變頻遠程監(jiān)測控制系統(tǒng)在油田中研究與應(yīng)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壓油入井，靠抽油機（磕頭機）把油從地層中提升上來。以水換油、以電換油是目前我國油田的現(xiàn)實，電費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、增產(chǎn)、減少設(shè)備維護等。

　　目前據(jù)統(tǒng)計我國抽油機的保有量在10萬臺以上，電動機裝機總?cè)萘吭?500MW，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(jié)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(shè)備，總耗電量超過油田總用電量的80％，。可見，石油行業(yè)也是推廣“電機系統(tǒng)節(jié)能”的重點行業(yè)。

　　抽油機節(jié)能，其首選方案是采用變頻器對其電機拖動系統(tǒng)進行改造，抽油機改用變頻器拖動后有以下幾個好處：

　　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)及變壓器的負擔(dān)，降低了線損，可省去大量的“增容”開支;

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

　　3）由于實現(xiàn)了真正的“軟起動”，對電動機、變速箱、抽油機都避免了過大的機械沖擊，大大延長了設(shè)備的使用壽命，減少了停產(chǎn)時間，提高了生產(chǎn)效率。

　　但是，變頻器用于抽油機電機時，也有幾個問題需要解決。

　?。?） 沖擊電流問題

　　如圖1所示，游梁式抽油機是一種變形的四連桿機構(gòu)，其整機結(jié)構(gòu)特點像一架天平，一端是抽油載荷，另一端是平衡配重載荷。對于支架來說，如果抽油載荷和平衡載荷形成的扭矩相等或變化一致，那么用很小的動力就可以使抽油機連續(xù)不間斷地工作。也就是說抽油機的節(jié)能技術(shù)取決于平衡的好壞。在平衡率為100％時電動機提供的動力僅用于提起1/2液柱重量和克服摩擦力等，平衡率越低，則需要電動機提供的動力越大。因為，抽油載荷是每時每刻都在變化的，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(jié)能技術(shù)變得十分復(fù)雜。因此，可以說游梁式抽油機的節(jié)能技術(shù)就是平衡技術(shù)

　?。?）電磁干擾（EMI）問題，即變頻器對微電腦控制器，傳感（變送）器及通信設(shè)備的干擾問題。因為變頻器是一個很強的電磁干擾源，變頻器中的開關(guān)器件，以及產(chǎn)生的SPWM電壓波形，會對控制及通信系統(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。

　?。?）諧波干擾問題，變頻器對輸入側(cè)產(chǎn)生諧波對變頻器而言只要有整流回路就將產(chǎn)生非線性引起的諧波，按傅氏級數(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波和三角波的交點產(chǎn)生的，不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波用傅氏級數(shù)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(tǒng)影響不是十分明顯，但對于電力系統(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)備帶來危害。主要表現(xiàn)在一下幾點：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、諧波引起電動機附加發(fā)熱，導(dǎo)致電動機額外溫升并影響電機絕緣。

　　（4）可靠性和環(huán)境適應(yīng)性問題

　　由于抽油機都在環(huán)境惡劣的野外工作，并且很多油井是無人值守的，所以，對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(qū)，柜內(nèi)設(shè)計強迫風(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。并使控制柜避免陽光直接照射及雨淋。

二、PL-ZNCY系列變頻監(jiān)測控制系統(tǒng)

　　PL-ZNCY系列變頻監(jiān)測控制系統(tǒng)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(shù)字化油田而設(shè)計的高科技變頻監(jiān)測控制系統(tǒng)。本公司以綠色能源科技產(chǎn)品和工業(yè)自動化控制產(chǎn)品為核心的高科技產(chǎn)品的研發(fā)、設(shè)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)自動化控制系統(tǒng)，抽油機（螺桿泵）變頻智能監(jiān)測控制柜、太陽能、風(fēng)能及互補系統(tǒng)、便攜式電源、野外照明系統(tǒng)等。公司秉承：“為社會創(chuàng)造效益，為用戶創(chuàng)造價值，為員工創(chuàng)造機會”的企業(yè)文化和“誠信務(wù)實，專業(yè)服務(wù)”的企業(yè)精神，以“創(chuàng)新，設(shè)計，開發(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，先進的檢測設(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發(fā)、生產(chǎn)制造、市場營銷、工程設(shè)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(jiān)測控制系統(tǒng)代表著當(dāng)今抽油機節(jié)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際負荷及環(huán)境條件相匹配，提高抽油機的充滿度，從而提高電動機的效率與功率因數(shù)，達到節(jié)能增產(chǎn)的目的。

　　1、PL-ZNCY系列抽油機變頻監(jiān)視控制系統(tǒng)是綜合國內(nèi)外先進技術(shù)，針對抽油機的特殊負載情況專門設(shè)計的具有變頻控制，遠程監(jiān)視等高科技產(chǎn)品。

　　該系統(tǒng)保留了游梁式抽油機諸多優(yōu)點，結(jié)合先進的采油工藝，綜合計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)、電力電子等技術(shù)實現(xiàn)抽油機的智能控制：抽油機沖次和上下沖程速比無級調(diào)節(jié)，優(yōu)化抽汲參數(shù)，達到增產(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)的人機接口界面設(shè)計極其簡單，為現(xiàn)場人員的使用及維護帶來極大方便。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)，符合國際UL508C電力轉(zhuǎn)換設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，以及符合國際EN50081/2電磁兼容性EMC標(biāo)準(zhǔn)，

　　且有為抽油機專門設(shè)計的功能，內(nèi)含直流電抗器，輸入電抗器，輸出電抗器，減少了對電網(wǎng)的諧波干擾，提高了電網(wǎng)質(zhì)量；諧波符合國際標(biāo)準(zhǔn) IEC61000-2-2各次諧波電壓含有的THDV低于8%，內(nèi)含RFI無線電射頻干擾濾波器，極大改進了抗干擾和抗雷擊功能；內(nèi)含制動單元，能夠有效地釋放制動能量，形成集成控制，適應(yīng)抽油機的特殊應(yīng)用。抽油機變頻監(jiān)測控制系統(tǒng)是以“以人為本”設(shè)計理念使產(chǎn)品更具人性化。能進行遠程狀態(tài)監(jiān)視。根據(jù)各種功能模塊和相應(yīng)的傳感器的檢測，將油井實測的相關(guān)數(shù)據(jù)、參數(shù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至數(shù)控中心進行運算比對，并通過矢量變頻調(diào)速技術(shù)對抽油機進行動態(tài)監(jiān)測控制，以達到高效節(jié)能的自動化、數(shù)字化的控制目的。人性化的設(shè)計能進行通過HMI（人機交換界面）完成遠程參數(shù)設(shè)定、 運行數(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)的實施單元，是整個系統(tǒng)最重要的器件之一，本系統(tǒng)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(xù)通用變頻器，在 V/F 控制上標(biāo)準(zhǔn)裝備了矢量控制?？蓪崟r檢測電機功率及輸出轉(zhuǎn)矩。變頻器額定電壓380-440V，額定功率范圍5.5-75KW，過載能力為：200%*60 秒。

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

　　適合機械特性負載，針對流體負載和實際工況可酌情降檔使用。

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

　　加速時間可設(shè)定0.01秒，動態(tài)響應(yīng)良好，負載適應(yīng)性極強。

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

　　PID調(diào)節(jié)，計時，節(jié)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(shù)的在線監(jiān)視功能。

　　具有電機保護，瞬時停電處理及失速防止，頻率檢出，異常復(fù)位，過力矩輸出，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，先進的主回路設(shè)計及報警功能，將完全保證整體的高可靠性。

　　具有中、英、德等七種語言顯示，界面友好。

　　1.3：電動機監(jiān)控單元是我公司針對油田電機而專門開發(fā)的電動機監(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。對電動機有啟動堵轉(zhuǎn)、過載、欠壓、過壓、缺相、短路、欠載報警保護功能

　　1.4：無線載荷位移模塊用于采集示功圖，位移，沖程，太陽能供電鋰電池。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(guī)格。對油井的油壓，油溫進行無線傳輸，對油井的運行狀態(tài)實時監(jiān)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(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，雙層保溫設(shè)計， 防風(fēng)沙 ，防護等級高。

　　2、產(chǎn)品特性：

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

　　本設(shè)計在國內(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)電效果明顯操作簡單等受到一致好評。

三、應(yīng)用分析 節(jié)電分析 抽油機智能變頻監(jiān)測控制柜對比測試數(shù)據(jù)表

　　項目單位原態(tài)節(jié)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

　　無功功率　KVAR25.38　3.97

　　負功電量KWH0.0100.000

　　功率因數(shù)COS￠0.1720.893

　　累計時間S600600

　　頻率HZ5045

　　沖次N/MIN5.04.3

　　沖程M3.03.0

　　產(chǎn)液量T/D8.58.4

　　動液面深度M840.7836.3

　　泵深M845.71845.71

　　有功單耗KWH/T100M1.681.40

　　無功單耗KVARH/T100M8.338.33

　　有功節(jié)電率%17.09

　　無功節(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)約人的勞動強度方面由于變頻器的使用可在一定范圍內(nèi)對原有抽油機進行無級調(diào)速。解決了人工通過調(diào)節(jié)電機皮帶輪進行沖次的調(diào)整從而減輕了工人的勞動強度。

　　2、由于智能控制系統(tǒng)中電機軟啟動功能的使用，減少了對地面機械采油設(shè)備的機械沖擊。延長了機械設(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，使整個采出井開采系統(tǒng)效率有了極大的提高。

　　4、該技術(shù)整合了無線通信、智能等多學(xué)科的新成果，打造數(shù)字化油田，遠程監(jiān)測抽油機運行電參數(shù)。功率圖 ，電流圖，示功圖，油溫，油壓等。實時掌握抽油機運行狀態(tài)。

　　5、實驗認為，該技術(shù)對低滲透油田提高系統(tǒng)效率，延長檢泵周期，節(jié)約電能和降低工人勞動強度都將起到很好作用。