變頻遠程監測控制系統在油田中研究與應用

一、 前言

　　我國的油田絕大部分為低能、低產(chǎn)油田，不像國外的油田有很強的自噴能力，大部分油田要靠注水來(lái)壓油入井，靠抽油機（磕頭機）把油從地層中提升上來(lái)。以水換油、以電換油是目前我國油田的現實(shí)，電費在我國的石油開(kāi)采成本中占了相當大的比例，所以，石油行業(yè)十分重視節約電能、增產(chǎn)、減少設備維護等。

　　目前據統計我國抽油機的保有量在10萬(wàn)臺以上，電動(dòng)機裝機總容量在3500MW，年耗電逾百億KW·h。抽油機的運行效率特別低，在我國平均運行效率為 25.96％，國外平均水平為30.05％，年節能潛力可達幾十億KW·h。除了抽油機之外，油田還有大量的注水泵、輸油泵、潛油泵等設備，總耗電量超過(guò)油田總用電量的80％，?？梢?jiàn)，石油行業(yè)也是推廣“電機系統節能”的重點(diǎn)行業(yè)。

　　抽油機節能，其首選方案是采用變頻器對其電機拖動(dòng)系統進(jìn)行改造，抽油機改用變頻器拖動(dòng)后有以下幾個(gè)好處：

　　1）大大提高了功率因數（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)及變壓器的負擔，降低了線(xiàn)損，可省去大量的“增容”開(kāi)支;

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

　　3）由于實(shí)現了真正的“軟起動(dòng)”，對電動(dòng)機、變速箱、抽油機都避免了過(guò)大的機械沖擊，大大延長(cháng)了設備的使用壽命，減少了停產(chǎn)時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。

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

　?。?） 沖擊電流問(wèn)題

　　如圖1所示，游梁式抽油機是一種變形的四連桿機構，其整機結構特點(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)力就可以使抽油機連續不間斷地工作。也就是說(shuō)抽油機的節能技術(shù)取決于平衡的好壞。在平衡率為100％時(shí)電動(dòng)機提供的動(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)機提供的動(dòng)力越大。因為，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的節能技術(shù)變得十分復雜。因此，可以說(shuō)游梁式抽油機的節能技術(shù)就是平衡技術(shù)

　?。?）電磁干擾（EMI）問(wèn)題，即變頻器對微電腦控制器，傳感（變送）器及通信設備的干擾問(wèn)題。因為變頻器是一個(gè)很強的電磁干擾源，變頻器中的開(kāi)關(guān)器件，以及產(chǎn)生的SPWM電壓波形，會(huì )對控制及通信系統造成很大的干擾。干擾的途徑，除了感應，輻射之外，也包括傳導干擾。

　?。?）諧波干擾問(wèn)題，變頻器對輸入側產(chǎn)生諧波對變頻器而言只要有整流回路就將產(chǎn)生非線(xiàn)性引起的諧波，按傅氏級數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組脈寬可調的SPWM波控制三相 6組功率元件導通/關(guān)斷，從而形成電壓、頻率可調三相輸出電壓。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，不是標準的正弦波用傅氏級數分解電壓方波和電流正弦鋸齒波可分析出包含較強的高次諧波成分。

　　因此變頻器的諧波產(chǎn)生危害不可忽視對容量大的電力系統影響不是十分明顯，但對于電力系統容量小的系統諧波的產(chǎn)生不可忽視。它對公用電網(wǎng)是一種污染，使電設備所處的環(huán)境惡化，給周?chē)耐ㄐ畔到y和公用網(wǎng)以外的設備帶來(lái)危害。主要表現在一下幾點(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)機附加發(fā)熱，導致電動(dòng)機額外溫升并影響電機絕緣。

　?。?）可靠性和環(huán)境適應性問(wèn)題

　　由于抽油機都在環(huán)境惡劣的野外工作，并且很多油井是無(wú)人值守的，所以，對變頻器的可靠性和環(huán)境適應能力提出了很高的要求：既要選用可靠性指標高的變頻器品牌，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，如設計防護等級高的雙層密閉隔墊（保溫）控制柜，對晝夜溫差大的地區，柜內設計強迫風(fēng)冷系統，可以將柜內的熱量排出，并在柜底設計有冷空氣入口，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系列變頻監測控制系統

　　PL-ZNCY系列變頻監測控制系統是保利深遠（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，數字化油田而設計的高科技變頻監測控制系統。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)、設計、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，抽油機（螺桿泵）變頻智能監測控制柜、太陽(yáng)能、風(fēng)能及互補系統、便攜式電源、野外照明系統等。公司秉承：“為社會(huì )創(chuàng )造效益，為用戶(hù)創(chuàng )造價(jià)值，為員工創(chuàng )造機會(huì )”的企業(yè)文化和“誠信務(wù)實(shí)，專(zhuān)業(yè)服務(wù)”的企業(yè)精神，以“創(chuàng )新，設計，開(kāi)發(fā)”為理念吸納了大批專(zhuān)業(yè)人才的加盟。雄厚的技術(shù)力量，專(zhuān)業(yè)的方案設計，先進(jìn)的檢測設備，快捷的信息交流，現代化的管理體制，使公司迅速成為研究開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)制造、市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)、工程設計、安裝施工和售后維護服務(wù)于一體的高新技術(shù)企業(yè)。

　　PL-ZNCY系列變頻監測控制系統代表著(zhù)當今抽油機節能控制技術(shù)的一項革命性突破。盡量使抽油機的工作方式與油井的實(shí)際負荷及環(huán)境條件相匹配，提高抽油機的充滿(mǎn)度，從而提高電動(dòng)機的效率與功率因數，達到節能增產(chǎn)的目的。

　　1、PL-ZNCY系列抽油機變頻監視控制系統是綜合國內外先進(jìn)技術(shù)，針對抽油機的特殊負載情況專(zhuān)門(mén)設計的具有變頻控制，遠程監視等高科技產(chǎn)品。

　　該系統保留了游梁式抽油機諸多優(yōu)點(diǎn)，結合先進(jìn)的采油工藝，綜合計算機技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、電力電子等技術(shù)實(shí)現抽油機的智能控制：抽油機沖次和上下沖程速比無(wú)級調節，優(yōu)化抽汲參數，達到增產(chǎn)、節能、自控的目標，最終提高抽油系統的系統效率。系統的人機接口界面設計極其簡(jiǎn)單，為現場(chǎng)人員的使用及維護帶來(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)常結臘的油井，經(jīng)常改變井況的油井。

　　1.1產(chǎn)品設計原理：

　　該系統使用的關(guān)鍵設備變頻器符合歐洲CE低壓電器標準，符合國際UL508C電力轉換設備標準，以及符合國際EN50081/2電磁兼容性EMC標準，

　　且有為抽油機專(zhuān)門(mén)設計的功能，內含直流電抗器，輸入電抗器，輸出電抗器，減少了對電網(wǎng)的諧波干擾，提高了電網(wǎng)質(zhì)量；諧波符合國際標準 IEC61000-2-2各次諧波電壓含有的THDV低于8%，內含RFI無(wú)線(xiàn)電射頻干擾濾波器，極大改進(jìn)了抗干擾和抗雷擊功能；內含制動(dòng)單元，能夠有效地釋放制動(dòng)能量，形成集成控制，適應抽油機的特殊應用。抽油機變頻監測控制系統是以“以人為本”設計理念使產(chǎn)品更具人性化。能進(jìn)行遠程狀態(tài)監視。根據各種功能模塊和相應的傳感器的檢測，將油井實(shí)測的相關(guān)數據、參數通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳輸至數控中心進(jìn)行運算比對，并通過(guò)矢量變頻調速技術(shù)對抽油機進(jìn)行動(dòng)態(tài)監測控制，以達到高效節能的自動(dòng)化、數字化的控制目的。人性化的設計能進(jìn)行通過(guò)HMI（人機交換界面）完成遠程參數設定、 運行數據、狀態(tài)顯示、功圖、日產(chǎn)油量等參數。

　　1.2． 變頻器單元作為變頻調速技術(shù)的實(shí)施單元，是整個(gè)系統最重要的器件之一，本系統配置的是保利深遠（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通用變頻器，在 V/F 控制上標準裝備了矢量控制?？蓪?shí)時(shí)檢測電機功率及輸出轉矩。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。

　　適合機械特性負載，針對流體負載和實(shí)際工況可酌情降檔使用。

　　超低速高啟動(dòng)轉矩，低速轉矩可達150%額定轉矩（100~300可設定）。

　　速度控制范圍可達1:1000（在閉環(huán)控制模式下）。

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

　　加速時(shí)間可設定0.01秒，動(dòng)態(tài)響應良好，負載適應性極強。

　　具有滑差補償，轉矩補償，速度控制（ASR），鍵盤(pán)數據復制，自學(xué)習。

　　PID調節，計時(shí)，節能，追逐防止等多種高級功能。

　　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種參數的在線(xiàn)監視功能。

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

　　獨特，先進(jìn)的主回路設計及報警功能，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)機監控單元是我公司針對油田電機而專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的電動(dòng)機監控單元用戶(hù)可以監控線(xiàn)電壓，相電壓，有功功率，功率因數，電流等電參量。對電動(dòng)機有啟動(dòng)堵轉、過(guò)載、欠壓、過(guò)壓、缺相、短路、欠載報警保護功能

　　1.4：無(wú)線(xiàn)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，符合歐洲ETSI（EN300-220-1和EN301-439）及（15.247和15.249）認證規格。對油井的油壓，油溫進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸，對油井的運行狀態(tài)實(shí)時(shí)監測。

　　1.5 溫控單元 抽油機控制柜中的電器組件對溫度都有嚴格要求，因此必須檢測和控制控制柜內溫度。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等。適應范圍廣 -40℃-75℃ 特別適用于沙漠高溫及北部寒冷地區。

　　1.6 戶(hù)外標準柜體，專(zhuān)利設計，雙層保溫設計， 防風(fēng)沙 ，防護等級高。

　　2、產(chǎn)品特性：

　　針對國內各大油田的實(shí)際狀況本產(chǎn)品在設計上處于領(lǐng)先地位的人性化設計具有工頻和變頻，手動(dòng)和自動(dòng)，遠程和就地等多種工作模式的選擇。遠程給定頻率調節沖次，極大的減少油田工人勞動(dòng)強度，

　　本設計在國內大慶油田、吉林油田、克拉瑪依油田已得到廣泛應用節電效果明顯操作簡(jiǎn)單等受到一致好評。

三、應用分析 節電分析 抽油機智能變頻監測控制柜對比測試數據表

　　項目單位原態(tài)節態(tài)

　　井號N3-2-B130N3-2-B130

　　抽油機型號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

　　負功電量KWH0.0100.000

　　功率因數COS￠0.1720.893

　　累計時(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

　　有功節電率%17.09

　　無(wú)功節電率%83.73

　　綜合節電率%25.70

　　功圖分析 ：

四、結論

　　1、從節約人的勞動(dòng)強度方面由于變頻器的使用可在一定范圍內對原有抽油機進(jìn)行無(wú)級調速。解決了人工通過(guò)調節電機皮帶輪進(jìn)行沖次的調整從而減輕了工人的勞動(dòng)強度。

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

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

　　4、該技術(shù)整合了無(wú)線(xiàn)通信、智能等多學(xué)科的新成果，打造數字化油田，遠程監測抽油機運行電參數。功率圖 ，電流圖，示功圖，油溫，油壓等。實(shí)時(shí)掌握抽油機運行狀態(tài)。

　　5、實(shí)驗認為，該技術(shù)對低滲透油田提高系統效率，延長(cháng)檢泵周期，節約電能和降低工人勞動(dòng)強度都將起到很好作用。