【摘要】地面直驅(qū)螺桿泵采油系統(tǒng)以其結(jié)構(gòu)簡單、噪音小、耗能低、投資少、使用方便、維修方便等特點(diǎn)，成為一種有效的機(jī)械采油設(shè)備。本文以臺達(dá)C2000變頻器為控制中心，詳細(xì)介紹了變頻器在螺桿泵運(yùn)行和停止過程中的應(yīng)用方法，同時(shí)結(jié)合電氣控制原理，合理解決了直驅(qū)螺桿泵的反轉(zhuǎn)難題，使得系統(tǒng)運(yùn)行更加可靠穩(wěn)定。

【Abstract】The oil production system of ground driving screw pump with simple structure,lower noise,low energy consumption and less investment,convenient to use,easy maintenance etc become a kind of effective mechanical oil production equipment.This paper sets up to C2000 inverter as the control center,introduces in detail application methods of the inverter in the process of screw pump operation and stop,combining with the electrical control principle,solve the problem of the reversal of direct driving screw pump, make the system more reliable and stable.

【關(guān)鍵詞】直驅(qū)螺桿泵；C2000變頻器；永磁同步電機(jī)；耗能電阻；PLC功能

【Keywords】Straight drive screw pump;C2000 inverter;Permanent-magnet synchronous motor;Energy resistance；PLC functions

 1  前言

目前國內(nèi)最常用的抽油機(jī)種類有游梁式抽油機(jī)、塔架式抽油機(jī)和螺桿泵式抽油機(jī)三種，其中螺桿泵式抽油機(jī)近些年發(fā)展迅猛，是一種適用于高粘度、高含砂、高氣油比原油開采的機(jī)械采油設(shè)備，螺桿泵抽油機(jī)作為一種簡單、高效、經(jīng)濟(jì)節(jié)能的人工舉升方式，在稠油與含砂含水原油的開采中得到了廣泛的應(yīng)用。

螺桿泵采油系統(tǒng)又分為地面驅(qū)動型和井下驅(qū)動型，其中地面直驅(qū)螺桿泵在井下采用普通螺桿泵，在井口驅(qū)動，結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)成熟，目前國內(nèi)各油田的螺桿泵多采用此種驅(qū)動方式。地面直驅(qū)螺桿泵采用永磁同步電機(jī)驅(qū)動，配備臺達(dá)C2000高階磁束向量通用型變頻器，停機(jī)時(shí)采用變頻器與外接電阻兩級制動，整個(gè)系統(tǒng)簡單緊湊，運(yùn)行可靠，達(dá)到了很好的節(jié)能效果。

2  直驅(qū)螺桿泵系統(tǒng)組成與工作原理

地面直驅(qū)螺桿泵系統(tǒng)作為一種優(yōu)秀的人工舉升方式，在稠油井、攜砂采油井上顯示出比其它采油方式更加明顯的優(yōu)越性。

2.1系統(tǒng)組成

地面直驅(qū)螺桿泵系統(tǒng)由井底螺桿泵、抽油桿柱、抽油桿扶正器及地面驅(qū)動系統(tǒng)等組成。工作時(shí)，由地面動力帶動油桿柱旋轉(zhuǎn)，連接于抽油桿底端的螺桿泵轉(zhuǎn)子隨之一起轉(zhuǎn)動，井液經(jīng)螺桿泵下部吸入，由上端排出，并從油管流出井口，再通過地面管線輸送至計(jì)量站。

2.2工作原理

螺桿泵是靠空腔排油，即轉(zhuǎn)子與定子間形成的一個(gè)個(gè)互不連通的封閉腔室，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時(shí)，封閉空腔沿軸線方向由吸入端向排出端方向運(yùn)移。封閉腔在排出端消失，空腔內(nèi)的原油也就隨之由吸入端均勻地?cái)D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(yùn)移和消失，原油便不斷地充滿、擠壓和排出，從而把井中的原油不斷地吸入，通過油管舉升到井口。

圖1 螺桿泵結(jié)構(gòu)圖

3  直驅(qū)螺桿泵反轉(zhuǎn)特性

螺桿泵在失去外力驅(qū)動或停機(jī)時(shí)存在反轉(zhuǎn)問題，造成螺桿泵反轉(zhuǎn)一般有兩個(gè)原因：一個(gè)是在螺桿泵工作時(shí)，傳動電機(jī)的力矩通過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(zhuǎn)角，進(jìn)而儲存彈性能量，當(dāng)驅(qū)動電機(jī)沒有驅(qū)動力矩時(shí)，抽油桿就會帶動機(jī)械系統(tǒng)反方向扭轉(zhuǎn)；另一個(gè)是驅(qū)動系統(tǒng)停機(jī)時(shí)，由于油套管內(nèi)存在液位差，近千米的油液受到重力作用會從油管內(nèi)回落，液面的壓力也會使螺桿泵轉(zhuǎn)子產(chǎn)生反轉(zhuǎn)。

螺桿泵反轉(zhuǎn)可能會造成桿柱脫扣、光桿甩彎，地面驅(qū)動裝置零部件損壞，還可能會危害操作人員的安全，因此合理解決直驅(qū)螺桿泵的反轉(zhuǎn)問題尤為重要。

4  系統(tǒng)設(shè)計(jì)

臺達(dá)C2000變頻器開環(huán)控制永磁同步電機(jī)，通過抽油桿直接驅(qū)動井下螺桿泵運(yùn)轉(zhuǎn)，在系統(tǒng)停機(jī)時(shí)，變頻器通過自帶PLC可編程功能先行控制螺桿泵反轉(zhuǎn)，讓螺桿泵的反向轉(zhuǎn)矩在受控的情況下得到緩慢釋放，同時(shí)根據(jù)永磁電機(jī)的發(fā)電機(jī)特性，在電機(jī)轉(zhuǎn)子的各相繞組加上適當(dāng)?shù)哪芎碾娮?，使螺桿泵系統(tǒng)運(yùn)行更加可靠。

4.3  直驅(qū)螺桿泵控制原理

直驅(qū)螺桿泵抽油機(jī)在變頻柜門板上進(jìn)行操作，變頻控制柜門板上有啟動、停止、故障復(fù)位按鈕，并有運(yùn)轉(zhuǎn)指示燈和電位計(jì)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速旋鈕（如圖3），可以在現(xiàn)場對變頻柜進(jìn)行實(shí)時(shí)操作。

直驅(qū)螺桿泵的工作狀態(tài)可以分為正轉(zhuǎn)運(yùn)行狀態(tài)，變頻器制動狀態(tài)及能耗制動狀態(tài)。

4.1 C2000變頻器特點(diǎn)

臺達(dá)C2000高階磁束向量通用型變頻器集驅(qū)動（IM/PM）、控制（PLC）、顯示（文本）、以及多種協(xié)議現(xiàn)場總線技術(shù)于一體，內(nèi)建CANOpen可做主站。具有高性能、易維護(hù)、多語言操作等特點(diǎn)。具體來講，異步及同步電機(jī)控制一體化，具有多種控制模式，對電機(jī)可實(shí)現(xiàn)開閉環(huán)控制；啟動轉(zhuǎn)矩在0.5HZ時(shí)可達(dá)150%以上，并支持重載模式；過載能力最大200%轉(zhuǎn)矩電流；內(nèi)置PLC功能，程序容量10K步；強(qiáng)大的面板編輯功能，相當(dāng)于文本使用，并且面板參數(shù)設(shè)定有文字提示，使用簡便；模塊化設(shè)計(jì)，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(kuò)展功能，內(nèi)建CANOpen，可擴(kuò)展ProfiBUS、DeviceNet、MODBUS TCP、EtherNet-IP現(xiàn)場總線及以太網(wǎng)絡(luò)卡；50℃運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)境溫度，全球安規(guī)兼容于CE/UL/CUL。

4.2 永磁同步電機(jī)開環(huán)調(diào)試方法

C2000變頻器在速度模式下開環(huán)帶動永磁同步電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，變頻器在初次與電機(jī)使用時(shí)，需要學(xué)習(xí)電機(jī)參數(shù)，并做功能設(shè)置，相關(guān)設(shè)定步驟如下：將00-02設(shè)為9，回歸出廠值；依次按照05-33=1 PM馬達(dá)、05-35電機(jī)功率、05-37電機(jī)極數(shù)、01-00最大頻率、01-02額定電壓、05-34電機(jī)電流、05-36電機(jī)轉(zhuǎn)速、05-38電機(jī)慣量、01-01額定頻率設(shè)置參數(shù)；將05-00設(shè)為13，然后按數(shù)字面板的RUN鍵，此時(shí)電機(jī)開始自動偵側(cè)，數(shù)十秒后，偵測完成，偵測正確后向下繼續(xù)進(jìn)行，偵測失敗后，請檢查第二步內(nèi)的參數(shù)設(shè)置是否正確，重新偵測；將00-10=0（速度控制），00-11=6（控制方式），按要求設(shè)定01-12，01-13加減速時(shí)間；設(shè)定10-39（IM與PM馬達(dá)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(shè)為1（慣量估側(cè)），并設(shè)定11-01系統(tǒng)慣量值；

圖2 永磁同步電機(jī)調(diào)試步驟

4.3  直驅(qū)螺桿泵控制原理

直驅(qū)螺桿泵抽油機(jī)在變頻柜門板上進(jìn)行操作，變頻控制柜門板上有啟動、停止、故障復(fù)位按鈕，并有運(yùn)轉(zhuǎn)指示燈和電位計(jì)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速旋鈕（如圖3），可以在現(xiàn)場對變頻柜進(jìn)行實(shí)時(shí)操作。

直驅(qū)螺桿泵的工作狀態(tài)可以分為正轉(zhuǎn)運(yùn)行狀態(tài)，變頻器制動狀態(tài)及能耗制動狀態(tài)。

圖3 變頻控制柜面板

4.3.1正轉(zhuǎn)運(yùn)行狀態(tài)

直驅(qū)螺桿泵在采油階段時(shí)，C2000變頻器通過內(nèi)置PLC功能帶動永磁同步電機(jī)保持正轉(zhuǎn)運(yùn)行，通過控制柜上的電位計(jì)來調(diào)整電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速，變頻器RA1與RA2輸出變頻器運(yùn)行和故障狀態(tài)，變頻器控制部分接線圖如圖4（MI1為故障復(fù)位輸入）。

圖4 變頻器控制部分接線圖

C2000變頻器在運(yùn)行前需要通過操作面板開啟PLC功能，同時(shí)通過Delta WPLSoft軟件將控制程序通過RS485接口輸入至變頻器內(nèi)。

變頻器默認(rèn)的通訊格式為9600、7、N、2，通訊站號為2（變頻器PLC站號），在Delta WPLSoft的通訊設(shè)置內(nèi)需要與其保持一致，電腦方可與變頻器正常通訊。正轉(zhuǎn)部分程序如圖5。

圖5 變頻器正轉(zhuǎn)PLC部分程序

4.3.2變頻器制動狀態(tài)

當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出停機(jī)命令時(shí)，C2000變頻器先通過PLC功能來制動螺桿泵反轉(zhuǎn)（采用的方式為轉(zhuǎn)矩檢測制動或恒速定時(shí)制動方式），以防止抽油桿存儲的彈性勢能及油管內(nèi)環(huán)空靜液柱作用導(dǎo)致抽油桿高速反轉(zhuǎn)而產(chǎn)生嚴(yán)重后果。

通過臺達(dá)C2000變頻器的一級制動方式，螺桿泵的反轉(zhuǎn)扭矩在受控的情況下得到了緩慢釋放。

變頻器在反轉(zhuǎn)時(shí)的相關(guān)數(shù)據(jù)（如運(yùn)行時(shí)間，電流變化值等）可以通過變頻器未使用的參數(shù)項(xiàng)來輸入，例如04-00，04-01項(xiàng)等。

反轉(zhuǎn)部分PLC程序如圖6。

圖6 變頻器反轉(zhuǎn)PLC部分程序

4.3.3能耗制動狀態(tài)

當(dāng)變頻器停止制動輸出后，利用變頻器的運(yùn)行狀態(tài)輸出點(diǎn)將變頻器與永磁同步電機(jī)端動力連線斷開，同時(shí)讓永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組與三相外接耗能電阻接通，開始二級制動（能耗制動原理圖如圖7）。

圖7 能耗制動原理圖

采用制動以后的運(yùn)行過程是：抽油桿由于有儲存的反轉(zhuǎn)能量帶動電機(jī)轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)，電機(jī)角速度逐漸增大，由于永磁電機(jī)特性，轉(zhuǎn)子上有永磁磁場，因此會在電機(jī)繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，感應(yīng)電勢通過耗能電阻形成回路，產(chǎn)生電流，該電流產(chǎn)生與轉(zhuǎn)向相反的制動力矩。電阻越小，制動力矩就越大，轉(zhuǎn)化成的熱能也越小，抽油桿停下來的時(shí)間也就越長，因此要根據(jù)井況不同而選擇最優(yōu)耗能電阻數(shù)值。

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

5  系統(tǒng)節(jié)能

采油井在開采過程中，油況可能隨時(shí)發(fā)生變化，而C2000變頻器可以通過內(nèi)置PLC功能自動偵測電機(jī)輸出情況，通過變頻器內(nèi)部運(yùn)算合理調(diào)整輸出頻率或轉(zhuǎn)矩，并可根據(jù)油廠的采油量指標(biāo)，由采油工人自行或定時(shí)改變輸出頻率，滿足了手動與自動控制的二合一功能，不僅節(jié)約了電能，還節(jié)省了人力物力，深受用戶好評。

 6  結(jié)束語

臺達(dá)C2000變頻器自2011年10月份在國內(nèi)某知名油田多個(gè)地面直驅(qū)螺桿泵井口投運(yùn)以來，運(yùn)行效果穩(wěn)定，節(jié)能明顯，并且操作簡便易懂，在客戶處取得了良好反響。

由于直驅(qū)螺桿泵的簡單、高效、經(jīng)濟(jì)節(jié)能的人工舉升方式，其在油田上的應(yīng)用也會更加廣泛。自2007年以來，該知名油田每年都有近2000臺的直驅(qū)螺桿泵油井投入使用，盡管臺達(dá)C2000變頻器的開環(huán)同步功能開放較晚，但其穩(wěn)定高效的輸出功能絲毫不比國外知名品牌變頻器遜色，希望本文能對臺達(dá)C2000變頻器在油田地面直驅(qū)螺桿泵行業(yè)的推廣起到一定的積極作用。

作者簡介：

趙成亮，男，出生于1984年7月，畢業(yè)于佳木斯大學(xué)，自動化專業(yè)。現(xiàn)任中達(dá)電通東北大區(qū)業(yè)務(wù)支援處應(yīng)用工程師，從事中達(dá)機(jī)電產(chǎn)品在黑龍江區(qū)域的技術(shù)支持和推廣工作，有著豐富的業(yè)界經(jīng)驗(yàn)。