jī)會(huì)有很短的發(fā)電時(shí)間。
根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)矩變化規(guī)律，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，設(shè)計(jì)智能控制算法，控制變頻器輸出頻率。控制算法的輸入信號(hào)是與沖程次數(shù)對應(yīng)的電壓信號(hào)，反饋信號(hào)為變頻器輸出轉(zhuǎn)矩、變頻器輸出頻率信號(hào)。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

智能控制算法程序設(shè)計(jì)規(guī)則：如圖3

圖3 平衡模式控制方式

位置1為第一計(jì)數(shù)起始點(diǎn)。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(shí)允許計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。
時(shí)間2 低參考值允許時(shí)間。轉(zhuǎn)矩必須高于位置1的轉(zhuǎn)矩。此時(shí)間采用低頻率參考值。
位置3 第一轉(zhuǎn)矩中間點(diǎn)。轉(zhuǎn)矩小于位置3且當(dāng)時(shí)間2到后采用高參考頻率值。
時(shí)間4 高參考值最小時(shí)間。給定高參考值后直到允許低參考值的最小時(shí)間。
時(shí)間5 高參考值最小循環(huán)時(shí)間。高參考值后直到再次為高參考值的最小時(shí)間。
位置6 第二計(jì)數(shù)起始點(diǎn)。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(shí)允許計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。
時(shí)間7 高參考頻率值允許時(shí)間。轉(zhuǎn)矩必須高于位置6的時(shí)間。此間采用高參考值。
位置8 第二轉(zhuǎn)矩中間點(diǎn)。轉(zhuǎn)矩小于位置6且當(dāng)時(shí)間7到后采用低參考值。
3.2 控制系統(tǒng)特點(diǎn)
本系統(tǒng)充分利用了vacon變頻器具有可編程功能。實(shí)現(xiàn)了其它普通變頻器無法實(shí)現(xiàn)的功能。本系統(tǒng)如下優(yōu)點(diǎn)：
(1) 人機(jī)界面友好，安裝方便，操作簡單
控制柜上有變頻器的操作面板和各種操作運(yùn)行按鈕，操作方便。
變頻器的顯示面板可以顯示變頻器的輸出電壓，輸出電流，輸出頻率，電機(jī)運(yùn)行消耗的能量，運(yùn)行時(shí)間，抽油次數(shù)等。變頻器的運(yùn)行參考可直接設(shè)置抽油機(jī)的抽油次數(shù)，改變傳統(tǒng)的設(shè)置電機(jī)運(yùn)行頻率的操作方式，具有良好的人機(jī)界面。
(2) 運(yùn)行安全，性能可靠
實(shí)現(xiàn)了真正的“軟起動(dòng)”，對電動(dòng)機(jī)、變速箱、抽油機(jī)都避免了過大的機(jī)械沖擊，延長了設(shè)備的使用壽命，減少了停產(chǎn)時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。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(jìn)行控制，并且具有工頻和變頻的工作方式，且這兩種工作方式互鎖，并相互獨(dú)立，控制柜所采用的變頻器也具有寬廣的輸入電壓范圍，因此使系統(tǒng)運(yùn)行更安全、可靠。
(3) 高效節(jié)能，增產(chǎn)
提高了功率因數(shù)(可由原來的0.25～0.5提高到0.9以上)，減小了供電電流，從而減輕了電網(wǎng)及變壓器的負(fù)擔(dān)，降低了線損。控制器內(nèi)無任何的制動(dòng)電阻，當(dāng)抽油機(jī)處于發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，變頻器自動(dòng)提高電機(jī)的運(yùn)行速度，并儲(chǔ)存發(fā)電機(jī)狀態(tài)的能量，比傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(shí)際情況，特殊開發(fā)的控制程序，它能自主判斷抽油機(jī)運(yùn)行的上下沖程，根據(jù)油井的實(shí)際情況，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)上下沖程的速度，提高抽油機(jī)的產(chǎn)量。
(4) 具有網(wǎng)絡(luò)功能
系統(tǒng)有對監(jiān)視控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（scada）的接口。對實(shí)現(xiàn)油井管理的自動(dòng)化、提高工作效率、保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和加強(qiáng)現(xiàn)場事故應(yīng)急處理等具有重要的意義。