變頻控制技術(shù)的應(yīng)用 數(shù)控抽油機(jī)和智能抽油機(jī)的比較

變頻控制技術(shù)在抽油機(jī)上應(yīng)用，能使抽油機(jī)－抽油桿－抽油泵達(dá)到動態(tài)協(xié)調(diào)，使有桿抽油系統(tǒng)和油井供液系統(tǒng)達(dá)到動態(tài)協(xié)調(diào)。當(dāng)前抽油機(jī)變頻控制技術(shù)主要有數(shù)控抽油機(jī)和智能抽油機(jī)。這兩種抽油機(jī)從工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、性能指標(biāo)、運(yùn)動規(guī)律等幾方面均不相同，分別代表了變頻控制技術(shù)在抽油生產(chǎn)設(shè)備中兩種不同類型的應(yīng)用。數(shù)控抽油機(jī)是徹底拋棄了游梁抽油機(jī)，從變頻控制系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)到機(jī)械結(jié)構(gòu)等方面重新設(shè)計(jì)、制造；智能抽油機(jī)是在繼承了游梁抽油機(jī)諸多優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用變頻控制技術(shù)控制游梁抽油機(jī)。由于受諸多因素影響，變頻控制技術(shù)在抽油生產(chǎn)設(shè)備上尚未獲得較大規(guī)模推廣。

變頻控制技術(shù)自80年代中后期，先后在挪威、美國、加拿大等國用于驅(qū)動石油鉆機(jī)，變頻控制驅(qū)動鉆機(jī)被世界公認(rèn)為80年代發(fā)展起來的鉆井裝備四大新技術(shù)之一。實(shí)踐證明，在油田設(shè)備上應(yīng)用變頻控制技術(shù)不僅自動化程度提高，節(jié)能效果明顯，而且降低工人的勞動強(qiáng)度，減少工作量，綜合效益明顯。目前，變頻控制技術(shù)在油田正向廣度和深度發(fā)展。但變頻控制技術(shù)在抽油生產(chǎn)設(shè)備中的應(yīng)用還很少，當(dāng)前主要有兩種：數(shù)控抽油機(jī)和智能抽油機(jī)。這兩種抽油機(jī)從工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、性能指標(biāo)、運(yùn)動規(guī)律等幾方面均不相同，分別代表了變頻技術(shù)在抽油生產(chǎn)設(shè)備中兩種不同類型的應(yīng)用。國內(nèi)數(shù)控抽油機(jī)從90年代初期開始研制，經(jīng)過不斷的技術(shù)改進(jìn)，先后應(yīng)用在大港、華北、大慶、勝利等油田十幾口油井上；國內(nèi)智能抽油機(jī)從90年代中期開始研制，經(jīng)過不斷技術(shù)改進(jìn)，先后應(yīng)用在新疆、遼河、華北等油田的十幾口油井上。這兩種抽油機(jī)經(jīng)油田現(xiàn)場使用表明：使抽油系統(tǒng)增產(chǎn)、節(jié)能、無級調(diào)速，最終提高抽油系統(tǒng)的系統(tǒng)效率。

1變頻控制技術(shù)在數(shù)控抽油機(jī)上應(yīng)用

數(shù)控抽油機(jī)以全數(shù)控電力拖動為基礎(chǔ)，綜合應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)、過程控制技術(shù)、傳感器技術(shù)，按照機(jī)電一體化的設(shè)計(jì)思想精心制造的電子—機(jī)械裝置，它可以根據(jù)每口油井的工況及時(shí)調(diào)整抽汲參數(shù)，使抽油機(jī)在最佳參數(shù)下運(yùn)行。數(shù)控抽油機(jī)在我國及世界居領(lǐng)先地位。

1.1數(shù)控抽油機(jī)的工作原理

數(shù)控抽油機(jī)由變頻調(diào)速器、可編程控制器、位置傳感器、同步電動機(jī)、機(jī)架等組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。數(shù)控抽油機(jī)的變頻控制部分主要由變頻調(diào)速器和可編程控制器組成，根據(jù)不同井況而編寫的程序事先存貯于可編程控制器中，可編程控制器根據(jù)位置傳感器輸入的信號并根據(jù)內(nèi)部控制程序來決定其輸出信號，變頻調(diào)速器接受可編程控制器的輸出信號，并根據(jù)其內(nèi)部指令編程決定其輸出電源的頻率和電壓，變頻調(diào)速器輸出的電源控制稀土同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，電動機(jī)通過減速器驅(qū)動機(jī)架上的鏈輪，鏈輪驅(qū)動鏈條帶動抽油桿往復(fù)運(yùn)動。

1.2數(shù)控抽油機(jī)的性能指標(biāo)

數(shù)控抽油機(jī)較傳統(tǒng)的游梁抽油機(jī)有許多優(yōu)點(diǎn)：

（1）通過調(diào)節(jié)上、下死點(diǎn)極限位置磁塊的間距，可方便地?zé)o級調(diào)整抽油機(jī)沖程；

（2）通過調(diào)節(jié)變頻調(diào)速器輸出電源的頻率，從而改變同步電動機(jī)轉(zhuǎn)速，可無級調(diào)節(jié)抽油機(jī)沖次；

（3）由于使用變頻調(diào)速器，使電動機(jī)啟動電流大幅降低，功率因數(shù)大幅度提高，達(dá)0.9以上；

（4）由于采用變頻控制技術(shù)，使抽油系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了軟停、軟啟，勻速提升排液和勻速下降進(jìn)液，整機(jī)工作平穩(wěn)，運(yùn)行沖擊載荷減?。?/p>

（5）由于抽油機(jī)—抽油桿—抽油泵能動態(tài)協(xié)調(diào)，增產(chǎn)、節(jié)能明顯；

（6）具有過載、過電流、過電壓、瞬時(shí)失速等多種較強(qiáng)的保護(hù)功能。

1.3數(shù)控抽油機(jī)的運(yùn)動規(guī)律

由4個(gè)部分組成：A 為“S”形加速過程，B為勻速提升排液過程，C為逆“S”形負(fù)加速過程，D為勻速下降進(jìn)液過程，數(shù)控抽油機(jī)的運(yùn)動規(guī)律像一架先進(jìn)的高速電梯一樣，能在高速運(yùn)行條件下工作得非常平穩(wěn)，從而保證了數(shù)控抽油機(jī)良好的機(jī)械受力情況，抽油泵充滿度高且耗電少。

2變頻控制技術(shù)在智能抽油機(jī)上應(yīng)用

智能抽油機(jī)是應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)、過程控制技術(shù)、電力電子技術(shù)和單片機(jī)等高新技術(shù)改造現(xiàn)有的游梁抽油機(jī)，使其智能化。智能抽油機(jī)是對游梁抽油機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造，以全數(shù)控主式拖動電動機(jī)，以識別泵充滿程度自動調(diào)節(jié)抽汲參數(shù)。

2.1智能抽油機(jī)的工作原理

智能抽油機(jī)由變頻調(diào)速器、可編程控制器、單片機(jī)、位置傳感器、異步電動機(jī)、游梁式抽油機(jī)等組成，智能抽油機(jī)的變頻控制部分主要由變頻調(diào)速器、可編程控制器和單片機(jī)組成，單片機(jī)在線檢測、采集、計(jì)算電動機(jī)瞬時(shí)功率和一個(gè)沖次的平均功率，單片機(jī)輸出控制信號給可編程控制器，可編程控制器對接受到控制信號經(jīng)內(nèi)部程序處理輸出控制信號給變頻調(diào)速器，變頻調(diào)速器接受可編程控制器的控制信號并根據(jù)內(nèi)部指令編程來決定其輸出電源的頻率和電壓，變頻調(diào)速器輸出的電源控制異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，電動機(jī)通過減速器和4連桿機(jī)構(gòu)帶動抽油桿往復(fù)運(yùn)動。

2.2智能抽油機(jī)的性能指標(biāo)

智能抽油機(jī)在保留傳統(tǒng)的游梁抽油機(jī)諸多優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，具有許多游梁抽油機(jī)不具有的優(yōu)點(diǎn)：

（1）通過調(diào)節(jié)變頻調(diào)速器輸出電源的頻率，從而改變異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速，可無級調(diào)節(jié)抽油機(jī)沖次；

（2）通過上、下死點(diǎn)位置傳感器控制變頻調(diào)速器上、下沖程輸出不同頻率的電源，從而使電動機(jī)上、下沖程轉(zhuǎn)速不同，可無級調(diào)節(jié)抽油機(jī)上下沖程速比；

（3）由于使用變頻調(diào)速器，使抽油系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了軟啟動，電動機(jī)啟動電流大幅降低，功率因數(shù)大幅度提高，達(dá)0.9以上；

（4）由于抽油機(jī)—抽油桿—抽油泵能動態(tài)協(xié)調(diào)，增產(chǎn)、節(jié)能明顯；

（5）具有過載、過電流、過電壓、瞬時(shí)失速等多種較強(qiáng)的保護(hù)功能。

2.3智能抽油機(jī)的運(yùn)動規(guī)律

由于驅(qū)動抽油機(jī)的電動機(jī)一個(gè)沖程周期中上沖程和下沖程的電動機(jī)轉(zhuǎn)速不同，使抽油機(jī)驢頭懸點(diǎn)速度曲線為幅值不等的兩個(gè)半正弦曲線。圖4是新疆油田某采油廠5139井的智能抽油機(jī)驢頭懸點(diǎn)速度—時(shí)間曲線，機(jī)型是5型常規(guī)游梁機(jī)，上沖程電源頻率為45Hz（上沖程沖次為5.94min－1，下沖程電源頻率為30Hz（下沖程沖次為4.37min－1），上下沖程速比為1.36，LL代表智能抽油機(jī)懸點(diǎn)速度的精確解，NH代表智能抽油機(jī)實(shí)測數(shù)據(jù)擬合數(shù)值解。

3數(shù)控抽油機(jī)和智能抽油機(jī)的比較

數(shù)控抽油機(jī)是徹底拋棄現(xiàn)場大量使用的游梁抽油機(jī)，對游梁抽油機(jī)無任何繼承，從變頻控制系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)等方面重新設(shè)計(jì)、制造，代表了變頻控制技術(shù)在抽油生產(chǎn)設(shè)備上應(yīng)用的一個(gè)方向；智能抽油機(jī)是在保留現(xiàn)場大量使用的游梁抽油機(jī)，繼承了游梁抽油機(jī)諸多優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用變頻控制技術(shù)控制游梁抽油機(jī)，代表了變頻控制技術(shù)在抽油生產(chǎn)設(shè)備上應(yīng)用的另一個(gè)方向。

4影響變頻控制技術(shù)推廣的因素

變頻控制技術(shù)在抽油機(jī)上應(yīng)用，對抽油生產(chǎn)設(shè)備來說是一個(gè)很大進(jìn)步，它從根本上改變了抽油機(jī)的運(yùn)動特性和動力特性，使抽油機(jī)—抽油桿—抽油泵達(dá)到動態(tài)協(xié)調(diào)，使有桿抽油系統(tǒng)和油井供液系統(tǒng)達(dá)到動態(tài)協(xié)調(diào)。但自90年代初期至今，變頻控制在抽油生產(chǎn)設(shè)備上并未獲得較大規(guī)模推廣，影響的因素較多，主要有以下幾方面：

（1）作為變頻控制技術(shù)的主要設(shè)備變頻調(diào)速器、可編程控制器價(jià)格較貴，從而使整機(jī)價(jià)格高于游梁抽油機(jī)，使數(shù)控抽油機(jī)和智能抽油機(jī)同游梁抽油機(jī)競爭在價(jià)格上失去優(yōu)勢；

（2）由于油井環(huán)境一般比較惡劣，變頻調(diào)速器、可編程控制器等電子設(shè)備相比之下顯得比較“嬌貴”，容易出現(xiàn)故障，影響油田使用的積極性；

（3）變頻控制技術(shù)在抽油生產(chǎn)中應(yīng)用目前還是一項(xiàng)新技術(shù)，還有許多方面需要完善，還有許多問題需要研究，油田使用者應(yīng)對新事物、新技術(shù)給予支持和幫助，不應(yīng)把它同已有一百多年歷史的游梁抽油機(jī)同樣看待，認(rèn)識上的問題成為抽油機(jī)變頻控制技術(shù)在抽油生產(chǎn)中推廣的一大障礙；

（4）油田管理體制、管理水平、技術(shù)人員和工人的文化素質(zhì)成為影響變頻控制技術(shù)在抽油生產(chǎn)中推廣的最主要障礙之一。

5抽油機(jī)變頻控制技術(shù)展望

變頻控制技術(shù)已廣泛應(yīng)用在國內(nèi)外各大油田原油集輸系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、石油鉆機(jī)等方面，但變頻控制技術(shù)應(yīng)用于抽油生產(chǎn)中還很有限，我國自90年代以來在這一領(lǐng)域一直處于世界各國前列。因此，應(yīng)通過加大科研開發(fā)和應(yīng)用力度，提高油田管理水平，提高油田技術(shù)人員和工人的文化素質(zhì)，使變頻控制技術(shù)廣泛應(yīng)用在我國各大油田抽油生產(chǎn)中，使我國在抽油機(jī)變頻控制技術(shù)方面繼續(xù)保持世界領(lǐng)先地位。

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