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，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行和停止過程中的應(yīng)用方法，同時結(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)運行更加可靠穩(wěn)定。
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)時采用變頻器與外接電阻兩級制動，整個系統(tǒng)簡單緊湊，運行可靠，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，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個互不連通的封閉腔室，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，封閉空腔沿軸線方向由吸入端向排出端方向運移。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擠到排出端。同時，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、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)時存在反轉(zhuǎn)問題，造成螺桿泵反轉(zhuǎn)一般有兩個原因：一個是在螺桿泵工作時，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，抽油桿就會帶動機(jī)械系統(tǒng)反方向扭轉(zhuǎn);另一個是驅(qū)動系統(tǒng)停機(jī)時，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
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)動井下螺桿泵運轉(zhuǎn)，在系統(tǒng)停機(jī)時，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)運行更加可靠。
4.1 C2000變頻器特點
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。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)可實現(xiàn)開閉環(huán)控制;啟動轉(zhuǎn)矩在0.5HZ時可達(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，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)運轉(zhuǎn)，變頻器在初次與電機(jī)使用時，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加減速時間;設(shè)定10-39(IM與PM馬達(dá)控制切換點)，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，并有運轉(zhuǎn)指示燈和電位計調(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)行實時操作。
直驅(qū)螺桿泵的工作狀態(tài)可以分為正轉(zhuǎn)運行狀態(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)運行狀態(tài)
直驅(qū)螺桿泵在采油階段時，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)運行，通過控制柜上的電位計來調(diào)整電機(jī)運行轉(zhuǎn)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變頻器在運行前需要通過操作面板開啟PLC功能，同時通過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，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)時的相關(guān)數(shù)據(jù)(如運行時間，電流變化值等)可以通過變頻器未使用的參數(shù)項來輸入，例如04-00，04-01項等。
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，利用變頻器的運行狀態(tài)輸出點將變頻器與永磁同步電機(jī)端動力連線斷開，同時讓永磁同步電機(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)。
采用制動以后的運行過程是：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，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。
圖7 能耗制動原理圖
5 系統(tǒng)節(jié)能
采油井在開采過程中，油況可能隨時發(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)某知名油田多個地面直驅(qū)螺桿泵井口投運以來，運行效果穩(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。
（轉(zhuǎn)載）
