變頻遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)在油田中研究與應(yīng)用 - 全文

  摘要：目前，國(guó)內(nèi)外很多電力拖動(dòng)場(chǎng)合已將矢量控制的變頻器廣泛應(yīng)用于通用機(jī)械、紡織、印染、造紙、軋鋼、化工、石油等行業(yè)中交流電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速，已明顯取得節(jié)能效果并滿足工藝和自動(dòng)調(diào)速要求。目前油田節(jié)能降耗，建造數(shù)字化油田已成為中國(guó)石油行業(yè)的發(fā)展目標(biāo)。采用變頻調(diào)速及無(wú)線通訊系統(tǒng)能對(duì)油田油井的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，遠(yuǎn)程調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)。從而降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度。使抽油機(jī)運(yùn)行在最佳理想狀態(tài)。本文以PL-ZNCY系列變頻遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)先容其工作原理及在油田中的應(yīng)用情況。

一、前言

我國(guó)的油田絕大部分為低能、低產(chǎn)油田，不像國(guó)外的油田有很強(qiáng)的自噴能力，大部分油田要靠注水來(lái)壓油入井，靠抽油機(jī)(磕頭機(jī))把油從地層中提升上來(lái)。以水換油、以電換油是目前我國(guó)油田的現(xiàn)實(shí)，電費(fèi)在我國(guó)的石油開(kāi)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、增產(chǎn)、減少設(shè)備維護(hù)等。

目前據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)抽油機(jī)的保有量在10萬(wàn)臺(tái)以上，電動(dòng)機(jī)裝機(jī)總?cè)萘吭?500MW，年耗電逾百億KW·h。抽油機(jī)的運(yùn)行效率特別低，在我國(guó)平均運(yùn)行效率為25.96%，國(guó)外平均水平為30.05%，年節(jié)能潛力可達(dá)幾十億KW·h。除了抽油機(jī)之外，油田還有大量的注水泵、輸油泵、潛油泵等設(shè)備，總耗電量超過(guò)油田總用電量的80%。可見(jiàn)，石油行業(yè)也是推廣“電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能”的重點(diǎn)行業(yè)。

抽油機(jī)節(jié)能，其首選方案是采用變頻器對(duì)其電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改造，抽油機(jī)改用變頻器拖動(dòng)后有以下幾個(gè)好處：

1)大大提高了功率因數(shù)(提高到0.9以上)，大大減小了供電(視在)電流，從而減輕了電網(wǎng)及變壓器的負(fù)擔(dān)，降低了線損，可省去大量的“增容”開(kāi)支；

2)可根據(jù)油井的實(shí)際供液能力，動(dòng)態(tài)調(diào)整抽取速度，一方面達(dá)到節(jié)能目的，同時(shí)還可以增加原油產(chǎn)量；

3)由于實(shí)現(xiàn)了真正的“軟起動(dòng)”，對(duì)電動(dòng)機(jī)、變速箱、抽油機(jī)都避免了過(guò)大的機(jī)械沖擊，大大延長(zhǎng)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。

但是，變頻器用于抽油機(jī)電機(jī)時(shí)，也有幾個(gè)問(wèn)題需要解決。

(1)沖擊電流問(wèn)題

如圖1所示，游梁式抽油機(jī)是一種變形的四連桿機(jī)構(gòu)，其整機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)像一架天平，一端是抽油載荷，另一端是平衡配重載荷。對(duì)于支架來(lái)說(shuō)，如果抽油載荷和平衡載荷形成的扭矩相等或變化一致，那么用很小的動(dòng)力就可以使抽油機(jī)連續(xù)不間斷地工作。也就是說(shuō)抽油機(jī)的節(jié)能技術(shù)取決于平衡的好壞。在平衡率為100%時(shí)電動(dòng)機(jī)提供的動(dòng)力僅用于提起1/2液柱重量和克服摩擦力等，平衡率越低，則需要電動(dòng)機(jī)提供的動(dòng)力越大。因?yàn)?，抽油載荷是每時(shí)每刻都在變化的，而平衡配重不可能和抽油載荷作完全一致的變化，才使得游梁式抽油機(jī)的節(jié)能技術(shù)變得十分復(fù)雜。因此，可以說(shuō)游梁式抽油機(jī)的節(jié)能技術(shù)就是平衡技術(shù)

(2)電磁干擾(EMI)問(wèn)題，即變頻器對(duì)微電腦控制器，傳感(變送)器及通信設(shè)備的干擾問(wèn)題。因?yàn)樽冾l器是一個(gè)很強(qiáng)的電磁干擾源，變頻器中的開(kāi)關(guān)器件，以及產(chǎn)生的SPWM電壓波形，會(huì)對(duì)控制及通信系統(tǒng)造成很大的干擾。干擾的途徑，除了感應(yīng)，輻射之外，也包括傳導(dǎo)干擾。

(3)諧波干擾問(wèn)題，變頻器對(duì)輸入側(cè)產(chǎn)生諧波對(duì)變頻器而言只要有整流回路就將產(chǎn)生非線性引起的諧波，按傅氏級(jí)數(shù)可分解基波和各次諧波，通常含有6m+1(m=1，2，3，……。)次。在變頻器逆變輸出回路中輸出電壓輸出電流均有諧波。由于變頻器是通過(guò)CPU產(chǎn)生6組脈寬可調(diào)的SPWM波控制三相6組功率元件導(dǎo)通/關(guān)斷，從而形成電壓、頻率可調(diào)三相輸出電壓。其輸出電壓和輸出電流是由SPWM波和三角波的交點(diǎn)產(chǎn)生的，不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波用傅氏級(jí)數(shù)分解電壓方波和電流正弦鋸齒波可分析出包含較強(qiáng)的高次諧波成分。

因此變頻器的諧波產(chǎn)生危害不可忽視對(duì)容量大的電力系統(tǒng)影響不是十分明顯，但對(duì)于電力系統(tǒng)容量小的系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生不可忽視。它對(duì)公用電網(wǎng)是一種污染，使電設(shè)備所處的環(huán)境惡化，給周圍的通信系統(tǒng)和公用網(wǎng)以外的設(shè)備帶來(lái)危害。主要表現(xiàn)在一下幾點(diǎn)：1、諧波使電網(wǎng)中電器元件產(chǎn)生附件的諧波損耗，降低輸變電及用電設(shè)備的效率。2、諧波會(huì)引起電網(wǎng)中局部串聯(lián)或并聯(lián)諧振，3、電流諧波將增加變壓器銅損。4、諧波引起電動(dòng)機(jī)附加發(fā)熱，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)額外溫升并影響電機(jī)絕緣。

(4)可靠性和環(huán)境適應(yīng)性問(wèn)題

由于抽油機(jī)都在環(huán)境惡劣的野外工作，并且很多油井是無(wú)人值守的，所以，對(duì)變頻器的可靠性和環(huán)境適應(yīng)能力提出了很高的要求：既要選用可靠性指標(biāo)高的變頻器品牌，又要給變頻器在野外惡劣環(huán)境下工作創(chuàng)造必要的條件，如設(shè)計(jì)防護(hù)等級(jí)高的雙層密閉隔墊(保溫)控制柜，對(duì)晝夜溫差大的地區(qū)，柜內(nèi)設(shè)計(jì)強(qiáng)迫風(fēng)冷系統(tǒng)，可以將柜內(nèi)的熱量排出，并在柜底設(shè)計(jì)有冷空氣入口，使之適合在夏季沙漠高溫環(huán)境中使用。并使控制柜避免陽(yáng)光直接照射及雨淋。

二、PL-ZNCY系列變頻監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)

PL-ZNCY系列變頻監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)是保利深遠(yuǎn)(北京)新能源科技有限公司依靠自身研發(fā)，技術(shù)力量為打造人性化，智能化，數(shù)字化油田而設(shè)計(jì)的高科技變頻監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)。本公司以綠色能源科技產(chǎn)品和工業(yè)自動(dòng)化控制產(chǎn)品為核心的高科技產(chǎn)品的研發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及服務(wù)為一體，產(chǎn)品包括高性能矢量型變頻器、工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，抽油機(jī)(螺桿泵)變頻智能監(jiān)測(cè)控制柜、太陽(yáng)能、風(fēng)能及互補(bǔ)系統(tǒng)、便攜式電源、野外照明系統(tǒng)等。公司秉承：“為社會(huì)創(chuàng)造效益，為用戶創(chuàng)造價(jià)值，為員工創(chuàng)造機(jī)會(huì)”的企業(yè)文化和“誠(chéng)信務(wù)實(shí)，專業(yè)服務(wù)”的企業(yè)精神，以“創(chuàng)新，設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)”為理念吸納了大批專業(yè)人才的加盟。雄厚的技術(shù)力量，專業(yè)的方案設(shè)計(jì)，先進(jìn)的檢測(cè)設(shè)備，快捷的信息交流，現(xiàn)代化的管理體制，使公司迅速成為研究開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)制造、市場(chǎng)營(yíng)銷、工程設(shè)計(jì)、安裝施工和售后維護(hù)服務(wù)于一體的高新技術(shù)企業(yè)。

PL-ZNCY系列變頻監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)代表著當(dāng)今抽油機(jī)節(jié)能控制技術(shù)的一項(xiàng)革命性突破。盡量使抽油機(jī)的工作方式與油井的實(shí)際負(fù)荷及環(huán)境條件相匹配，提高抽油機(jī)的充滿度，從而提高電動(dòng)機(jī)的效率與功率因數(shù)，達(dá)到節(jié)能增產(chǎn)的目的。

1、PL-ZNCY系列抽油機(jī)變頻監(jiān)視控制系統(tǒng)是綜合國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)，針對(duì)抽油機(jī)的特殊負(fù)載情況專門設(shè)計(jì)的具有變頻控制，遠(yuǎn)程監(jiān)視等高科技產(chǎn)品。

該系統(tǒng)保留了游梁式抽油機(jī)諸多優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合先進(jìn)的采油工藝，綜合計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、電力電子等技術(shù)實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)的智能控制：抽油機(jī)沖次和上下沖程速比無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，優(yōu)化抽汲參數(shù)，達(dá)到增產(chǎn)、節(jié)能、自控的目標(biāo)，最終提高抽油系統(tǒng)的系統(tǒng)效率。系統(tǒng)的人機(jī)接口界面設(shè)計(jì)極其簡(jiǎn)單，為現(xiàn)場(chǎng)人員的使用及維護(hù)帶來(lái)極大方便。特別適用工作環(huán)境特別惡劣的油井，需要間歇工作的油井，經(jīng)常斷桿的油井，經(jīng)常結(jié)臘的油井，經(jīng)常改變井況的油井。

1.1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)原理

該系統(tǒng)使用的關(guān)鍵設(shè)備變頻器符合歐洲CE低壓電器標(biāo)準(zhǔn)，符合國(guó)際UL508C電力轉(zhuǎn)換設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，以及符合國(guó)際EN50081/2電磁兼容性EMC標(biāo)準(zhǔn)，

且有為抽油機(jī)專門設(shè)計(jì)的功能，內(nèi)含直流電抗器，輸入電抗器，輸出電抗器，減少了對(duì)電網(wǎng)的諧波干擾，提高了電網(wǎng)質(zhì)量；諧波符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) IEC61000-2-2各次諧波電壓含有的THDV低于8%，內(nèi)含RFI無(wú)線電射頻干擾濾波器，極大改進(jìn)了抗干擾和抗雷擊功能；內(nèi)含制動(dòng)單元，能夠有效地釋放制動(dòng)能量，形成集成控制，適應(yīng)抽油機(jī)的特殊應(yīng)用。抽油機(jī)變頻監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)是以“以人為本”設(shè)計(jì)理念使產(chǎn)品更具人性化。能進(jìn)行遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)視。根據(jù)各種功能模塊和相應(yīng)的傳感器的檢測(cè)，將油井實(shí)測(cè)的相關(guān)數(shù)據(jù)、參數(shù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸至數(shù)控中心進(jìn)行運(yùn)算比對(duì)，并通過(guò)矢量變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)控制，以達(dá)到高效節(jié)能的自動(dòng)化、數(shù)字化的控制目的。人性化的設(shè)計(jì)能進(jìn)行通過(guò)HMI(人機(jī)交換界面)完成遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定、 運(yùn)行數(shù)據(jù)、狀態(tài)顯示、功圖、日產(chǎn)油量等參數(shù)。

1.2 變頻器單元

作為變頻調(diào)速技術(shù)的實(shí)施單元，是整個(gè)系統(tǒng)最重要的器件之一，本系統(tǒng)配置的是保利深遠(yuǎn)(北京)新能源科技有限公司生產(chǎn)的矢量型PL-900系列高性能變頻器。PL-900系列高性能變頻器是沿續(xù)通用變頻器，在V/F控制上標(biāo)準(zhǔn)裝備了矢量控制?？蓪?shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)功率及輸出轉(zhuǎn)矩。變頻器額定電壓380-440V，額定功率范圍5.5-75KW，過(guò)載能力為：200%*60 秒。

開(kāi)關(guān)環(huán)磁通矢量控制及開(kāi)，閉環(huán)V/F控制可自由選擇。

適合機(jī)械特性負(fù)載，針對(duì)流體負(fù)載和實(shí)際工況可酌情降檔使用。

超低速高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，低速轉(zhuǎn)矩可達(dá)150%額定轉(zhuǎn)矩(100~300可設(shè)定)。

速度控制范圍可達(dá)1:1000(在閉環(huán)控制模式下)。

速度控制精度可達(dá)0.02%，頻率精度可達(dá)0.01%，輸出頻率分辨率可達(dá)0.01HZ。

加速時(shí)間可設(shè)定0.01秒，動(dòng)態(tài)響應(yīng)良好，負(fù)載適應(yīng)性極強(qiáng)。

具有滑差補(bǔ)償，轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，速度控制(ASR)，鍵盤(pán)數(shù)據(jù)復(fù)制，自學(xué)習(xí)。

PID調(diào)節(jié)，計(jì)時(shí)，節(jié)能，追逐防止等多種高級(jí)功能。

具有多功能輸入，輸出端子功能，多功能模擬輸入，輸出功能及串行通信接口。

具有7種參數(shù)的在線監(jiān)視功能。

具有電機(jī)保護(hù)，瞬時(shí)停電處理及失速防止，頻率檢出，異常復(fù)位，過(guò)力矩輸出，力矩極限，硬件保護(hù)功能及診斷功能，將避免機(jī)器可能發(fā)生的意外損壞。

獨(dú)特，先進(jìn)的主回路設(shè)計(jì)及報(bào)警功能，將完全保證整體的高可靠性。

具有中、英、德等七種語(yǔ)言顯示，界面友好。

1.3 電動(dòng)機(jī)監(jiān)控單元是我公司針對(duì)油田電機(jī)而專門開(kāi)發(fā)的電動(dòng)機(jī)監(jiān)控單元用戶可以監(jiān)控線電壓，相電壓，有功功率，功率因數(shù)，電流等電參量。對(duì)電動(dòng)機(jī)有啟動(dòng)堵轉(zhuǎn)、過(guò)載、欠壓、過(guò)壓、缺相、短路、欠載報(bào)警保護(hù)功能

1.4 無(wú)線載荷位移模塊用于采集示功圖，位移，沖程，太陽(yáng)能供電鋰電池。頻率426-441MHZ，低功率發(fā)射，高靈敏接受，抗干擾能力強(qiáng)，符合歐洲ETSI(EN300-220-1和EN301-439)及(15.247和15.249)認(rèn)證規(guī)格。對(duì)油井的油壓，油溫進(jìn)行無(wú)線傳輸，對(duì)油井的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1.5 溫控單元 抽油機(jī)控制柜中的電器組件對(duì)溫度都有嚴(yán)格要求，因此必須檢測(cè)和控制控制柜內(nèi)溫度。本單元主要器件包括溫控儀、風(fēng)扇，溫度傳感器和加熱系統(tǒng)等。適應(yīng)范圍廣-40℃-75℃ 特別適用于沙漠高溫及北部寒冷地區(qū)。

1.6 戶外標(biāo)準(zhǔn)柜體，專利設(shè)計(jì)，雙層保溫設(shè)計(jì)，防風(fēng)沙，防護(hù)等級(jí)高。

2、產(chǎn)品特性：

針對(duì)國(guó)內(nèi)各大油田的實(shí)際狀況本產(chǎn)品在設(shè)計(jì)上處于領(lǐng)先地位的人性化設(shè)計(jì)具有工頻和變頻，手動(dòng)和自動(dòng)，遠(yuǎn)程和就地等多種工作模式的選擇。遠(yuǎn)程給定頻率調(diào)節(jié)沖次，極大的減少油田工人勞動(dòng)強(qiáng)度，

本設(shè)計(jì)在國(guó)內(nèi)大慶油田、吉林油田、克拉瑪依油田已得到廣泛應(yīng)用節(jié)電效果明顯操作簡(jiǎn)單等受到一致好評(píng)。

三、應(yīng)用分析 節(jié)電分析 抽油機(jī)智能變頻監(jiān)測(cè)控制柜對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)表

項(xiàng)目單位原態(tài)節(jié)態(tài)

井號(hào)N3-2-B130N3-2-B130

抽油機(jī)型號(hào)CYJ10-3-37HBCYJ10-3-37HB

額定功率KW　3737

有功功率KW　　5.134.09

無(wú)功功率　KVAR25.38　3.97

負(fù)功電量KWH0.0100.000

功率因數(shù)COS￠0.1720.893

累計(jì)時(shí)間S600600

頻率HZ5045

沖次N/MIN5.04.3

沖程M3.03.0

產(chǎn)液量T/D8.58.4

動(dòng)液面深度M840.7836.3

泵深M845.71845.71

有功單耗KWH/T100M1.681.40

無(wú)功單耗KVARH/T100M8.338.33

有功節(jié)電率%17.09

無(wú)功節(jié)電率%83.73

綜合節(jié)電率%25.70

功圖分析 ：

四、結(jié)論

1、從節(jié)約人的勞動(dòng)強(qiáng)度方面由于變頻器的使用可在一定范圍內(nèi)對(duì)原有抽油機(jī)進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速。解決了人工通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)皮帶輪進(jìn)行沖次的調(diào)整從而減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

2、由于智能控制系統(tǒng)中電機(jī)軟啟動(dòng)功能的使用，減少了對(duì)地面機(jī)械采油設(shè)備的機(jī)械沖擊。延長(zhǎng)了機(jī)械設(shè)備的使用壽命，降低了采油成本。

3、由于智能自學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)的使用。在國(guó)內(nèi)首次完成了油田采出井的地下到地面的系統(tǒng)變化控制，使整個(gè)采出井開(kāi)采系統(tǒng)效率有了極大的提高。

4、該技術(shù)整合了無(wú)線通信、智能等多學(xué)科的新成果，打造數(shù)字化油田，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)抽油機(jī)運(yùn)行電參數(shù)。功率圖 ，電流圖，示功圖，油溫，油壓等。實(shí)時(shí)掌握抽油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。

5、實(shí)驗(yàn)認(rèn)為，該技術(shù)對(duì)低滲透油田提高系統(tǒng)效率，延長(zhǎng)檢泵周期，節(jié)約電能和降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度都將起到很好作用。