PowerFlex™400变频器在螺杆泵抽油装置上的控制应用
刘奉海 徐俊恭（哈尔滨艾韦自动化控制有限公司 150090）
摘要：本文描述了目前广泛使用的螺杆泵抽油装置的现状，结合在螺杆泵抽油装置上的变频器应用，介绍了美国AB公司的PowerFlex™400交流变频器的性能，以及在螺杆泵抽油机装置的工作原理与变频节能改造的必要性及可行性。
关键词：机械采油、螺杆泵、变频器、节能。
一、引言
近几年我国的油田开采取得了飞速的发展，在能源日益紧张的今天面临着前所未有的巨大机遇，但相对于世界先进的设备，也面临着巨大的挑战。生产设备的生产能力基本处于中低的工业自动化程度，主要原因是技术条件的限制。采油系统的螺杆泵抽油机装置，是采油企业中主要的一种常见新型用电设备，在目前大部分油田中正进行大量的设备和技术推广，而且目前涉及节能改造的单位很多，螺杆泵抽油机装置应用变频器进行节能优化运行控制效果非常显著，所以推广价值非常大。目前为止，已有大量的抽油装置使用螺杆泵抽油，并使用变频器控制，提高了设备的运行效率，控制了能源的浪费。
美国AB公司的PowerFlex™400交流变频器对于在变转矩负载特性风机和泵的速度控制是一款经济而且实用的变频器。它的变转矩速度控制可以极优的方式控制螺杆泵的转速，保证螺杆泵抽油机工作在合适的运行状态，达到了节能的目的。节能作为企业增效降耗、降低经营成本、提高竞争力的重要手段，已经显得特别有意义。
二、螺杆泵抽油机装置介绍
螺杆泵问世于上世纪30年代，是由法国工程师发明的，在国内也有称其为曲杆泵的。由于单螺杆泵固有的优点，现被广泛地应用到国民经济各工业领域，特别是在油田采油装置上已有更广泛的应用。
螺杆泵是按回转啮合容积式原理工作的转子式容积泵，它是依靠螺杆与衬套相互啮合在吸入腔和排出腔产生容积变化来输送液体的。它是一种内啮合的密闭式螺杆泵，主要工作部件由具有双头螺旋空腔的衬套（定子）和在定子腔内与其啮合的单头螺旋螺杆（转子）组成。当输入轴通过万向节驱动转子绕定子中心作行星回转时，定子—转子就连续地啮合形成密封腔作匀速轴向运动，把输送介质从吸入端经定子—转子输送至压出端，吸入密闭腔内的介质流过定子而不被搅动和破坏。内部流速代低，容积保持不变。压力稳定，因而不会产品涡流和搅动。每级泵的输出压力为0.6Mpa，扬程60m以上，自吸高度一般在3m以上。
因定子选用多种弹性材料制成，所以这种泵对高粘度流体的输送和含有硬质悬浮颗粒介质或含有纤维介质的输送，有一般泵种所不能胜任的特性。这种泵零件少，结构紧凑，体积小，维修简单，转子和定子是本泵的易损件，结构简单，便于装拆。是应用在当前油田采油系统的先进的采油泵。
对于采油企业来说，电耗是其生产成本的主要部分，电能消耗部分中，螺杆泵的用电量占整个螺杆泵抽油装置用电量的绝大部分，所以降低其耗电量是螺杆泵抽油装置节能的关键。我公司在大庆油田公司的采油系统中使用美国AB公司的PowerFlex™400交流变频器的变转矩速度控制可以极优的方式控制螺杆泵的转速，保证螺杆泵工作在合适的运行状态，保证连续抽油，并达到了节能的目的。
三、PowerFlex™400变频器在螺杆泵抽油装置上的应用
螺杆泵抽油装置正常情况下运行的螺杆泵抽油装置动作内部的过程对机器的冲击很大，影响抽油装置的寿命很大，并且浪费电能。目前国内采油企业中，采油设备都是按最大的生产能力设计，但是在生产的绝大部分过程中往往用不了那么大的功率。
在前期油井中，由于刚开采，储油量大，提高转速的方式，让变频器运行在高输出状态，频率提高，相应的电机转速提高了，其采油量也相应提高，其综合采油率可比工频情况下更高更好，工效提高有显著提高。
在中、后期油井中，由于井储量减少，电机若仍工频运行，势必浪费电能造成不必要的损耗，因而我们采用降低转速的方式，减少冲程，一般将变频器的频率运行至30~40Hz之间，这样电机转速下降了30%，加之采油设备一般负荷较轻，节电率可达25%左右，而且提高了功率因数，减少了无功损耗。相比较抽油泵电机的转速保持工频运行，所输出功率几乎不变的情况，变频控制方式可以避免采油生产中会出现大马拉小车的现象。因此可以避免造成大量电能浪费。
采用变频器调节螺杆泵电机转速，可以提高采油效率，减少机械故障，延长机器使用寿命，高效运行。同时油田中采油机的数量非常大，变频控制螺杆泵抽油装置大量应用，可节约大量的电能，达到节约成本。
图1--- 螺杆泵抽油装置电机控制电路图
图2--- 变频器控制端子接线图
如图所示，系统控制电路设计采用手动、自动两种运行方式，方便电器、电路的检修。自动控制电路部分，把PowerFlex™400变频器的继电器输出1编程为“电动机运行”，把继电器输出的常开节点置于自动控制电路中来控制电动机运行。变频器运行根据外部启动源和模拟量源来控制起停和运行状态，对螺杆泵做到更全面的保护。
螺杆泵电机主要是由变频器根据螺杆泵原油管道的流量来控制其运行。螺杆泵油出口管道上安装带模拟量输出的流量阀，变频器把该模拟量作为输出的反馈信号来控制变频器的输出。流量反馈高值时说明井下可抽油量充足，变频器提升螺杆泵转速以增大抽油能力，流量反馈值低时说明井下油量很少，变频器降低螺杆泵转速，直到降低到一定低值，保证不间断连续抽油。根据调试经验，变频器最佳最低值输出控制为30Hz，因为抽油机转速更低时泵效会降低，节能效果不明显。
油矿的油层含量比较复杂，长时间抽油可能导致局部抽空而损坏抽油装置，PowerFlex™400变频器的继电器输出的延时功能可以完全保护螺杆泵抽油装置。我们还是对变频器的继电器输出进行变成，把继电器输出2的输出条件选定为模拟量输入2超限，如图2所示，将防抽空阀信号接进变频器模拟量输入2，再把继电器输出2的跳闸点设成40%～60%区域的值，这样当油层含量很低时，根据管道上的防抽空阀信号，继电器输出2可以依据设置一定长度的判断时间（120秒）来延时输出，如果防抽空阀信号保持时间超过了这个判断时间值，则变频器的继电器输出2输出信号，停止螺杆泵电机以保护抽油装置，如果是在这个判断时间长度内油量有上来了，则继电器不输出，抽油装置保持正常抽油状态继续抽油。
在螺杆泵电机启动时，由于泵管道内的流质中含量复杂，具有变转矩负载特性的速度控制的PowerFlex™400变频器的软启/软停功能可以减少对抽油杆的机械冲击，对稠油、结蜡、沙卡等造成的堵转过载等情况都能有效地进行保护停机，以保护电机及机械设备，减少维修量，防止断杆，变频器对过压、欠压、过载、短路及电机失速都能可靠地保护，对延长电机的寿命，减少机械设备的磨损等，都具有很好的作用。
根据抽油装置的长期运行特性，控制电路只采用一个停止按钮控制。而且我们充分利用了变频器中继电器输出及延时功能，既节省了继电器、时间继电器等低压电器设备，又节省了控制柜空间和体积，在大面积应用的油田系统中，这一项就能节省大量的基础投入资金和备件资金。
PowerFlex™400变频器在螺杆泵抽油装置上的应用优势也很突出：第一操作简单，与螺杆泵抽油装置同步运行，不必进行特殊调节；第二可靠性高：保留螺杆泵抽油装置原有控制方式及电路不变，以备故障时不影响生产；第三软启/软停：减轻机器震动，延长设备和模具的使用寿命；有效的减小噪音，改善工作环境；系统发热明显减少，油温稳定；延长密封组件的使用寿命，降低停机维修率，节省大量的维护费用，同时增加变压器的装机容量；第四高回报率：根据具体工况，所有投资约6～12个月通过电费节省回收。
四、结束语
对多数企业而言，电费是被企业控制的最后一项成本，目前企业都着眼于电费开支的控制，因为用电设备消耗多少电，是被其机电特性所决定的。作为油田采油环节而言，应该注重能源的节约，注重先进节能机制的采取，先进技术的应用，把能耗降到最低，即保护环境又为企业创造经济效益。实践证明，通过应用高性能高品质的POWERFLEX™400变转矩负载特性的速度控制变频器技术及一系列的技术措施，特别是其可编程的多功能的继电器输出功能，可以帮助油田企业在采油环节上减少大量的电能费用。
作者简介：刘奉海，哈尔滨艾韦自动化总经理，Rockwell Automation 授权黑龙江分销商。
