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案例頻道 【摘要】地面直驅螺桿泵采油系統以其結構簡單、噪音小、耗能低、投資少、使用方便、維修方便等特點，成為一種有效的機械采油設備。本文以臺達C2000變頻器為控制中心，詳細介紹了變頻器在螺桿泵運行和停止過程中的應用方法，同時結合電氣控制原理，合理解決了直驅螺桿泵的反轉難題，使得系統運行更加可靠穩定。
【關鍵詞】直驅螺桿泵；C2000變頻器；永磁同步電機；耗能電阻；PLC功能
1 前言
目前國內最常用的抽油機種類有游梁式抽油機、塔架式抽油機和螺桿泵式抽油機三種，其中螺桿泵式抽油機近些年發展迅猛，是一種適用于高粘度、高含砂、高氣油比原油開采的機械采油設備，螺桿泵抽油機作為一種簡單、高效、經濟節能的人工舉升方式，在稠油與含砂含水原油的開采中得到了廣泛的應用。
螺桿泵采油系統又分為地面驅動型和井下驅動型，其中地面直驅螺桿泵在井下采用普通螺桿泵，在井口驅動，結構簡單，技術成熟，目前國內各油田的螺桿泵多采用此種驅動方式。地面直驅螺桿泵采用永磁同步電機驅動，配備臺達C2000高階磁束向量通用型變頻器，停機時采用變頻器與外接電阻兩級制動，整個系統簡單緊湊，運行可靠，達到了很好的節能效果。
2 直驅螺桿泵系統組成與工作原理
地面直驅螺桿泵系統作為一種優秀的人工舉升方式，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越性。
2.1系統組成
地面直驅螺桿泵系統由井底螺桿泵、抽油桿柱、抽油桿扶正器及地面驅動系統等組成。工作時，由地面動力帶動油桿柱旋轉，連接于抽油桿底端的螺桿泵轉子隨之一起轉動，井液經螺桿泵下部吸入，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，即轉子與定子間形成的一個個互不連通的封閉腔室，當轉子轉動時，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 螺桿泵結構圖
3 直驅螺桿泵反轉特性
螺桿泵在失去外力驅動或停機時存在反轉問題，造成螺桿泵反轉一般有兩個原因：一個是在螺桿泵工作時，傳動電機的力矩通過近千米的抽油桿傳遞到泵體上，抽油桿必然產生彈性變形和一個扭轉角，進而儲存彈性能量，當驅動電機沒有驅動力矩時，抽油桿就會帶動機械系統反方向扭轉；另一個是驅動系統停機時，由于油套管內存在液位差，近千米的油液受到重力作用會從油管內回落，液面的壓力也會使螺桿泵轉子產生反轉。
螺桿泵反轉可能會造成桿柱脫扣、光桿甩彎，地面驅動裝置零部件損壞，還可能會危害操作人員的安全，因此合理解決直驅螺桿泵的反轉問題尤為重要。
4 系統設計
臺達C2000變頻器開環控制永磁同步電機，通過抽油桿直接驅動井下螺桿泵運轉，在系統停機時，變頻器通過自帶PLC可編程功能先行控制螺桿泵反轉，讓螺桿泵的反向轉矩在受控的情況下得到緩慢釋放，同時根據永磁電機的發電機特性，在電機轉子的各相繞組加上適當的能耗電阻，使螺桿泵系統運行更加可靠。
4.1 C2000變頻器特點
臺達C2000高階磁束向量通用型變頻器集驅動（IM/PM）、控制（PLC）、顯示（文本）、以及多種協議現場總線技術于一體，內建CANOpen可做主站。具有高性能、易維護、多語言操作等特點。具體來講，異步及同步電機控制一體化，具有多種控制模式，對電機可實現開閉環控制；啟動轉矩在0.5HZ時可達150%以上，并支持重載模式；過載能力最大200%轉矩電流；內置PLC功能，程序容量10K步；強大的面板編輯功能，相當于文本使用，并且面板參數設定有文字提示，使用簡便；模塊化設計，控制端子及風扇可拆卸，并支持穿墻式安裝；豐富的網絡擴展功能，內建CANOpen，可擴展ProfiBUS、DeviceNet、MODBUS TCP、EtherNet-IP現場總線及以太網絡卡；50℃運轉環境溫度，全球安規兼容于CE/UL/CUL。
4.2 永磁同步電機開環調試方法
C2000變頻器在速度模式下開環帶動永磁同步電機運轉，變頻器在初次與電機使用時，需要學習電機參數，并做功能設置，相關設定步驟如下：將00-02設為9，回歸出廠值；依次按照05-33=1 PM馬達、05-35電機功率、05-37電機極數、01-00最大頻率、01-02額定電壓、05-34電機電流、05-36電機轉速、05-38電機慣量、01-01額定頻率設置參數；將05-00設為13，然后按數字面板的RUN鍵，此時電機開始自動偵側，數十秒后，偵測完成，偵測正確后向下繼續進行，偵測失敗后，請檢查第二步內的參數設置是否正確，重新偵測；將00-10=0（速度控制），00-11=6（控制方式），按要求設定01-12，01-13加減速時間；設定10-39（IM與PM馬達控制切換點），一般為最大頻率的0.2倍，但不要小于5；將11-00設為1（慣量估側），并設定11-01系統慣量值；
圖2 永磁同步電機調試步驟
4.3 直驅螺桿泵控制原理
直驅螺桿泵抽油機在變頻柜門板上進行操作，變頻控制柜門板上有啟動、停止、故障復位按鈕，并有運轉指示燈和電位計調整電機轉速旋鈕（如圖3），可以在現場對變頻柜進行實時操作。
直驅螺桿泵的工作狀態可以分為正轉運行狀態，變頻器制動狀態及能耗制動狀態。
圖3 變頻控制柜面板
4.3.1正轉運行狀態
直驅螺桿泵在采油階段時，C2000變頻器通過內置PLC功能帶動永磁同步電機保持正轉運行，通過控制柜上的電位計來調整電機運行轉速，變頻器RA1與RA2輸出變頻器運行和故障狀態，變頻器控制部分接線圖如圖4（MI1為故障復位輸入）。
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。
變頻器默認的通訊格式為9600、7、N、2，通訊站號為2（變頻器PLC站號），在Delta WPLSoft的通訊設置內需要與其保持一致，電腦方可與變頻器正常通訊。正轉部分程序如圖5。
圖5 變頻器正轉PLC部分程序
4.3.2變頻器制動狀態
當控制系統發出停機命令時，C2000變頻器先通過PLC功能來制動螺桿泵反轉（采用的方式為轉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環空靜液柱作用導致抽油桿高速反轉而產生嚴重后果。
通過臺達C2000變頻器的一級制動方式，螺桿泵的反轉扭矩在受控的情況下得到了緩慢釋放。
變頻器在反轉時的相關數據（如運行時間，電流變化值等）可以通過變頻器未使用的參數項來輸入，例如04-00，04-01項等。
反轉部分PLC程序如圖6。
圖6 變頻器反轉PLC部分程序
4.3.3能耗制動狀態
當變頻器停止制動輸出后，利用變頻器的運行狀態輸出點將變頻器與永磁同步電機端動力連線斷開，同時讓永磁同步電機轉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能量帶動電機轉子反轉，電機角速度逐漸增大，由于永磁電機特性，轉子上有永磁磁場，因此會在電機繞組中產生感應電勢，感應電勢通過耗能電阻形成回路，產生電流，該電流產生與轉向相反的制動力矩。電阻越小，制動力矩就越大，轉化成的熱能也越小，抽油桿停下來的時間也就越長，因此要根據井況不同而選擇最優耗能電阻數值。
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故障時，保證螺桿泵能量得到有效的控制釋放，使系統控制更加可靠、安全。
圖7 能耗制動原理圖
5 系統節能
采油井在開采過程中，油況可能隨時發生變化，而C2000變頻器可以通過內置PLC功能自動偵測電機輸出情況，通過變頻器內部運算合理調整輸出頻率或轉矩，并可根據油廠的采油量指標，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，不僅節約了電能，還節省了人力物力，深受用戶好評。
6 結束語
臺達C2000變頻器自2011年10月份在國內某知名油田多個地面直驅螺桿泵井口投運以來，運行效果穩定，節能明顯，并且操作簡便易懂，在客戶處取得了良好反響。
由于直驅螺桿泵的簡單、高效、經濟節能的人工舉升方式，其在油田上的應用也會更加廣泛。自2007年以來，該知名油田每年都有近2000臺的直驅螺桿泵油井投入使用，盡管臺達C2000變頻器的開環同步功能開放較晚，但其穩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C2000變頻器在油田地面直驅螺桿泵行業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，畢業于佳木斯大學，自動化專業?，F任中達電通東北大區業務支援處應用工程師，從事中達機電產品在黑龍江區域的技術支持和推廣工作，有著豐富的業界經驗。
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