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C2000变频器在地面直驱螺杆泵上的应用分析

中达电通股份有限公司
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前言
 
目前国内最常用的抽油机种类有游梁式抽油机、塔架式抽油机和螺杆泵式抽油机三种,其中螺杆泵式抽油机近些年发展迅猛,是一种适用于高粘度、高含砂、高气油比原油开采的机械采油设备,螺杆泵抽油机作为一种简单、高效、经济节能的人工举升方式,在稠油与含砂含水原油的开采中得到了广泛的应用。
螺杆泵采油系统又分为地面驱动型和井下驱动型,其中地面直驱螺杆泵在井下采用普通螺杆泵,在井口驱动,结构简单,技术成熟,目前国内各油田的螺杆泵多采用此种驱动方式。地面直驱螺杆泵采用永磁同步电机驱动,配备台达C2000高阶磁束向量通用型变频器,停机时采用变频器与外接电阻两级制动,整个系统简单紧凑,运行可靠,达到了很好的节能效果。
 
直驱螺杆泵系统组成与工作原理
 
地面直驱螺杆泵系统作为一种优秀的人工举升方式,在稠油井、携砂采油井上显示出比其它采油方式更加明显的优越性。
 
2.1系统组成
 
地面直驱螺杆泵系统由井底螺杆泵、抽油杆柱、抽油杆扶正器及地面驱动系统等组成。工作时,由地面动力带动油杆柱旋转,连接于抽油杆底端的螺杆泵转子随之一起转动,井液经螺杆泵下部吸入,由上端排出,并从油管流出井口,再通过地面管线输送至计量站。
 
2.2工作原理
 
螺杆泵是靠空腔排油,即转子与定子间形成的一个个互不连通的封闭腔室,当转子转动时,封闭空腔沿轴线方向由吸入端向排出端方向运移。封闭腔在排出端消失,空腔内的原油也就随之由吸入端均匀地挤到排出端。同时,又在吸入端重新形成新的低压空腔将原油吸入。这样,封闭空腔不断地形成、运移和消失,原油便不断地充满、挤压和排出,从而把井中的原油不断地吸入,通过油管举升到井口。

图1 螺杆泵结构图
 
直驱螺杆泵反转特性
 
螺杆泵在失去外力驱动或停机时存在反转问题,造成螺杆泵反转一般有两个原因:一个是在螺杆泵工作时,传动电机的力矩通过近千米的抽油杆传递到泵体上,抽油杆必然产生弹性变形和一个扭转角,进而储存弹性能量,当驱动电机没有驱动力矩时,抽油杆就会带动机械系统反方向扭转;另一个是驱动系统停机时,由于油套管内存在液位差,近千米的油液受到重力作用会从油管内回落,液面的压力也会使螺杆泵转子产生反转。
螺杆泵反转可能会造成杆柱脱扣、光杆甩弯,地面驱动装置零部件损坏,还可能会危害操作人员的安全,因此合理解决直驱螺杆泵的反转问题尤为重要。
 
系统设计
 
台达C2000变频器开环控制永磁同步电机,通过抽油杆直接驱动井下螺杆泵运转,在系统停机时,变频器通过自带PLC可编程功能先行控制螺杆泵反转,让螺杆泵的反向转矩在受控的情况下得到缓慢释放,同时根据永磁电机的发电机特性,在电机转子的各相绕组加上适当的能耗电阻,使螺杆泵系统运行更加可靠。
 
4.1 C2000变频器特点
 
台达C2000高阶磁束向量通用型变频器集驱动(IM/PM)、控制(PLC)、显示(文本)、以及多种协议现场总线技术于一体,内建CANOpen可做主站。具有高性能、易维护、多语言操作等特点。具体来讲,异步及同步电机控制一体化,具有多种控制模式,对电机可实现开闭环控制;启动转矩在0.5HZ时可达150%以上,并支持重载模式;过载能力最大200%转矩电流;内置PLC功能,程序容量10K步;强大的面板编辑功能,相当于文本使用,并且面板参数设定有文字提示,使用简便;模块化设计,控制端子及风扇可拆卸,并支持穿墙式安装;丰富的网络扩展功能,内建CANOpen,可扩展ProfiBUS、DeviceNet、MODBUS TCP、EtherNet-IP现场总线及以太网络卡;50℃运转环境温度,全球安规兼容于CE/UL/CUL。
4.2 永磁同步电机开环调试方法
 
C2000变频器在速度模式下开环带动永磁同步电机运转,变频器在初次与电机使用时,需要学习电机参数,并做功能设置,相关设定步骤如下:将00-02设为9,回归出厂值;依次按照05-33=1 PM马达、05-35电机功率、05-37电机极数、01-00最大频率、01-02额定电压、05-34电机电流、05-36电机转速、05-38电机惯量、01-01额定频率设置参数;将05-00设为13,然后按数字面板的RUN键,此时电机开始自动侦侧,数十秒后,侦测完成,侦测正确后向下继续进行,侦测失败后,请检查第二步内的参数设置是否正确,重新侦测;将00-10=0(速度控制),00-11=6(控制方式),按要求设定01-12,01-13加减速时间;设定10-39(IM与PM马达控制切换点),一般为最大频率的0.2倍,但不要小于5;将11-00设为1(惯量估侧),并设定11-01系统惯量值;

图2 永磁同步电机调试步骤
 
4.3 直驱螺杆泵控制原理
 
直驱螺杆泵抽油机在变频柜门板上进行操作,变频控制柜门板上有启动、停止、故障复位按钮,并有运转指示灯和电位计调整电机转速旋钮(如图3),可以在现场对变频柜进行实时操作。
直驱螺杆泵的工作状态可以分为正转运行状态,变频器制动状态及能耗制动状态。

 

图3 变频控制柜面板
 
4.3.1正转运行状态
直驱螺杆泵在采油阶段时,C2000变频器通过内置PLC功能带动永磁同步电机保持正转运行,通过控制柜上的电位计来调整电机运行转速,变频器RA1与RA2输出变频器运行和故障状态,变频器控制部分接线图如图4(MI1为故障复位输入)。

图4 变频器控制部分接线图
 
C2000变频器在运行前需要通过操作面板开启PLC功能,同时通过Delta WPLSoft软件将控制程序通过RS485接口输入至变频器内。
变频器默认的通讯格式为9600、7、N、2,通讯站号为2(变频器PLC站号),在Delta WPLSoft的通讯设置内需要与其保持一致,电脑方可与变频器正常通讯。正转部分程序如图5。

图5 变频器正转PLC部分程序
 
4.3.2变频器制动状态
当控制系统发出停机命令时,C2000变频器先通过PLC功能来制动螺杆泵反转(采用的方式为转矩检测制动或恒速定时制动方式),以防止抽油杆存储的弹性势能及油管内环空静液柱作用导致抽油杆高速反转而产生严重后果。
通过台达C2000变频器的一级制动方式,螺杆泵的反转扭矩在受控的情况下得到了缓慢释放。
变频器在反转时的相关数据(如运行时间,电流变化值等)可以通过变频器未使用的参数项来输入,例如04-00,04-01项等。
反转部分PLC程序如图6。

图6 变频器反转PLC部分程序
 
4.3.3能耗制动状态
当变频器停止制动输出后,利用变频器的运行状态输出点将变频器与永磁同步电机端动力连线断开,同时让永磁同步电机转子绕组与三相外接耗能电阻接通,开始二级制动(能耗制动原理图如图7)。
采用制动以后的运行过程是:抽油杆由于有储存的反转能量带动电机转子反转,电机角速度逐渐增大,由于永磁电机特性,转子上有永磁磁场,因此会在电机绕组中产生感应电势,感应电势通过耗能电阻形成回路,产生电流,该电流产生与转向相反的制动力矩。电阻越小,制动力矩就越大,转化成的热能也越小,抽油杆停下来的时间也就越长,因此要根据井况不同而选择最优耗能电阻数值。
耗能电阻制动的方式不仅能起到二级制动的效果,还在变频器或控制柜出现故障时,保证螺杆泵能量得到有效的控制释放,使系统控制更加可靠、安全。

图7 能耗制动原理图

 
系统节能
 
采油井在开采过程中,油况可能随时发生变化,而C2000变频器可以通过内置PLC功能自动侦测电机输出情况,通过变频器内部运算合理调整输出频率或转矩,并可根据油厂的采油量指标,由采油工人自行或定时改变输出频率,满足了手动与自动控制的二合一功能,不仅节约了电能,还节省了人力物力,深受用户好评。
 
结束语
 
台达C2000变频器自2011年10月份在国内某知名油田多个地面直驱螺杆泵井口投运以来,运行效果稳定,节能明显,并且操作简便易懂,在客户处取得了良好反响。
由于直驱螺杆泵的简单、高效、经济节能的人工举升方式,其在油田上的应用也会更加广泛。自2007年以来,该知名油田每年都有近2000台的直驱螺杆泵油井投入使用,尽管台达C2000变频器的开环同步功能开放较晚,但其稳定高效的输出功能丝毫不比国外知名品牌变频器逊色,希望本文能对台达C2000变频器在油田地面直驱螺杆泵行业的推广起到一定的积极作用。
 
 
作者简介:
赵成亮,男,出生于1984年7月,毕业于佳木斯大学,自动化专业。现任中达电通东北大区业务支援处应用工程师,从事中达机电产品在黑龙江区域的技术支持和推广工作,有着丰富的业界经验。

 
 
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