C2000變頻器在地面直驅螺桿泵上的應用分析

　　地面直驅螺桿泵采油系統以其結構簡(jiǎn)單、噪聲小、耗能低、投資少以及使用維修方便等特點(diǎn)，成為一種有效的機械采油設備。以臺達C2000變頻器為控制中心，詳細介紹了變頻器在螺桿泵運行和停止過(guò)程中的應用方法，同時(shí)結合電氣控制原理，合理解決了直驅螺桿泵的反轉難題，使得系統運行更加可靠穩定。

一、前言

　　目前國內最常用的抽油機種類(lèi)有游梁式抽油機、塔架式抽油機和螺桿泵式抽油機三種。其中螺桿泵式抽油機近些年發(fā)展迅猛，是一種適用于高黏度、高含砂以及高氣油比的原油開(kāi)采的機械采油設備。真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為螺桿泵抽油機作為一種簡(jiǎn)單、高效、經(jīng)濟節能的人工舉升方式，在稠油、含砂和含水原油的開(kāi)采中得到了廣泛的應用。螺桿泵采油系統又分為地面驅動(dòng)型和井下驅動(dòng)型，其中地面直驅螺桿泵在井下采用普通螺桿泵，在井口驅動(dòng)，結構簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，目前國內各油田的螺桿泵多采用此種驅動(dòng)方式。地面直驅螺桿泵采用永磁同步電動(dòng)機驅動(dòng)，配備臺達C2000高階磁束向量通用型變頻器，停機時(shí)采用變頻器與外接電阻兩級制動(dòng)，整個(gè)系統簡(jiǎn)單緊湊，運行可靠，達到了很好的節能效果。

二、直驅螺桿泵系統組成與工作原理

　　地面直驅螺桿泵系統(見(jiàn)圖1)作為一種優(yōu)秀的人工舉升方式，在稠油井、攜砂采油井上體現出比其他采油方式更加明顯的優(yōu)越性。

　　(1)系統組成地面直驅螺桿泵系統由井底螺桿泵、抽油桿柱、抽油桿扶正器及地面驅動(dòng)系統等組成。工作時(shí)，由地面動(dòng)力帶動(dòng)油桿柱旋轉，連接于抽油桿底端的螺桿泵轉子隨之一起轉動(dòng)，井液經(jīng)螺桿泵下部吸入，由上端排出，并從油管流出井口，再通過(guò)地面管線(xiàn)輸送至計量站。

　　(2)工作原理螺桿泵是靠空腔排油，即轉子與定子間形成的若干互不連通的封閉腔室，當轉子轉動(dòng)時(shí)，封閉空腔沿軸線(xiàn)方向由吸入端向排出端運移。封閉腔在排出端消失，空腔內的原油也就隨之由吸入端均勻地擠到排出端。同時(shí)，又在吸入端重新形成新的低壓空腔將原油吸入。這樣，封閉空腔不斷地形成、運移和消失，原油便不斷地充滿(mǎn)、擠壓和排出，從而把井中的原油不斷地吸入，通過(guò)油管舉升到井口。

三、直驅螺桿泵反轉特性

　　螺桿泵在失去外力驅動(dòng)或停機時(shí)存在反轉問(wèn)題。造成螺桿泵反轉一般有兩個(gè)原因：一是在螺桿泵工作時(shí)，傳動(dòng)電動(dòng)機的轉矩通過(guò)近千米的抽油桿傳遞到泵體上，抽油桿必然產(chǎn)生彈性變形和一個(gè)扭轉角，進(jìn)而儲存彈性能量，當驅動(dòng)電動(dòng)機沒(méi)有驅動(dòng)轉矩時(shí)，抽油桿就會(huì )帶動(dòng)機械系統反方向扭轉;二是驅動(dòng)系統停機時(shí)，由于油套管內存在液位差，近千米的油液受到重力作用會(huì )從油管內回落，液面的壓力也會(huì )使螺桿泵轉子產(chǎn)生反轉。

　　螺桿泵反轉可能會(huì )造成桿柱脫扣、光桿甩彎，地面驅動(dòng)裝置零部件損壞，還可能會(huì )危害操作人員的安全，因此合理解決直驅螺桿泵的反轉問(wèn)題尤為重要。

四、系統設計

　　臺達C2000變頻器開(kāi)環(huán)控制永磁同步電動(dòng)機，通過(guò)抽油桿直接驅動(dòng)井下螺桿泵運轉，在系統停機時(shí)，變頻器通過(guò)自帶PLC可編程功能先行控制螺桿泵反轉，讓螺桿泵的反向轉矩在受控的情況下得到緩慢釋放，同時(shí)根據永磁電動(dòng)機的發(fā)電特性，在電動(dòng)機轉子的各相繞組加上適當的能耗電阻，使螺桿泵系統運行更加可靠。

　　1、C2000變頻器特點(diǎn)

　　臺達C2000高階磁束向量通用型變頻器集驅動(dòng)(IM/PM)、控制(PLC)、顯示(文本)以及多種議現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)于一體，內建CANOpen可做主站。具有高性能、易維護、多語(yǔ)言操作等特點(diǎn)。具體來(lái)講，異步及同步電動(dòng)機控制一體化，具有多種控制模式，對電動(dòng)機可實(shí)現開(kāi)閉環(huán)控制;起動(dòng)轉矩在0.5Hz時(shí)可達150%以上，并支持重載模式;過(guò)載能力最大200%轉矩電流;內置PLC功能，程序容量1萬(wàn)步;強大的面板編輯功能，相當于文本使用，并且面板參數設定有文字提示，使用簡(jiǎn)便;模塊化設計，控制端子及風(fēng)扇可拆卸，并支持穿墻式安裝;豐富的網(wǎng)絡(luò )擴展功能，內建CANOpen，可擴展ProfiBUS、DeviceNet、MODBUSTCP、EtherNet—IP現場(chǎng)總線(xiàn)及以太網(wǎng)絡(luò )卡;50℃運轉環(huán)境溫度，全球安規兼容于CE/UL/CUL。

　　2、永磁同步電動(dòng)機開(kāi)環(huán)調試方法

　　C2000變頻器在速度模式下開(kāi)環(huán)帶動(dòng)永磁同步電動(dòng)機運轉，變頻器在初次與電動(dòng)機使用時(shí)，需要學(xué)習電動(dòng)機參數，并做功能設置，相關(guān)設定步驟如下(見(jiàn)圖2)：將00—02設為9，回歸出廠(chǎng)值;依次按照05—33設為1PM、05—35設為電動(dòng)機功率，05—37設為電動(dòng)機極數，01—00設為最大頻率，01—02設為額定電壓，05—34設為電動(dòng)機電流，05—36設為電動(dòng)機轉速，05—38設為電動(dòng)機慣量以及01—01設為額定頻率設置參數;將05—00設為13，然后按數字面板的RUN鍵，此時(shí)電動(dòng)機開(kāi)始自動(dòng)偵測，數十秒后，偵測完成，偵測正確后向下繼續進(jìn)行，偵測失敗后，請檢查第二步內的參數設置是否正確，重新偵測;將00—10設為0(速度控制)，00—11設為6(控制方式)，按要求設定01—12和01—13為加減速時(shí)間;設定10—39(IM與PM電動(dòng)機控制切換點(diǎn))，一般為最大頻率的0.2倍，但不要小于5;將11—00設為1(慣量估測)，并設定11—01系統慣量值。

3、直驅螺桿泵控制原理

　　直驅螺桿泵抽油機在變頻柜門(mén)板上進(jìn)行操作，變頻控制柜門(mén)板上有起動(dòng)、停止、故障復位按鈕，并有運轉指示燈和電位計調整電動(dòng)機轉速旋鈕(見(jiàn)圖3)，可以在現場(chǎng)對變頻柜進(jìn)行實(shí)時(shí)操作。

　　直驅螺桿泵的工作狀態(tài)可以分為正轉運行狀態(tài)、變頻器制動(dòng)狀態(tài)及能耗制動(dòng)狀態(tài)。

　　(1)正轉運行狀態(tài)直驅螺桿泵在采油階段時(shí)，C2000變頻器通過(guò)內置PLC功能帶動(dòng)永磁同步電動(dòng)機保持正轉運行，通過(guò)控制柜上的電位計來(lái)調整電動(dòng)機運行轉速，變頻器RA1與RA2輸出變頻器運行和故障狀態(tài)，變頻器控制部分接線(xiàn)如圖4所示(MI1為故障復位輸入)。

　　C2000變頻器在運行前需要通過(guò)操作面板開(kāi)啟PLC功能，同時(shí)通過(guò)Delta WPLSoft軟件將控制程序通過(guò)RS485接口輸入至變頻器內。變頻器默認的通信格式為9600、7、N、2，通信站號為2(變頻器PLC站號)，在Delta WPLSoft的通訊設置內需要與其保持一致，計算機方可與變頻器正常通信。正轉部分程序如圖5所示。

　　(2)變頻器制動(dòng)狀態(tài)當控制系統發(fā)出停機命令時(shí)，C2000變頻器先通過(guò)PLC功能來(lái)制動(dòng)螺桿泵反轉(采用的方式為轉矩檢測制動(dòng)或恒速定時(shí)制動(dòng)方式)，以防止抽油桿存儲的彈性勢能及油管內環(huán)空靜液柱作用，導致抽油桿高速反轉而產(chǎn)生嚴重后果。

　　通過(guò)臺達C2000變頻器的一級制動(dòng)方式，螺桿泵的反轉轉矩在受控的情況下得到了緩慢釋放。變頻器在反轉時(shí)的相關(guān)數據(如運行時(shí)間、電流變化值等)可以通過(guò)變頻器未使用的參數項來(lái)輸入，例如04—00和04—01項等。反轉部分PLC程序如圖6所示。

　　(3)能耗制動(dòng)狀態(tài)當變頻器停止制動(dòng)輸出后，利用變頻器的運行狀態(tài)輸出點(diǎn)將變頻器與永磁同步電動(dòng)機端動(dòng)力連線(xiàn)斷開(kāi)，同時(shí)讓永磁同步電動(dòng)機轉子繞組與三相外接耗能電阻接通，開(kāi)始二級制動(dòng)，能耗制動(dòng)原理如圖7所示。

　　采用制動(dòng)以后的運行過(guò)程是：抽油桿由于有儲存的反轉能量帶動(dòng)電動(dòng)機轉子反轉，電動(dòng)機角速度逐漸增大，由于永磁電動(dòng)機特性，轉子上有永磁磁場(chǎng)，因此會(huì )在電動(dòng)機繞組中產(chǎn)生感應電勢，感應電勢通過(guò)耗能電阻形成回路，產(chǎn)生電流，該電流產(chǎn)生與轉向相反的制動(dòng)力矩。電阻越小，制動(dòng)力矩就越大，轉化成的熱能也越小，抽油桿停下來(lái)的時(shí)間也就越長(cháng)，因此要根據井況不同而選擇最優(yōu)耗能電阻數值。

　　耗能電阻制動(dòng)的方式不僅能起到二級制動(dòng)的效果，還在變頻器或控制柜出現故障時(shí)，保證螺桿泵能量得到有效的控制釋放，使系統控制更加可靠、安全。

五、系統節能

　　采油井在開(kāi)采過(guò)程中，油況可能隨時(shí)發(fā)生變化，而C2000變頻器可以通過(guò)內置PLC功能自動(dòng)偵測電動(dòng)機輸出情況，通過(guò)變頻器內部運算合理調整輸出頻率或轉矩，并可根據油廠(chǎng)的采油量指標，由采油工人自行或定時(shí)改變輸出頻率，滿(mǎn)足了手動(dòng)與自動(dòng)控制的二合一功能，不僅節約了電能，還節省了人力、物力，深受用戶(hù)好評。

六、結語(yǔ)

　　臺達C2000變頻器自2011年10月在國內某知名油田多個(gè)地面直驅螺桿泵井口投運以來(lái)，運行效果穩定，節能明顯，并且操作簡(jiǎn)便，在客戶(hù)處取得了良好反響。由于直驅螺桿泵的簡(jiǎn)單、高效、經(jīng)濟節能的人工舉升方式，其在油田上的應用也會(huì )更加廣泛。自2007年以來(lái)，該知名油田每年都有近2 000臺的直驅螺桿泵油井投入使用，盡管C2000變頻器的開(kāi)環(huán)同步功能開(kāi)放較晚，但其穩定高效的輸出功能絲毫不比國外知名品牌變頻器遜色。