變頻驅(qū)動游梁式抽油機自動平衡系統(tǒng)設(shè)計

文/米曉紅

1 傳統(tǒng)變頻驅(qū)動游梁式抽油機平衡調(diào)節(jié)的現(xiàn)狀及問題

游梁式抽油機在采油生產(chǎn)中大量使用，為了節(jié)能采用了變頻驅(qū)動，目前變頻驅(qū)動游梁式抽油機平衡調(diào)節(jié)方法為：

（1）首先把抽油機由變頻驅(qū)動轉(zhuǎn)換至工頻驅(qū)動狀態(tài)。

（2）人工在工頻驅(qū)動狀態(tài)下采集功圖、電流圖數(shù)據(jù)、功率圖數(shù)據(jù)。

（3）人工根據(jù)設(shè)定算法（電流法或功率法）計算平衡度，計算方法為：一個沖程周期中，下沖程中電機的最大工作電流（功率）與上沖程中電機的最大工作電流（功率）的百分比。

（4）人工判斷平衡狀態(tài)：平衡度在設(shè)定的范圍之內(nèi)（80%～110%之間）為平衡狀態(tài)。平衡度小于設(shè)定范圍的最小值（<80%）為欠平衡狀態(tài)。平衡度大于設(shè)定范圍的最大值（>110%）為過平衡狀態(tài)。

（5）根據(jù)計算結(jié)果人工操作平衡電機調(diào)整平衡狀態(tài)。欠平衡時控制平衡電機使平衡塊向外側(cè)調(diào)節(jié)，對應(yīng)增加配重，上行電流變小，下行電流變大，平衡度增加并趨向于100%。過平衡時控制平衡電機使平衡塊向內(nèi)側(cè)調(diào)節(jié)，對應(yīng)減少配重，上行電流變大，下行電流變小，平衡度減少并趨向于100%。

（6）重復(fù)以上2-5過程，直至達到設(shè)定的平衡條件。

（7）將抽油機恢復(fù)至變頻驅(qū)動狀態(tài)。

傳統(tǒng)平衡調(diào)節(jié)方法存在的問題：

（1）平衡調(diào)節(jié)過程為人工手動，調(diào)節(jié)結(jié)果取決于人員的技術(shù)水平和責任心。

（2）不能在變頻狀態(tài)下直接調(diào)節(jié)。

（3）人工測量電機電流（功率）通常使用的儀表均為工頻儀表，在變頻驅(qū)動狀態(tài)下無法使用，導(dǎo)致只能在工頻狀態(tài)下調(diào)節(jié)。

（4）不能實現(xiàn)隨時調(diào)節(jié)，只能人工定期檢查發(fā)現(xiàn)失去平衡后進行調(diào)節(jié)。

2 實現(xiàn)自動平衡調(diào)節(jié)的總體思路

傳統(tǒng)的平衡度測量方法使用儀表較多，用這種方法實現(xiàn)自動化調(diào)節(jié)需要在每口井上配備功圖儀等測量設(shè)備，導(dǎo)致系統(tǒng)過分復(fù)雜且成本很高。為此需要采用更簡單的平衡判斷方法。

圖1

圖2

變頻器在運行過程中，當被驅(qū)動電機處于電動狀態(tài)時能量由變頻器“流”向電機，當驅(qū)動電機處于發(fā)電狀態(tài)時能量由電機“流”向變頻器并給變頻器的儲能電容充電。當抽油機出現(xiàn)不平衡狀態(tài)的時候會使電機處于發(fā)電狀態(tài)，因此，只要判斷出電機出現(xiàn)發(fā)電狀態(tài)時抽油機是運行在上行程還是下行程中就可以判定抽油機是處于欠平衡狀態(tài)還是處于過平衡狀態(tài)，根據(jù)抽油機是欠或過平衡狀態(tài)來控制平衡調(diào)節(jié)電機帶動平衡塊向著不同的方向（趨于平衡的方向）移動，最終實現(xiàn)自動平衡調(diào)節(jié)。

3 具體實現(xiàn)方法

3.1 硬件處理

在抽油機驅(qū)動電機的變頻器中加裝一個直流電流傳感器，該直流電流傳感器加裝在變頻器的IGBT模塊和儲能電容之間，用于判斷電流的流向。圖1所示為直流電流傳感器在變頻器中的安裝位置。電流I的方向為抽油機驅(qū)動電機電動工作狀態(tài)的電流方向。反方向則為驅(qū)動電機發(fā)電工作狀態(tài)的電流方向。當驅(qū)動電機出現(xiàn)發(fā)電狀態(tài)時說明抽油機出現(xiàn)了不平衡狀態(tài)。

電流由儲能電容流向IGBT模塊，則驅(qū)動電機處于電動狀態(tài)；電流由IGBT模塊流向儲能電容，則驅(qū)動電機處于發(fā)電狀態(tài)。當驅(qū)動電機發(fā)電狀態(tài)出現(xiàn)在抽油機的上行程中，則控制平衡電機驅(qū)動平衡塊向抽油機內(nèi)側(cè)移動；當電機發(fā)電狀態(tài)出現(xiàn)在抽油機的下行程中，則控制平衡電機驅(qū)動平衡塊向抽油機外側(cè)移動。在抽油機的一個沖次內(nèi)，出現(xiàn)一次驅(qū)動電機發(fā)電狀態(tài)則控制平衡電機移動平衡塊一次，直到驅(qū)動電機不再出現(xiàn)發(fā)電狀態(tài)為止。

抽油機上止點開關(guān)是安裝在抽油機上感受抽油機運動到最高點的開關(guān)；抽油機下止點開關(guān)是安裝在抽油機上感受抽油機運動到最低點的開關(guān)。這兩個開關(guān)用于判斷抽油機工作在上行程還是工作在下行程。

3.2 軟件處理

圖2所示為驅(qū)動電機工作狀態(tài)的判斷方法和平衡電機的控制方法。

3.3 注意事項

直流電流傳感器一般選用霍耳電流傳感器，量程應(yīng)大于1.5×電機功率÷變頻器母線電壓。

平衡調(diào)節(jié)電機的點動時間根據(jù)平衡電機的轉(zhuǎn)速和傳動比決定，只要使平衡塊每次點動的位移量合適即可。

4 總結(jié)

本方法適合所有通用變頻器驅(qū)動的游梁式抽油機，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、使用方便、維護簡單、成本低廉。使用中井況出現(xiàn)變化時，一旦出現(xiàn)不平衡狀態(tài)就可適時進行調(diào)節(jié)，和目前人工平衡調(diào)節(jié)相比更加及時，且抽油機不會出現(xiàn)嚴重的不平衡狀態(tài)。實現(xiàn)了平衡度實時調(diào)節(jié)，大大減輕了工人的勞動強度，實現(xiàn)了油井無人值守功能。