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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(shè)備，也面臨著巨大的挑戰(zhàn)。生產(chǎn)設(shè)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(shù)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(shè)備，在目前大部分油田中正進行大量的設(shè)備和技術(shù)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(yīng)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(shè)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(zhuǎn)矩負載特性風(fēng)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(zhuǎn)矩速度控制可以極優(yōu)的方式控制螺桿泵的轉(zhuǎn)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(nèi)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(yīng)用到國民經(jīng)濟各工業(yè)領(lǐng)域，特別是在油田采油裝置上已有更廣泛的應(yīng)用。
螺桿泵是按回轉(zhuǎn)嚙合容積式原理工作的轉(zhuǎn)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(nèi)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(nèi)與其嚙合的單頭螺旋螺桿（轉(zhuǎn)子）組成。當(dāng)輸入軸通過萬向節(jié)驅(qū)動轉(zhuǎn)子繞定子中心作行星回轉(zhuǎn)時，定子―轉(zhuǎn)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(zhì)從吸入端經(jīng)定子―轉(zhuǎn)子輸送至壓出端，吸入密閉腔內(nèi)的介質(zhì)流過定子而不被攪動和破壞。內(nèi)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(zhì)懸浮顆粒介質(zhì)或含有纖維介質(zhì)的輸送，有一般泵種所不能勝任的特性。這種泵零件少，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，維修簡單，轉(zhuǎn)子和定子是本泵的易損件，結(jié)構(gòu)簡單，便于裝拆。是應(yīng)用在當(dāng)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(guān)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(zhuǎn)矩速度控制可以極優(yōu)的方式控制螺桿泵的轉(zhuǎn)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(yīng)用
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(nèi)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(nèi)采油企業(yè)中，采油設(shè)備都是按最大的生產(chǎn)能力設(shè)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(zhuǎn)速的方式，讓變頻器運行在高輸出狀態(tài)，頻率提高，相應(yīng)的電機轉(zhuǎn)速提高了，其采油量也相應(yīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速下降了30%，加之采油設(shè)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(zhuǎn)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(diào)節(jié)螺桿泵電機轉(zhuǎn)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(yīng)用，可節(jié)約大量的電能，達到節(jié)約成本。
圖1--- 螺桿泵抽油裝置電機控制電路圖
圖2--- 變頻器控制端子接線圖
如圖所示，系統(tǒng)控制電路設(shè)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。
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(zhuǎn)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(zhuǎn)速，直到降低到一定低值，保證不間斷連續(xù)抽油。根據(jù)調(diào)試經(jīng)驗，變頻器最佳最低值輸出控制為30Hz，因為抽油機轉(zhuǎn)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(fù)雜，長時間抽油可能導(dǎo)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變頻器模擬量輸入2，再把繼電器輸出2的跳閘點設(shè)成40%～60%區(qū)域的值，這樣當(dāng)油層含量很低時，根據(jù)管道上的防抽空閥信號，繼電器輸出2可以依據(jù)設(shè)置一定長度的判斷時間（120秒）來延時輸出，如果防抽空閥信號保持時間超過了這個判斷時間值，則變頻器的繼電器輸出2輸出信號，停止螺桿泵電機以保護抽油裝置，如果是在這個判斷時間長度內(nèi)油量有上來了，則繼電器不輸出，抽油裝置保持正常抽油狀態(tài)繼續(xù)抽油。
在螺桿泵電機啟動時，由于泵管道內(nèi)的流質(zhì)中含量復(fù)雜，具有變轉(zhuǎn)矩負載特性的速度控制的PowerFlex™400變頻器的軟啟/軟停功能可以減少對抽油桿的機械沖擊，對稠油、結(jié)蠟、沙卡等造成的堵轉(zhuǎn)過載等情況都能有效地進行保護停機，以保護電機及機械設(shè)備，減少維修量，防止斷桿，變頻器對過壓、欠壓、過載、短路及電機失速都能可靠地保護，對延長電機的壽命，減少機械設(shè)備的磨損等，都具有很好的作用。
根據(jù)抽油裝置的長期運行特性，控制電路只采用一個停止按鈕控制。而且我們充分利用了變頻器中繼電器輸出及延時功能，既節(jié)省了繼電器、時間繼電器等低壓電器設(shè)備，又節(jié)省了控制柜空間和體積，在大面積應(yīng)用的油田系統(tǒng)中，這一項就能節(jié)省大量的基礎(chǔ)投入資金和備件資金。
PowerFlex™400變頻器在螺桿泵抽油裝置上的應(yīng)用優(yōu)勢也很突出：第一操作簡單，與螺桿泵抽油裝置同步運行，不必進行特殊調(diào)節(jié)；第二可靠性高：保留螺桿泵抽油裝置原有控制方式及電路不變，以備故障時不影響生產(chǎn)；第三軟啟/軟停：減輕機器震動，延長設(shè)備和模具的使用壽命；有效的減小噪音，改善工作環(huán)境；系統(tǒng)發(fā)熱明顯減少，油溫穩(wěn)定；延長密封組件的使用壽命，降低停機維修率，節(jié)省大量的維護費用，同時增加變壓器的裝機容量；第四高回報率：根據(jù)具體工況，所有投資約6～12個月通過電費節(jié)省回收。
四、結(jié)束語
對多數(shù)企業(yè)而言，電費是被企業(yè)控制的最后一項成本，目前企業(yè)都著眼于電費開支的控制，因為用電設(shè)備消耗多少電，是被其機電特性所決定的。作為油田采油環(huán)節(jié)而言，應(yīng)該注重能源的節(jié)約，注重先進節(jié)能機制的采取，先進技術(shù)的應(yīng)用，把能耗降到最低 ，即保護環(huán)境又為企業(yè)創(chuàng)造經(jīng)濟效益。實踐證明，通過應(yīng)用高性能高品質(zhì)的POWERFLEX™400變轉(zhuǎn)矩負載特性的速度控制變頻器技術(shù)及一系列的技術(shù)措施，特別是其可編程的多功能的繼電器輸出功能，可以幫助油田企業(yè)在采油環(huán)節(jié)上減少大量的電能費用。
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