PowerFlex™400變頻器在螺桿泵抽油裝置上的控制應用

　　一、引言

　　近幾年我國的油田開采取得了飛速的發(fā)展，在能源日益緊張的今天面臨著前所未有的巨大機遇，但相對于世界先進的設備，也面臨著巨大的挑戰(zhàn)。生產(chǎn)設備的生產(chǎn)能力基本處于中低的工業(yè)自動化程度，主要原因是技術條件的限制。采油系統(tǒng)的螺桿泵抽油機裝置，是采油企業(yè)中主要的一種常見新型用電設備，在目前大部分油田中正進行大量的設備和技術推廣，而且目前涉及節(jié)能改造的單位很多，螺桿泵抽油機裝置應用變頻器進行節(jié)能優(yōu)化運行控制效果非常顯著，所以推廣價值非常大。目前為止，已有大量的抽油裝置使用螺桿泵抽油，并使用變頻器控制，提高了設備的運行效率，控制了能源的浪費。

　　美國AB公司的PowerFlex™400交流變頻器對于在變轉矩負載特性風機和泵的速度控制是一款經(jīng)濟而且實用的變頻器。它的變轉矩速度控制可以極優(yōu)的方式控制螺桿泵的轉速，保證螺桿泵抽油機工作在合適的運行狀態(tài)，達到了節(jié)能的目的。節(jié)能作為企業(yè)增效降耗、降低經(jīng)營成本、提高競爭力的重要手段，已經(jīng)顯得特別有意義。

　　二、螺桿泵抽油機裝置介紹

　　螺桿泵問世于上世紀30年代，是由法國工程師發(fā)明的，在國內也有稱其為曲桿泵的。由于單螺桿泵固有的優(yōu)點，現(xiàn)被廣泛地應用到國民經(jīng)濟各工業(yè)領域，特別是在油田采油裝置上已有更廣泛的應用。

　　螺桿泵是按回轉嚙合容積式原理工作的轉子式容積泵，它是依靠螺桿與襯套相互嚙合在吸入腔和排出腔產(chǎn)生容積變化來輸送液體的。它是一種內嚙合的密閉式螺桿泵，主要工作部件由具有雙頭螺旋空腔的襯套（定子）和在定子腔內與其嚙合的單頭螺旋螺桿（轉子）組成。當輸入軸通過萬向節(jié)驅動轉子繞定子中心作行星回轉時，定子—轉子就連續(xù)地嚙合形成密封腔作勻速軸向運動，把輸送介質從吸入端經(jīng)定子—轉子輸送至壓出端，吸入密閉腔內的介質流過定子而不被攪動和破壞。內部流速代低，容積保持不變。壓力穩(wěn)定，因而不會產(chǎn)品渦流和攪動。每級泵的輸出壓力為0.6Mpa，揚程60m以上，自吸高度一般在3m以上。

　　因定子選用多種彈性材料制成，所以這種泵對高粘度流體的輸送和含有硬質懸浮顆粒介質或含有纖維介質的輸送，有一般泵種所不能勝任的特性。這種泵零件少，結構緊湊，體積小，維修簡單，轉子和定子是本泵的易損件，結構簡單，便于裝拆。是應用在當前油田采油系統(tǒng)的先進的采油泵。

　　對于采油企業(yè)來說，電耗是其生產(chǎn)成本的主要部分，電能消耗部分中，螺桿泵的用電量占整個螺桿泵抽油裝置用電量的絕大部分，所以降低其耗電量是螺桿泵抽油裝置節(jié)能的關鍵。我公司在大慶油田公司的采油系統(tǒng)中使用美國AB公司的PowerFlex™400交流變頻器的變轉矩速度控制可以極優(yōu)的方式控制螺桿泵的轉速，保證螺桿泵工作在合適的運行狀態(tài)，保證連續(xù)抽油，并達到了節(jié)能的目的。

　　三、PowerFlex™400變頻器在螺桿泵抽油裝置上的應用

[$page]　　螺桿泵抽油裝置正常情況下運行的螺桿泵抽油裝置動作內部的過程對機器的沖擊很大，影響抽油裝置的壽命很大，并且浪費電能。目前國內采油企業(yè)中，采油設備都是按最大的生產(chǎn)能力設計，但是在生產(chǎn)的絕大部分過程中往往用不了那么大的功率。

　　在前期油井中，由于剛開采，儲油量大，提高轉速的方式，讓變頻器運行在高輸出狀態(tài)，頻率提高，相應的電機轉速提高了，其采油量也相應提高，其綜合采油率可比工頻情況下更高更好，工效提高有顯著提高。

　　在中、后期油井中，由于井儲量減少，電機若仍工頻運行，勢必浪費電能造成不必要的損耗，因而我們采用降低轉速的方式，減少沖程，一般將變頻器的頻率運行至30~40Hz之間，這樣電機轉速下降了30%，加之采油設備一般負荷較輕，節(jié)電率可達25%左右，而且提高了功率因數(shù)，減少了無功損耗。相比較抽油泵電機的轉速保持工頻運行，所輸出功率幾乎不變的情況，變頻控制方式可以避免采油生產(chǎn)中會出現(xiàn)大馬拉小車的現(xiàn)象。因此可以避免造成大量電能浪費。
采用變頻器調節(jié)螺桿泵電機轉速，可以提高采油效率，減少機械故障，延長機器使用壽命，高效運行。同時油田中采油機的數(shù)量非常大，變頻控制螺桿泵抽油裝置大量應用，可節(jié)約大量的電能，達到節(jié)約成本。

　如圖所示，系統(tǒng)控制電路設計采用手動、自動兩種運行方式，方便電器、電路的檢修。自動控制電路部分，把PowerFlex™400變頻器的繼電器輸出1編程為“電動機運行”，把繼電器輸出的常開節(jié)點置于自動控制電路中來控制電動機運行。變頻器運行根據(jù)外部啟動源和模擬量源來控制起停和運行狀態(tài)，對螺桿泵做到更全面的保護。

[$page]　　螺桿泵電機主要是由變頻器根據(jù)螺桿泵原油管道的流量來控制其運行。螺桿泵油出口管道上安裝帶模擬量輸出的流量閥，變頻器把該模擬量作為輸出的反饋信號來控制變頻器的輸出。流量反饋高值時說明井下可抽油量充足，變頻器提升螺桿泵轉速以增大抽油能力，流量反饋值低時說明井下油量很少，變頻器降低螺桿泵轉速，直到降低到一定低值，保證不間斷連續(xù)抽油。根據(jù)調試經(jīng)驗，變頻器最佳最低值輸出控制為30Hz，因為抽油機轉速更低時泵效會降低，節(jié)能效果不明顯。

　　油礦的油層含量比較復雜，長時間抽油可能導致局部抽空而損壞抽油裝置，PowerFlex™400變頻器的繼電器輸出的延時功能可以完全保護螺桿泵抽油裝置。我們還是對變頻器的繼電器輸出進行變成，把繼電器輸出2的輸出條件選定為模擬量輸入2超限，如圖2所示，將防抽空閥信號接進