新科瑞C500变频器在第二代数字化抽油机上的应用
摘要：本文主要介绍了新科瑞C500 在某油田第二代数字化抽油机上的应用，数字化抽油机在数字化油田建设中发挥了重要的作用，其控制性能可靠，节能效率高。数字化抽油机的控制包括手动/自动切换控制，RTU 控制系统与 C500 系列变频器工变频切换系统共同构成数字化抽油机的核心控制系统，本文以其中一例 15KW 的 C500 变频器为例分析其应用，并对 C500 系列变频器在抽油机上的应用提供推广的方案。 关键词：抽油机 变频器 RTU 一、引言 目前随着我国大部分油田原油含水率的不断增加，油田用抽油机普遍存在着低效、高能耗的问题。为解决这一问题，不少油田采用了电机变频调速技术，由调整抽油机的电机转速取代机械冲次调节，取得了很好的节能效果。在油田井场站数字化建设流程中， 要求井场抽油机的各项数据都要传入上一级的增压点监控室，而且要求在增压点控制室远程操作抽油机，电机的控制就显得尤为重要，新科瑞 C500 变频器不仅满足油田数字化建设的要求而且有很大的节能空间。 二、数字化抽油机应用分析 油田普遍采用有杆抽油方式，而所用的磕头机普遍存在效率低、能耗大等情况。在实际生产过程中，采油井的供液能力随时都有变化，需要对抽油系统运行参数进行及时而合理的调整，其中抽油机冲次的调节尤为重要。一般通过更换电机皮带轮调节冲次，抽油机冲次只有三档，分别为，5、3.5、2.5min-1。某油田为超低渗透油藏，为保证采油系统处于最佳工作状态，需要使用低于 2.5min-1 的冲次采油，而现有冲次调节不能任意调节，难于使采油系统处于最佳工作状态，造成泵效普遍降低，能耗。 为实现数字化智能高效抽油和节约电能，第二代数字化抽油机方案应运而生， 其系统主要由弯梁变矩抽油机、变频控制柜、电动机、传感器、通讯和监控中心六部分组成。传感器采集抽油系统地面功图，为变频调速提供依据，变频控制柜提供调速需要的变频电源， 电动机接入变频电源驱动抽油机按需要的冲次运转，通讯模块将采集到的数据上传至监控中心，监控中心远程控制启停机和调速。第二代数字化抽油机的整体方案示意图如下所示。 井场提供 380V/50HZ 输入交流电源，根据油井负荷不同，油田各井场的抽油机配备的电动机功率也有所不同，从 11KW 到 45KW 不等，这就使得各站点要求的变频装置将有柜体尺寸和变频器型号的区别。但不论如何，新科瑞 C500 通用系列变频器可满足其要求， 本文以 11KW 抽油机为例分析，下图为弯梁变矩式抽油机。 三、数字化抽油机选择变频调速的优点 以往的抽油机通常只有工频配电，电机一直以工频运行，而数字化抽油机配备了变频调速，这是因为变频调速具有诸多优点，主要表现在以下几个方面： (1) 可以实现抽油机的无极调速，这是变频调速在抽油机上最重要的优点。由于某油田为超低渗透油藏，抽油机如果一直在工频运行将使装备效率大大降低，能耗相应也会很高， 一般来说抽油机运行在工频以下。 (2) 大大提高了功率因数(可由原来的 0.25～0.5 提高到 0.9 以上)，大大减小了供电(视在)电流，从而减轻了电网及变压器的负担，降低了线损，可省去大量的“增容”开支，引入变频控制，可以大大减小抽油机工作过程对电网的影响。 (3) 可以节约宝贵的电能。一方面，油田抽油机为克服大的起动转矩，采用的电动机远远大于实际所需功率，工作时电动机利用率一般为 20%～30%，最高不会超过 50%，电动机常处于轻载状态，造成资源浪费。另一方面，抽油机工作情况的连续变化，取决于地底下的状态，若始终处于工频运行，也会造成电能浪费。为了节能，提高电动机工作效率，需采用变频调速。 (4) 由于实现了真正的“软起动”，对电动机、变速箱、抽油机都避免了过大的机械冲击， 大大延长了设备的使用寿命，减少了停产时间，提高了生产效率。 (5) 保护功能强大，适应电网电压波动能力强。变频器一般保护功能全面，具有过压，过流，短路，过载，缺相保护等等，可以防止电网突变对电机的损害，在网侧电源故障时有效的保护变频器和电机，在电机负载发生故障时也可以有效的防止故障扩散至电网，也可以最大限度的保护电机。电压工作范围宽，电网电压在-15%～+15%之间波动时，系统均可正常运行。 (6) 使用变频调速装置可以提高自动化水平，为实现油田数字化建设提供了底层解决方案 。高度的自动化水平可以提高生产效率、降低作业强度、规范装备控制管理。 四、变频控制柜设计方案 试验用抽油机型号为CYJW10-3-37HY，其电机参数如下所示：功率11KW额定电压380V额定转速730rpm额定电流25A 由以上电机参数为参考，可选配 C500-11G-4T 变频器。由于变频柜体空间较小，所以选用安装方便的制动电阻，其大小为 34Ω/3000W。所用变频控制其主电路如下： 启动按钮 停止按钮 工变频切换开 故障复位按钮 手自动选择 频率给定调节 由此可以看出，数字化抽油机采用的是工变频切换的控制方式。事实上，抽油机在正常运行时使用变频方式，如果变频器发生故障，为了使抽油机继续运转，由变频柜继电控制回路将抽油机自动切换至工频运行。 抽油机的控制方式有手动/自动/锁定，手动控制在变频柜门板上进行操作，相应的变频器控制方案是端子控制方式，自动控制相应的为变频器 RS485 通讯控制，锁定为不允许频率调节。变频控制柜门操作界面如上图所示。 为实现远程监控功能，变频器的 RS485 与 RTU 控制单元的通讯接口相连，RTU 无线发射与增压点进行通讯，在增压点监控室便是通过这种方式远程控制变频器的。当然，RTU 还采集工变频电路和油井的其他信号。 新科瑞C500 变频器为数字化的底层执行提供了强有力的解决方案，其控制 I/O 电路和对应的主要参数设置如下所示。参数版本为 V4.8。 五、现场调试及应用效果分析 按照数字化建设的要求安装井场变频控制柜，按标准程序检查好柜内外接线，对变频控制柜进行现场启停、调速、远程控制试验等，C500 通用型变频器都能出色的完成试验任务。由于抽油机的工况特殊，长期处于制动状态，所以有必要对抽油作长期运行测试，以测试变频器及电动机的状况。对抽油机进行了为期 2 天的连续带载运转测试，结果表明新科瑞 C500 变频器完全满足油田恶劣的工况要求，以下是测得的数据： 项目20HZ30HZ40HZ50HZ75HZ输出电压145V235V310V380V390输出电流10~20A11~21A12~21A12~21A9~30A输出转速300RPM450RPM600RPM750RPM1125RPM制动电阻温度140~155℃170~190℃200~230℃240~270℃346~380℃ 由上表可以看出，由于负载基本不变，随着频率的降低，输出电压减小，电动机功耗将明显降低，这也说明对抽油机进行变频调速将有很大的节能空间。 抽油机在某油田井场长时间运行取得了很好的稳定性，自调试上井后，变频器平均故障时间为 0，在保证单井产液量不变的情况下取得了非常好的节能效果，以下是油田某井场实测数据：序号参数单位应用前应用后1载荷kN35.8/2134.1/21.72冲程M3.03.03冲次次/min3.52.34产液量m3/d2.112.095电机功率kW117.56日耗电量Kw.h103557节电率 46.6% 六、结束语 新科瑞C500 系列通用型变频器以其优越的性能在油田的数字化底层建设中发挥着重要作用，在井场长时间的运行受到一线员工的好评，由它带来的无级调速大大降低了现场冲次调节的作业强度和时间。C500 变频器不仅是第二代数字化抽油机智能控制的核心组成部分， 而且节约了电能，特别是对于超低渗透油藏节能效果更加明显。目前，随着数字化抽油机在油田的推广，新科瑞通用型变频器必将以其极高的可靠性和强大的功能在抽油机的控制中发挥越来越重要的作用。 参考文献 [1] 张琪，王杰祥，樊灵，陈德春.《采油工程原理与设计》.2015 年 [1]深圳市新科瑞电气技术有限公司.《C500 高性能矢量变频器用户手册》.2019 年