直流供电配置的抽油机变频群控系统研发论文(PDF 82页).pdf

中国石油大学 华东 硕士学位论文 基于直流供电配置的抽油机变频群控系统研发 姓名 于祥春 申请学位级别 硕士 专业 检测技术与自动化装置 指导教师 张加胜 20090501 摘要 目前在国内外各油田 抽油机变频控制装置应用越来越广泛 它以其优越的性能实 现了增产和节能的双重并举 但同时也存在一些问题 例如网侧电流谐波较重 功率因 数低和抽油机倒发电馈能处理不合理等 本文针对这些问题 并根据各油田采油区块多 台抽油机集中分布的特点 研究开发了 种基于直流供电配置的抽油机变频群控系统装 置 使上述问题从配置机理上得到根本解决 不仅可以大幅度增产和节能降耗 而且使 造价明显降低 进一步提高系统的性能价格比 本文所研发的群控系统装置 采用直流母线供电技术 在原有单井抽油机变频节能 装置的基础上 将多台交 直 交变频控制柜的交 直整流部分予以取消 改为由同一套整 流器通过直流母线统一供电 本文研究分析了系统的整流滤波器和各逆变控制柜终端的 配置结构组态 提出了一种适合于直流母线供电特点的特种开若电源构成方案 设计研 发了一种新颖的开关电源自启动方法和直流继电接触控制线路 对基于8 7 C 1 9 6 M I I 单片 机的控制系统 隔离驱动单元和检测保护单元等进行了硬软件设计开发 该群控系统装置将多台抽油机通过直流母线联系在一起 充分发挥抽油机的群体优 势 实现了多台抽油机倒发电能量的互馈共享和循环利用 改菩了整流器网侧电流波形 降低了对电网的谐波污染 提高了功率园数 降低了网侧变压器的容量 同时也抑制了 抽油机现场的盗电现象 油田现场实验和检测结果表明 该变频群控系统比常规的单井 变频装置具备上述优点 明显提高了抽油机的节能效益 证明了本系统方案的正确性与 可行性 关键词 抽油机 直流母线 变频 群控 节能 R Do fP u m p i n gU n i tG r o u pC o n t r o l l i n gS y s t e m W i t hF r e q u e n c yC o n v e r s i o nB a s e do nD C P o w e rS u p p l yC o n f i g u r a t i o n Y uX i a n g c h u n M e 龇e m e mT e c h n o l o g ya n dA u t o m a t i cE q u i p m e n t D i r e c t e db yP r o Z h a n g2 i a s h e n g A b s t r a c t A tp r e s e n t f r e q u e n c yc o n t r o ld e v i c e su s em o r ea n dm o r ew i d e l yi nt h eo i lf i e l d sa th o m e o ra b r o a d f o ri t ss u p e r i o rp e r f o r m a n c ea n d e n e r g y s a v i n gi m p l e m e n t a t i o no ft h ed u a lo u t p u t s i m u l t a n e o u s l y B u ta tt h es a m et i m ei ta l s ob r o u g h tas e r i e so fq u e s t i o n s s u c ha sm a n y c u r r e n th a r m o n i c si nn e ts i d e p o w e rf a c t o rl o wa n dd e a l i n gw i t hg e n e r a t i n ge l e c t r i c i t y t m r e a s o n a b l e l y a n dS Oo n I nr e s p o n s et ot h e s eq u e s t i o n si nt h i sp a p e r a n di na c c o r d a n c ew i t h t h ef e a t u r eo f m a n yp u m p i n gu n i t sc o n c e n t r a t e di nt h es a m eb l o c k s t a n d i n go nt h es h o u l d e r s o fp r e d e c e s s o r s w er e s e a r c ha n d d e v e l o pap u m p i n gu n i tg r o u pc o n t r o l l i n gs y s t e mw i t h f r e q u e n c yc o n v e r s i o nb a s e do nD Cp o w e rs u p p l yc o n f i g u r a t i o n S Ot h a tt h ea b o v e m e n t i o n e d p r o b l e m sb e e ns o l v e d N o to n l yi tc a ng r e a t l yi n c r e a s ep r o d u c t i o na n de n e r g ys a v i n g b u ta l s o s i g n i f i c a n t l yr e d u c et h eC O S tt of u r t h e ri m p r o v es y s t e mc o s tp e r f o r m a n c e T h i ss y s t e mu s e sc o m m o nD Cb u sp o w e r s u p p l yt e c h n o l o g y w h i c hl i n k sm a n yi n v e r t e r t e r m i n a l s W i t ht h ea p p l i c a t i o no fc o m m o nD Cb u sp o w e rs u p p l yt e c h n o l o g y t h eo r i g i n a l A C D C A Ci n v e r t e rm a i nc i r c u i ti ss e p a r a t e di n t oA C D Ca n dD C A Ct w o p a r t s a n dm a n y t e r m i n a l su s et h es a m eA C D Cp a r tt os u p p l yD C p o w e r I nt h i sp a p e r w ea n a l y s et h eD C p o w e rs u p p l yc o n f i g u r a t i o n a n dd e v e l o pa D Cr e l a yc o n t r o lc i r c u i ta n da s p e c i a ls w i t c h i n g p o w e rs u p p l yw i t han e w s e l f s t a r tc i r c u i t t h e ni nh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g nt h e s i n g l e c h i pc o n t r o ls y s t e m i s o l a t e dd r i v eu n i t d e t e c t i o nu n i t a n dS Oo n A n dt h i ss y s t e ml i n k sm a n yp u m p i n gu n i t st h r o u g a ht h ec o m m o nD Cb u s I tc a nt a k e g r e a t e s ta d v a n t a g e so ft h eg r o u p r e c y c l et h ee n e r 9 3 g e n e r a t e d r e d u c eh a r m o m c sa n dt h e t r a n s f o r m e rc a p a c i t yi nn e ts i d e i m p r o v et h ep o w e rf a c t o r a n dp r e v e n tb o o t l e g g i n ge l e c t r i c i t y C o o p e r a t i n gw i t ht h eZ h o n g y u a nO i lF i e l d w ec o n d u c t e daf i e l dt e s t I nt h et e s t t h es y s t e m i m p r o v e dt h ep u m p i n gp e r f o r m a n c e s a v e de n e r g y i n c r e a s e dt h ep r o d u c t i o no fc r u d eo i l a n d p e r f o r m e da l lt h ea d v a n t a g e sa b o v e A n da l lo f t h e s ep r o v e dt h ef e a s i b i l i t y a n dr e l i a b i l i l 3 o f t h es y s t e m K e y w o r d s p u m p i n gu n i t D Cb u s f r e q u e n c yc o n v e r s i o n g r o u pc o n t r o l e n e r g ys a v m g 关于学位论文的独创 生声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果 论文中有关资料和数据是实事求是的 尽我所知 除文中已经加以标注和致谢外 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果 也不包含本人或他人为获得中国石油 大学 华东 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料 与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明 若有不实之处 本人愿意承担相关法律责任 学位论文作者签名 E t 期 年月日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学 华东 有权使用本学位论文 包括但不限于其印 刷版和电子版 使用方式包括但不限于 保留学位论文 按规定向国家有关部门 机构 送交学位论文 以学术交流为目的赠送和交换学位论文 允许学位论文被 查阅 借阅和复印 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 采用 影印 缩印或其他复制手段保存学位论文 保密学位论文在解密后的使用授权同上 学位论文作者签 指导教师签名 日期 日期 年月日 年月日 中国石油大学 华东 硕士学位论文 第l 章绪论 1 1游梁式抽油机的发展及应用 游梁式抽油机俗称 磕头机 它由电动机 平衡块 游梁 支架 驴头 连杆 齿轮 减速箱等部分组成 游梁式抽油机具有结构简单 制造容易 可靠性高 耐久性 好 维修方便 适应现场工况等优点 在采油机械中占有举足轻重的地位 在今后相当 长的时间内仍是油田的首选采油设备 但是由于常规机本身的结构特征 决定了它平衡 效果差 曲柄净扭矩脉动大 存在负扭矩 载荷率低 工作效率低和能耗大等缺点 在 采油成本中 抽油机电费占3 0 左右 年耗电量占油田总耗电量的2 0 3 0 为油田 电耗的第二位 仅次于注水 游梁式抽油机抽油系统的总效率在国内一般地区平均只有 1 2 2 3 先进地区至今也不到3 0 由此可见降低抽油系统高能耗的迫切与难度 自从1 9 8 5 年第一台异相曲柄平衡游梁抽油机 简称异相机 应用以来 国内各大油田开始 重视抽油机的节能工作 1 9 9 1 年双驴头节能型抽油机的问世 开创了游粱式抽油机f 简 称游梁机 节能应用研究工作的新局面 随后不断涌现出各种各样的新型节能抽油机 游梁式抽油机采油是我国陆上采油的最主要方式 抽油机井约占我国油井的8 0 游梁式抽油机平衡效果不好 这使得抽油机的能耗加大 致使采油成本提高 另外还严 重影响曲柄连杆机构 减速器及电动机的效率和寿命 同时也降低了抽油杆的可靠性 游梁式抽油机是惯性矩较大的机械设备 工作时带载启动 为了满足启动要求 游梁式 抽油机一般都配备额定功率较大的电机来拖动 另外 抽油机的载荷是带有冲击性的交 变载荷 为使拖动电机稳定运行并具有一定的过载能力 需要按照抽油机的最大扭矩来 选配电机 然而抽油机所需要的平均功率并不大 因此 这使大马拉小车的现象尤为严 重 因此 拖动电机长期在低效率 低功率因数的工况下运行 降低了整个抽油机系统 的效率 浪费了大量的电能 从而增加了油田建设的投资 另外 游梁式抽油机在完成一个抽油周期 冲次 的过程中 上 下冲程的负荷也 不平衡 并且差别较大 为了改善这种不平衡状态 减小工作电机的容量 提高工作效 率 节约电能 游梁式抽油机都设计有配重悬锤 尽管如此 由于配重悬锤的配重是固 定的 而油井的工况是变化的 即使是同一口油井 随着开采过程的进行 井下液位也 会发生较大变化 这些都直接影响着电机的运行工况 再加上配重悬锤机构的机械调整 受到现场诸多条件的限制 使抽油机不能完全达到平衡 在实际运行中 电机往往处于 两种工作状态 即电机除工作在电动状态之外 在每个冲次期间 电机都会进入再生倒 第1 章绪论 发电反馈制动状态运行一定时间 电动状态和倒发电状态 而在现场实际运行的游梁 式抽油机 几乎全都不同程度地存在着电机再生倒发电现象 有的时间比较长 有的时 间比较短 时间比较长的几乎占去了整个运行周期的3 0 以上 倒发电能量也非常可观 如果可以将这部分电能再利用 那将节约不少电能 短暂的发电运行是发动机的不良状 态 在转差S 的绝对值较小时 效率和功率因数等较低 由于异步电动机的发电运行必 须从电网吸收滞后的无功功率用来励磁 因此 加重了电网的无功功率上的负担 降低 了电网的功率因数 浪费了变压器容量 1 2 课题研究的目的和意义 目前 游梁式抽油机不仅在国内各油田而且在世界各国的石油开采当中都得到了十 分广泛的应用 为了提高抽油机的工作效率和油井采收率 节能降耗 近年来 人们已 经研究采取了很多种措施 已开发的各种节能电机和控制装置多达数十种 比如双功率 电机 高转差电机 永磁同步电机 开关磁阻电机 直线电机 可控硅调压控制 州 接切换控制 可控硅投切电容补偿 变频控制 间歇开井节能等等 从目前国内各油田 及国外应用的情况来看 围绕抽油机的节能增效 不外乎有两方面的措施 一是研发适 合于抽油机特点的高效节能电机 二是研发性能价格比高的抽油机电机控制装置 在节能电机应用方面 目前在有些油田为了适应抽油机低速运行降低冲次的要求 将原有的8 极电机改造为8 1 6 极双速电机 但是改造后的双速电机由于原有电机机座尺 寸的限制 普遍存在功率降低过多和温升高噪声大等问题 达不到预想的节能效果 针对抽油机大都工作于 大马拉小车 状态 电机的功率因数和效率很低的问题 在多种多样的电机节能控制装置当中 综合比较而言 以抽油机专用变频控制应用效果 最好 这主要体现在以下四个方面 1 通常低产油井供液不足 稠油井冲次极低等工况 使抽油机稳态负荷轻而起动 负荷重 加之井下供液量不稳 故选配电机容量较大 但大都运行于 大马拉小车 状 态 通过宽范围平滑变频降低冲次 使抽油泵的液充满度及电机负载率增大 功效和功 率因数大为提高 加之耗能频度减小 这对降低抽油机的吨液生产耗电量十分有利 2 通过检测抽油机的负载状况和上 下冲程位置 来调节电机运行频率或者分别 调节上 下冲程频率 可以改善抽油机的生产工艺和系统效率 提高油井产液量 达到 增产和节能的双重并举 3 针对抽油机的 大马拉小车 状态 通过实时检测电机的负载轻重及负载率高 低 运用特定的P W M 动态调压优化控制算法 随着抽油机负载的周期性且急剧的变化 2 中国石油大学 华东 硕士学位论文 实时对电机的工作电压进行动态跟踪调节 改善电机的工作状态 提高电机的工作效率 和功率因数 更进一步节能增效 4 通常电机工频直接起动电流很大而转矩较小 故选配容量较大 起动过程中对 电网有很大冲击 电网电压会大幅度下跌 电机变频起动性能比其他各种起动方式都要 优越 起动转矩增大 而起动电流减小 可以实现抽油机的柔性软起动 因而也可使所 配电机的容量降低 尽管抽油机变频控制具有诸多优点 但是目前仍普遍存在四个问题制约其上述优点 的充分发挥 一是网侧电流谐波和功率因数问题 二是对抽油机倒发电馈能采用耗能电 阻或倒灌冲击电网都不合理 三是缺乏针对抽油机负载特点的专用节能控制算法 四是 控制柜价格较高 已成为影响其大面积推广应用的主要制约因素之一 其中前三方面直 接决定着节能效益的高低 其网侧整流器若采用不可控整流 则网侧电流波形畸变 导 致功率因数不高且对电网有谐波污染 抽油机的倒发电馈能只能通过直流侧耗能电阻得 以释放 增加了无谓损耗 若采用P w M 可逆整流器 网侧电流波形较好 功率因数也 较高 且倒发电能量可馈入电网 但对电网有倒灌冲击 并且造价也高得多 对目前国 情下的大面积推广不利 因此 目前抽油机变频控制柜的配置组态和工作机理决定了上 述四个方面的问题难以得到根本解决 综上所述四个方面的问题 都统一贯穿一个电能消耗的核心问题 油田生产的能耗 是一个综合的系统耗能过程 难以在局部的节能改造中明显见效 如需要进一步降低吨 液耗电量 必须进行综合系统改造 众所周知 近年来为了解决抽油机在多方面存在的 严重问题 目前已经开发和投入现场应用的各种抽油机节能电机和抽油机控制装置不下 数十种 花样繁多 种类各异 油田各采油厂也做了大量艰苦细致的工作进行节能增效 和提高采收率 尽管有的已收到了一定的成效 但依靠常规技术 再迸一步深入挖潜是 有限度的 所以必须从技术上动大手笔 寻找更先进 更适用 更经济的技术手段来解 决油田多年来难以解决的问题 本文所介绍的 基于直流供电配置的抽油机变频群控系 统研发 这一课题 其目的就是要进一步研究抽油机的多种变频调参 调衡节能控制新 技术和新方法 并开发相应的控制装置 使现存问题从根本上得到全面而彻底的解决 尤其是能够将倒发电能量进行再利用 并且提高装置在野外露天高温高寒等恶劣气候条 件下全天候长期运行的可靠性 大幅度降低成本造价 优化系统的性能价格比 从而大 幅度降低抽油机的吨液耗电量 真正达到增产节能的目的 从目前情况看来 决定抽油机变频控制柜产品竞争力大小的主要因素 除产品性能 3 第1 章绪论 和可靠性之外 价格问题也是影响其大面积广泛应用的重要制约因素 目前有很多抽油 机变频控制柜是由进口的通用型变频器和P L C 等现成设备作为机芯 再配置以交流接 触器和检测保护等外围部件而组成的 所以成本自然较高 通用型变频器为了求得 通 用性 一般其功能可多达数百种 变频范围可高达4 0 0 H z 而在抽油机控制柜上仅用 其几种功能即可 频率范围不超过6 0 H z 可见这实际上是一种资源的浪费 而且操作 繁琐 不仅如此 抽油机特别需要的某些功能 比如上下冲程变频切换控制 由于无 法修改内部控制软件 通用型变频器却无法满足 故需要另附P L C 或单片机等C P U 处 理器加以功能扩展 本课题完全摆脱这种不合理的资源配置和资源浪费 将变频逆变器 的控制与抽油机的特殊控制及检测保护功能相结合 采用高性能单片机对整体系统进行 统一控制和管理 硬件和软件配置满足抽油机控制的功能要求适可而止 不仅现场操作 方便 性能可靠 简单实用 而且大幅度降低单井终端控制柜的成本 并在单井变频控 制装置的基础上深入研究抽油机变频群控调参调衡节能控制的配置组态及控制方法 利 用采油区块多抽油机的群体优势 进一步提高综合采收率和整体节能效益 抽油机变频群控利用现代网络化通讯管理方式 通过监控中心计算机系统来完成对 多台抽油机的群组协调和监控管理 井口数据采集及数据远传通讯系统和变频终端控制 柜高度集成化为一体 由一套高性能单片机硬 软件系统统一完成 既可靠稳定又降低 成本 井口无线数据采集单元 可以实时测量抽油机的电压 电流 有功功率 无功功率 功率因数和视在功率等工作参数 对抽油机的各种故障 包括 非正常停机 断杆 空 抽 缺相 欠载 过载和电动机内部定子不对称短路等故障 进行诊断 并通过微波无 线通讯模块将抽油机运行参数上传到监控中心 在监测中心可以及时发现故障油井位置 并进行报警 具有自动巡井功能 在监控中心以采油队生产井为管理对象 可以手动或自动遥测各抽油机的运行数 据 自动分析抽油井冲程周期 绘制工作曲线图 实时动态监视各井的电参数曲线 分 析抽油机平衡情况 提出优化平衡调整建议 预测调整后的电流和功率曲线 为油井诊 断提供电子数据 为抽油机井精细管理提供一种全新的手段 监控中心还可以对各油井 控制柜终端下达控制指令 改变其运行冲次和上下冲程频率等 这些先进的自动化综合 功能是目前各种抽油机变频控制柜所不具备的 也是单井变频控制所无法统一实现的 抽油机变频群控技术将网络监控技术和中压直流供电技术综合应用到抽油机变频 控制系统中 并从集群的角度出发提出了提高系统整体效率的全新节能理论 是目前国 4 中国石油大学 华东 硕士学位论文 际国内油田自动化技术之新技术 1 3国内外技术现状及发展趋势 目前国内有关抽油机及驱动电机的各种检测与控制方式多种多样 比如 以改善工 艺 提高采收率为目的而为抽油机配备的变频调速器 示功图测试分析仪 滑差电机 变极调速 针对抽油机由于长期处于 大马拉小车 状态所致的功效低 功率因数低的 问题 为了节能降耗而采用的节能控制电机 降压节能和坍接法控制 以及对抽油机 通过间歇式控制来实现节能的所谓超级节能器 等等 国外围绕抽油机的控制主要采用 比较完善的变频调速装置 和与之配套的示功图测试分析仪等 通过变频调速器及多功 能控制系统 既可以较好地满足采油工艺的要求 又能达到有效节能的目的 有关理论研究和科学实践表明 影响抽油机系统效率的因素包括地面因素和地下因 素 其中地面因素主要有电动机 传送带 齿轮箱 四连杆机构 地面因素的综合系统 效率是6 2 6 4 地下因素包括盘根盒 抽油杆柱 抽油泵效率 油管柱效率 地下因 素的综合系统效率是6 1 5 6 综合以上两个因素 抽油机的系统效率是3 8 3 1 以上 数据为理想数据 实际上有些设备的效率由于技术落后 设备陈旧 工艺不合理等多种 原因而达不到理想数据 对这部分设备进行综合技术改造可以明显提高抽油机的系统效 率 随着油田对降低吨液生产成本的要求的不断提高 各项节能技术层出不穷 节能技 术还有主要围绕着抽油机采油系统的用电设备展开的 诸如线路电容补偿技术 电机软 启动技术 变频技术 各种节能电机技术等等 其中围绕着电机和控制柜所做的工作最 多 1 3 1 国内外技术现状 1 电动机节能技术 主要有以下几种方式 1 双转子电机 该电机有两套笼型转子绕组 一套是运行笼绕组 一套是起动 笼转子 起动时起动笼电流较大 起动转矩较大 运行时起动笼绕组切除 运行笼工作 该方法可有效提高电机起动转矩 减小电机容量 但双笼电机受电压降影响也达不到额 定转矩 且在正常运行时功率因数较单笼电机功率因数低 2 双功率电机 该电机定子有两套绕组 每套绕组对应的功率不同 启动时将 高功率绕组接入 以获得较大的起动转矩 轻载运行时切换为低功率绕组 以解决电机 大马拉小车 的问题 但电机的体积大 成本高 而且将同一台电机设计成两种功率 5 第1 章绪论 难以得到最优的设计效果 3 电磁调速电机 该电机由Y 系列电机 电磁转差离合器 测速发电机等组成 在起动时降低转速 电机恒功率运行以提高起动转矩 但起动转矩提高并不多 电磁转 差离合器自身要消耗相当大一部分转差功率 工作效率很低 而且电机结构复杂 可靠 性差 不适于抽油机的运行工况与环境 4 高转差电机 该电机起动转矩大 因而可以选用较小容量的电机 但其机械 特性较软 正常运行时电机转差大 效率低 易发热烧坏电机 5 双电机结构 该方法实质上是将两台电机组合制造成为一个整体 起动时两 台电机同时运行 起动转矩大 正常运行时以一台工作 有效降低了电机的功率 存在 的问题 起动电流大 变压器电压降落过大 电机结构复杂 成本高 6 永磁同步电动机 启动转矩大 功率因数高 效率高 但启动电流大 存在 失磁和充磁的麻烦 7 开关磁阻电动机 调整抽油机的转速比较方便 自身损耗小 但转矩脉动和 噪声较大 控制线路复杂 现场由原来的电机改为开关磁阻电机 既需要更换电机又要 另配置一个价格昂贵的控制柜 8 直流无刷电动机 调整抽油机的转速比较方便 效率较高 同样现场若由原 来的电机改为直流无刷电动机 既需要更换电机又要另配置一个价格昂贵的控制柜 9 直线电动机 抽油机省去了传统的减速传动装置 结构紧凑 电机由传统的 圆周运动改为直线运动 有利于提高机械部分的传动效率 但由于直线电机的工作机理 决定了电机本身效率很低 所以整体系统效率不高 2 控制柜节能技术 以调压和电容补偿为主 主要有以下几种方式 1 可控硅调压控制柜 通常电机在额定电压轻载运行时 电机的输出转矩与轻 载转矩相平衡 定子电流中的有功分量减少 导致功率因数降低 而与电压有关的铁磁 损耗基本不变 致使电机效率也降低 在抽油机 大马拉小车 的情况下 适当降低电 机的定子电压 而且根据负载率的大小实时调压 使电机相当于一个容量可变的小功率 电机 总是工作于接近满载状态 使电机的效率得到提高 但是这类控制柜采用可控硅 实时调压技术 尽管电机电压降低 但电压电流波形畸变严重 而且电压调得越低 电 流滞后角越大 使电机附加损耗加大 功率因数严重降低 同时对电网污染加重 2 A Y 切换控制柜 该类控制柜在抽油机起动时电动机以 接状态运行 以获 得较大的起动转矩 运行正常后切换至电动机的Y 接状态运行 以实现电机的降压节能 6 中国石油大学 华东 硕士学位论文 运行 该方法在特轻载井上有一定节电效果 但是当井下工况变化而载荷不是很轻时 效果不很明显 3 可控硅投切电容器 r s c 辛b 偿控制柜 该种补偿柜并接在抽油机的驱动电机上 根据抽油机载荷的变化及功率因数的高低 分级自动投切补偿电容量 该方法主要是用 以改善网侧功率因数 对于电机本身的工作状态改善有限 由于该补偿柜电容为有级投 切 所以很难做到精确补偿 还时常出现过补偿现象 过补偿对电动机 电容的绝缘都 有损害 4 普通电容补偿柜 固定电容补偿 可提高线路的功率因数 仅节约无功 不 能精确补偿 寿命较短 5 变频控制柜 与上述所有的各种抽油机控制方式相比 变频控制是技术最合 理 性能最优越的 因为它从根本控制机理上最为适合于交流电机对抽油机的驱动匹配 这主要表现在以下几个方面 a 通过变频控制可以很灵活方便平滑地调节抽油机的冲次 以及上 下冲程转速 无论是对于普通油井还是稠油井都非常适合 b 在所有抽油机电机起动方式当中 变频起动最为优越 不仅起动电流小 而且 起动转矩可以很大 甚至可以比电机的额定转矩还要大 柔性化起动平稳可靠 C 随着S P W M 变频调速技术的不断发展 电机的工作电压和电流波形大为改善 不仅转矩没有脉动 而且电机损耗很小 尤其是若能通过适当的S P W M 控制 充分发 挥其便于调压的优势 可以在抽油机变频控制的同时 实现抽油机 大马拉小车 状态 下的降压节能运行 提高电机的工作效率 d 若将抽油机改为变频调速 无论原来采用异步机还是永磁同步电动机 都可以 不用更换电机 只需要另配一台变频控制柜即可 而不像开关磁阻电机 直流无刷电机 那样 既要更换电机又要配置控制柜 况且变频控制柜价格也低一些 目前 在国内各油田采用的变频控制柜除了上述功能优势的发挥程度上差别较大之 外 还在以下几方面有技术和性能上的差异和影响 a 作为交一直一交变频结构 其交一直整流及滤波环节的电路结构不同 对于网 侧功率因数的大小及对电网的谐波污染程度有直接的影响 b 对于逆变环节的S P W M 控制及调压控制的算法不同 直接影响着实现抽油机 大 马拉小车 状态下的降压节能效果 C 变频控制柜对抽油机的不平衡馈能通常有两种不同的处理方式和配置组态 一 7 第1 章绪论 是在直流侧接入刹车电阻耗能 电路简单易行 二是交一直整流及滤波环节采用P W M 可逆整流器将电机倒发电能量馈入电网 使不平衡馈能得以回收 避免能量的浪费 后 者技术难度较大 成本也较高 d 由于所采用的技术手段不同 控制柜成本也各不相同 不过总体看来 变频控 制柜价格偏高 各采油厂难以接受 这也是变频控制柜目前难以大面积广泛应用的主要 原因 1 3 2 国内外发展趋势 目前国内外的研究和应用有如下三个发展趋势 1 利用网络技术提高管理水平 由于仪器 设备 人力 物力 财力等因素限制 难以对每台抽油机的运行工况实 时进行动态监测 因此对抽油机的平衡度 供电质量 电压高低变化 抽油泵严重漏 失 油杆断脱 停井 盗电等现象不能及时发现 导致管理人员无法及时根据各抽油机 的运行情况采取相应对策和进行人员及设备的合理调配 抽油机平均系统效率降低 现 在的网络通讯技术为抽油机实施在线监控提供了信息网络平台 人们正在利用G P R S C D M A 技术研究对油井有关参数进行实时监测和在线监控 这一技术的实现 为数字化 油田的建设 提高管理水平和抽油机综合节能增效提供了最先进最科学的技术手段 2 研制低速电机降低抽油机的冲次 通过近几年油井综合参数测试分析可知 日产液量小于6 m 3 的井约占总井数的1 5 这些井泵的充满系数小于2 0 抽油泵存在严重的充不满现象 这种井的冲次 每 分钟1 2 次就可满足生产工艺的需要 但目前因电机最低速度 8 极电机同步转速7 5 0 转 分 和皮带轮的最小包角限制 最小冲次仅仅可以调到4 次 分钟 若要再降低电动 机的皮带轮直径 则皮带会出现打滑 实际上对于低渗透井及产液量低的井以及某些稠 油井 只需要1 2 次 分的冲次既可满足生产工艺要求 而现在的状况却是这些井的冲 次都在4 次 分以上 多作一倍的无用功 导致系统效率严重降低 浪费大量的电能 另 外 冲次数多 设备磨损必然加快 故障率也会增加 修井作业的频率增大 成本费用 增高 针对低渗透井和日产液量少的井 有关人员正在研制转速在2 5 0 转 分左右的超低速 电机 这种电机可以将抽油机的冲次降到1 2 次 分 冲次的降低可以大幅提高抽油机 的单井系统效率 3 应用中压直流供电技术 8 中国石油大学 华东 硕士学位论文 近些年在抽油机上应用了很多节能技术和节能产品 抽油机系统效率有了一定的提 高 利用目前的低压节能技术 低压节能产品提高抽油机系统效率的潜力极其有限 因 此人们开始考虑提高抽油机的供电电压 由交流供电改为直流供电 中高压直流供电可 以降低抽油机电机 变压器及供电线路的损耗 进而提高抽油机的系统效率 该项技术 是提高抽油机系统效率的一个新的研究方向 4 抽油机集群节能控制技术 抽油机集群节能控制技术可以利用现代网络化通讯管理方式 通过监控中心计算机 系统来完成对多台抽油机的群组协调和监控管理 井口数据采集及数据远传通讯系统和 变频终端控制柜高度集成化为一体 由一套高性能单片机硬 软件系统统一完成 既可 靠稳定又降低成本 井1 2 1 无线数据采集单元 可以实时测量抽油机的电压 电流 有功功率 无功功率 功率因数和视在功率等工作参数 对抽油机的各种故障 包括 非正常停机 断杆 空 抽 缺相 欠载 过载和电动机内部定子不对称短路等故障 进行诊断 并通过微波无 线通讯模块将抽油机运行参数上传到监控中心 在监测中心可以及时发现故障油井位置 并进行报警 具有自动巡井功能 1 4 本论文研究的主要内容 本课题来源于山东省科技攻关计划项目 抽油机区块变频群控配置组态的研究与系 统开发 项目号 2 0 0 6 G G 2 3 0 4 0 0 1 本文在前人研究的基础上 根据各油田采油区块 多台抽油机集中分布的特点 研究开发了一种基于直流供电配置的抽油机变频群控系统 装置 使上述问题从配置机理上得到根本解决 不仅可以大幅度增产和节能降耗 而且 使造价明显降低 进一步提高系统的性能价格比 本文所研发的群控系统装置 采用公共直流母线下挂多个变频终端的拓扑结构 变 频终端采用一种适合于直流母线供电特点的特种开关电源构成方案 变频主电路采用全 控型电力电子器件I G B T 等快速模块及高频P W M 控制方式 单片机控制单元采用1 6 位单片机I n t e l8 7 C 1 9 6 M H 完成电机工作电压的寻优控制算法 并进行自动控制 即动 态调压 使抽油机电机始终运行于功率因数和效率最佳的工作状态 所做的主要工作总结如下 1 深入研究游梁式抽油机的工作特点及其控制要求 2 对变频群控系统进行理论分析和总体结构方案设计 3 对群控整流电路进行了原理分析及仿真研究 为实际电路的参数选择奠定了 O 第1 章绪论 理论基础 4 深入剖析群控系统的谐波和功率因数问题 以及变压器容量问题 为实验数 据的分析提供了理论依据 5 对变频终端控制系统方案及变频控制方法进行理论分析 为终端控制系统设 计奠定基础 6 研究并开发了变频终端专用的开关电源 进行了大量试验后应用于现场 并 对实验波形及数据进行综合分析 7 设计终端下位机组合控制软件和控制电路 搭建系统样机 进行大量系统调 试实验 对实验波形及数据进行综合分析 8 与中原油田合作 在油田现场进行半年以上时间的试验 检测群控系统装置 的节能 增产性能 验证系统的可行性及可靠性 并对实验数据进行了分析和总结 1 0 中国石油大学 华东 硕士学位论文 第2 章抽油机变频群控系统方案设计 2 1抽油机的工作特性及其控制要求 2 1 1 抽油机的工作特性 游梁式抽油机采油系统主要由三部分组成 一是地面部分 游梁式抽油机 它由 电动机 减速箱和四连杆 包括曲柄 连杆和游梁 等组成 二是井下部分 抽油泵 包括吸入阀 泵阀 柱塞和排出阀等 它悬挂在套管中油管的下端 三是联接地面 抽油机和井下抽油泵的中间部分 抽油杆柱 它由一种或几种直径的抽油杆和接箍组 1 底座 2 一支架 3 一悬绳器 4 一驴头 游梁 6 一横梁轴承座 7 一横梁 8 一连杆 卜曲柄销装置 1 D 一曲柄装置 1 一减速器 1 2 一刹车保险装置 1 3 一刹车装置 l 卜电动机 l 卜配电箱 图2 1 游梁式抽油机结构 F i 9 2 1 T h es t r u c t u r eo ft h eb e a mp u m p i n gu n i t 成 地面部分基本结构 l j 如图2 1 所示 采油工作原理 2 是 电动机通过皮带和减速器带动曲柄作匀速圆周运动 曲柄通过 连杆带动四连杆机构的游梁以支架上中央轴承为支点 做上下摆动 带动游梁前端的驴 头悬点连接抽油杆柱 油泵柱塞做上下往复直线运动 实现机械采油 当悬点 抽油杆 上冲程时 如图2 2C a 所示 抽油杆柱带动油泵活塞上行 油 泵的游动阀 排出阀 受阀自重和油管内液柱压力的作用而关闭 并提升柱塞上部的液 体 与此同时 柱塞下面的泵筒空间内的压力降低 当其压力低于套管压力时 该空间 的液体将顶开油泵固定阀 吸入阀 而进入抽油泵活塞上冲程所让开的泵筒空间 当悬 点 抽油杆 下冲程时 如图2 2 b 所示 泵内的压力不断增高 当泵内压力增至超 过油管内液柱压力时 将顶开油泵的游动阀使泵筒内的液体进入油管内 由于油泵柱塞 1 1 第2 章抽油机变频群控系统方案设计 在抽油机的带动下 连续做上下往复运动 和打开 完成抽油泵的抽吸工作循环 因而油泵的固定阀和游动阀也将交替地关闭 目前 游梁式抽油机广泛采用曲柄平衡方式实现抽 油机的平衡 3 这种平衡方式中 平衡重块在曲柄轴上 所产生的平衡扭矩 随曲柄的转动按正弦规律变化 即 Z G R s i n a 受其实际结构的制约 曲柄不可能无限 短 连杆也不可能无限长 致使在这种抽油机中悬点载 荷作用到曲柄轴上的载荷扭矩并不按正弦规律变化 即 其随曲柄转动而变化的规律偏离了正弦规律 加上因悬 点运动的速度和加速度所带来的附加动载荷的影响 使 这种 偏离 越发加剧 因此在常规游梁式抽油机中 这种曲柄平衡扭矩Z 并不能与抽油机的载荷扭矩乙很 a 上冲程 b 下冲程 1 排出阀2 柱塞3 衬套4 吸入阀 图2 2 泵的工作原理 F i 9 2 2W o r k i n gp r i n c i p l e o f p u m p 好地平衡 使抽油机在一个工作循环中曲柄轴净扭矩L 仍有较大的波动 扭 一 厉X 二迭 矩 歹 p 1 净扭矩 2 油井负荷扭矩 3 曲柄平衡扭矩 图2 3 游粱式抽油机典型扭矩 r i g2 3 T h et y p i c a lt o r q u eo ft h eb e a mp u m p i n g 图2 3 是常规游梁式抽油机的典型扭矩图 可见 一个工作循环中 狰扭矩在有较 高的 峰值 和较深的负向 谷值 即有较大的 负扭矩 扭矩波动很大 抽油机平 衡效果不佳 造成抽油机对其动力机构电机有着不一般的要求 2 1 2 抽油机电机的控制要求 通过前面的分析可知 游梁式抽油机的动力机构主要是电机 并且对其控制的要求 存在着特殊性 1 电机要在保证工作效率的基础上 有较大的启动转矩 较小的运行转矩 2 在一个运行周期中 电机将有一定时间运行在倒发电状态 其倒发电能量要 12 中国石油大学 华东 硕士学位论文 进行合理的处理 3 为了提高产量 要求电机在上冲程的时候提升速度较快 而在下冲程的时候 下放速度较慢 以提高泵液的充满度 4 通常在油田野外基本无人值守的条件下 一年四季连续运行 要求可靠性较 高 并且最好能够进行远程监控管理 根据要求1 我们可以选用功率较大的电机以满足其启动要求 但是运行效率很低 造成 大马拉小车 要求2 和要求3 更是电机自身所无法满足的 只有给电机加以控 制才能满足要求 变频调速控制就可以满足其各种要求 它可以使电机启动的时候转矩 达到最大 因此不用大马拉小车就能解决其启动问题 并且变频调速控制可平滑的调节 抽油机冲次和上下冲程的速度 可以提高泵液充满度 进而提高产量 对于电机倒发电 能量的处理可以采用公共直流母线技术 实现对多台抽油机电机的集群控制 使多台抽 油机电机的倒发电能量互补共享 即处理了倒发电又节省了电能 同时还提高了系统可 靠性降低了系统造价 如果要满足要求4 可以利用现代网络化通讯管理方式 通过监控 中心计算机系统来完成对多台抽油机的群组协调和远程监控管理 综合以上几种技术 便得到了抽油机变频群控系统的方案 有关其方案设计将在下一节中进行介绍 2 2 群控系统方案设计 2 2 1 公共直流母线技术 公共直流母线技术是在多电机交流调速系统中 采用单独的整流滤波装置为系统提 供一定功率的直流电压 调速用逆变器直接挂在直流母线上 当系统工作在电动状态时 图2 4 公共直流母线供电系统框图 F i g2 4C o m m o nD Cb u sp o w e rs u p p l ys y s t e md i a g r a m 逆变器从母线上获取电能 当系统工作在发电状态时 能量通过母线互馈共享 以达到 1 3 第2 章抽油机变频群控系统方案设计 节能 提高设备运行可靠性 减少设备维护量和设备占地面积 公共直流母线控制系统通常由公共直流母线 整流滤波单元 变频终端单元等组成 完整的公共直流母线供电系统包括 电力变压器 进线开关 进线快熔 整流滤波单元 逆变器等 公共直流母线供电的供电系统 2 2 j 2 3 2 4 1 如图2 4 所示 整流滤波单元把交流电压转换为稳定的直流电压 即便在逆变器能量回馈到直流母 线时 该电压在规定的范围内仍保持恒定 整流方式可分为二极管不控整流 可控硅半 控整流和I G B T 全控整流三种方式 整流滤波单元的整流部分一般采用三相不可控整流 以提高其网侧功率因数 其滤波部分一般采用电感电容滤波 以减小其网侧的电流谐波 变频终端把电压稳定的直流电源转化为电压 频率可调的交流电源 以满足电机平 滑调速的目的 公共直流母线技术一般存在着以下几个优点 1 共用直流母线和共用整流单元 可以大大减少整流器的重复配置 并且可以 大大减少变压器容量 结构简单合理 经济可靠 2 公共直流母线的中间直流电压恒定 电容并联储能容量大 3 各电动机工作在不同状态下 能量回馈互补 优化了系统的动态特性 4 提高系统功率因数 降低电网谐波电流 提高系统用电效率 由于公共直流母线技术存在着诸多优点 早在上个世纪8 0 年代就已经开始逐步应用 于多传动控制系统如轧钢 造纸 化纤等各个行业 而在石油这个比较大的行业里边的 应用 直到近期 随着变频技术在石油行业的广泛应用才开始崭露头角 2 2 2 系统总体方案设计 基于前面对抽油机及其控制要求的分析 本课题设计开发一种基于直流供电配置的 多台抽油机同时使用的变频群控节能装置 本课题是在已研制开发抽油机单井变频节能 控制装置技术比较成熟的基础上 进一步研究的抽油机变频节能控制的新型组态配置方 案 对于多台抽油机集中的采油区块 采用公共直流母线配挂多个变频控制终端的群控 配置组态 实现了多台抽油机的倒发电能量的互馈共享和循环利用 节能的同时减小了 网侧谐波提高了功率因数 有关抽油机集群控制配置方案如图2 5 所示 对于有三台以上游梁式抽油机集中的采油区块 采用同一台变压器提供3 8 0 V 或中 高压三相交流电源 并采用同一网侧整流器和滤波器通过公共直流母线为多台抽油机变 频控制终端供电 各抽油机变频控制终端一方面共享直流母线来分时汲取电能 另一方 面 当各抽油机电机分时进入倒发电状态时 使反馈到直流侧的能量为同一母线上的其 1 4 中国石油大学 华东 碗士学位论文 他变频终端所共享 鉴于各抽油机无论是屯动还是倒发电工作状态 都能通过调节其运 行冲次来进行调整 这样可以使不平衡馈能在各抽油机变频终端之间通过直流母线实现 分时能流互馈 充分发挥采油区块多抽油机的群体优势 另外 在每个变频终端的直流 母线侧并接一套由I G B T 做开关的能耗保护单元 以各在直流母线上的倒发电馈能过剩 时 通过耗能电阻得以消散 避免直流母线过压 该组态配置方案有以下几个优点 1 各变频终端直流侧的不平衡馈能通过直流母线互馈 在其他抽油机变频终端 上得到有效利用 提高了采油区块整体的系