變頻智能控制系統在數字化油田中研究與應用 

The frequency conversion intelligent control system studies and the application in digital carburetion Tanaka

摘要：目前，國內外許多電力拖動場合已將矢量控制的變頻器廣泛應用于通用機械、紡織、印染、造紙、軋鋼、化工、石油等行業中交流電動機的無級調速，已明顯取得節能效果并滿足工藝和自動調速要求。目前油田節能降耗，建造數字化油田已成為中國石油行業的發展目標。采用變頻調速及RTU系統，無線通信系統和上位機分析軟件對油田油井的運行狀態實時監控，對工況進行診斷，遠程自動調整運行狀態。從而降低工人勞動強度。節能降耗，使抽油機運行在最佳理想狀態。本文介紹以保利新能源科技（北京）有限公司的變頻智能控制系統在數字化油田中應用情況

關鍵字：數字化油田，節能，變頻器，智能控制，RTU系統，上位機。

Abstract：At present, the domestic and foreign many electric drive situation has widely applied vector control's frequency changer in general professions and so on machinery, spinning and weaving, printing, papermaking, steel rolling, chemical industry, petroleum motor's stepless speed regulation, has made the energy conservation progress obviously and satisfies the craft and the automatic velocity modulation request. At present the oil field energy conservation falls consumes, the construction digitization oil field has become the Chinese petroleum profession the development targets. Uses the frequency conversion velocity modulation and the RTU system, the wireless communication system and the superior machine analysis software to the oil field oil well's running status real-time monitoring, carries on the diagnosis to the operating mode, long-distance automatic control running status. Thus reduces the worker labor intensity. The energy conservation falls consumes, causes the pumping unit movement at the best perfect condition. This article introduced that guarantees the advantage new energy science and technology (Beijing) Limited company's frequency conversion intelligent control system in the digital carburetion Tanaka application situation

Key words：Digitized oil field ，Energy conservation ，Frequency changer ，Intelligent control ，RTU system ，Superior machine 。

一、 前言
      我國的油田絕大部分為低能、低產油田，不像國外的油田有很強的自噴能力，大部分油田要靠注水來壓油入井，靠抽油機（磕頭機）把油從地層中提升上來。以水換油、以電換油是目前我國油田的現實，電費在我國的石油開采成本中占了相當大的比例，所以，石油行業十分重視節約電能、增產、減少設備維護等。
    目前據統計我國抽油機的保有量在10萬臺以上，電動機裝機總容量在3500MW，年耗電逾百億KW·h。抽油機的運行效率特別低，在我國平均運行效率為25.96％，國外平均水平為30.05％，年節能潛力可達幾十億KW·h。除了抽油機之外，油田還有大量的注水泵、輸油泵、潛油泵等設備，總耗電量超過油田總用電量的80％，。可見，石油行業也是推廣“電機系統節能”的重點行業。
    抽油機節能，其首選方案是采用變頻器對其電機拖動系統進行改造，抽油機改用變頻器拖動后有以下幾個好處：
     1）大大提高了功率因數（提高到0.9以上），大大減小了供電（視在）電流，從而減輕了電網及變壓器的負擔，降低了線損，可省去大量的“增容”開支;
     2）可根據油井的實際供液能力，動態調整抽取速度，一方面達到節能目的，同時還可以增加原油產量;
     3）由于實現了真正的“軟起動”，對電動機、變速箱、抽油機都避免了過大的機械沖擊，大大延長了設備的使用壽命，減少了停產時間，提高了生產效率。
  

  4）提高了自動化水平，通過RTU系統，和上位機系統能對油井進行工況分析和診斷，通過分析的結果自動通過RTU發出指令來改變抽油機的運行狀態，形成閉環控制，

  但是，變頻器用于抽油機電機時，也有幾個問題需要解決。
    （1） 沖擊電流問題
    如圖1所示，游梁式抽油機是一種變形的四連桿機構，其整機結構特點像一架天平，一端是抽油載荷，另一端是平衡配重載荷。對于支架來說，如果抽油載荷和平衡載荷形成的扭矩相等或變化一致，那么用很小的動力就可以使抽油機連續不間斷地工作。也就是說抽油機的節能技術取決于平衡的好壞。在平衡率為100％時電動機提供的動力僅用于提起1/2液柱重量和克服摩擦力等，平衡率越低，則需要電動機提供的動力越大。因為，抽油載荷是每時每刻都在變化的，而平衡配重不可能和抽油載荷作完全一致的變化，才使得游梁式抽油機的節能技術變得十分復雜。因此，可以說游梁式抽油機的節能技術就是平衡技術

（2）電磁干擾（EMI）問題，即變頻器對微電腦控制器，傳感（變送）器及通信設備的干擾問題。因為變頻器是一個很強的電磁干擾源，變頻器中的開關器件，以及產生的SPWM電壓波形，會對控制及通信系統造成很大的干擾。干擾的途徑，除了感應，輻射之外，也包括傳導干擾。

（3）諧波干擾問題，變頻器對輸入側產生諧波對變頻器而言只要有整流回路就將產生非線性引起的諧波，按傅氏級數可分解基波和各次諧波，通常含有6m+1(m=1,2,3,…….)次。在變頻器逆變輸出回路中輸出電壓輸出電流均有諧波。由于變頻器是通過CPU產生6組脈寬可調的SPWM波控制三相6組功率元件導通/關斷，從而形成電壓、頻率可調三相輸出電壓。其輸出電壓和輸出電流是由SPWM波和三角波的交點產生的，不是標準的正弦波用傅氏級數分解電壓方波和電流正弦鋸齒波可分析出包含較強的高次諧波成分。

      因此 變頻器的諧波產生危害不可忽視對容量大的電力系統影響不是十分明顯，但對于電力系統容量小的系統諧波的產生不可忽視。它對公用電網是一種污染，使電設備所處的環境惡化，給周圍的通信系統和公用網以外的設備帶來危害。主要表現在一下幾點：1、諧波使電網中電器元件產生附件的諧波損耗，降低輸變電及用電設備的效率。2、諧波會引起電網中局部串聯或并聯諧振，3、電流諧波將增加變壓器銅損。4、諧波引起電動機附加發熱，導致電動機額外溫升并影響電機絕緣。
   （4）    可靠性和環境適應性問題
    由于抽油機都在環境惡劣的野外工作，并且很多油井是無人值守的，所以，對變頻器及RTU傳輸系統可靠性和環境適應能力提出了很高的要求：既要選用可靠性指標高的變頻器品牌，又要給變頻器在野外惡劣環境下工作創造必要的條件，如設計防護等級高的雙層密閉隔墊（保溫）控制柜，對晝夜溫差大的地區，柜內設計強迫風冷系統，可以將柜內的熱量排出，并在柜底設計有冷空氣入口，使之適合在夏季沙漠高溫環境中使用。并使控制柜避免陽光直接照射及雨淋。

( 5 ) 信號傳輸問題，由于油田地處偏遠地區或山區，油井的不集中等原因使信號較弱對無線傳輸存在很大問題。其次傳輸費用較高，導致實時性不強。

二、變頻智能控制系統

      變頻智能控制系統是保利新能源科技（北京）有限公司依靠自身研發，技術力量為打造人性化，智能化，數字化油田而設計的高科技變頻智能控制系統。變頻智能控制系統代表著當今抽油機節能控制技術和建設數字化油田一項革命性突破，實現了四大突破：突破了原有單一變頻控制和單一RTU傳輸系統，突破了安裝有線傳感器的困擾，突破了RTU和變頻無閉環控制系統，突破了功圖量油產液量不準。使現場安裝簡單，計量準確，診斷分析更優，減少工人勞動強度，盡量使抽油機的工作方式與油井的實際負荷及環境條件相匹配，提高抽油機的充滿度，從而提高電動機的效率與功率因數，和系統效率，達到節能增產的目的。

1、變頻智能控制系統是綜合國內外先進技術，針對抽油機的特殊負載情況專門設計的具有變頻控制，RTU傳輸和上位機分析等高科技產品。
該系統保留了游梁式抽油機諸多優點，結合先進的采油工藝，綜合計算機技術、自動控制技術、電力電子等技術實現抽油機的智能控制：抽油機沖次和上下沖程速比無級調節，優化抽汲參數，達到增產、節能、自控的目標，最終提高抽油系統的系統效率。系統的人機接口界面設計極其簡單，為現場人員的使用及維護帶來極大方便。特別適用工作環境特別惡劣的油井，需要間歇工作的油井，經常斷桿的油井，經常結臘的油井，經常改變井況的油井。
1.1產品設計原理：

圖一：系統框圖

      該系統使用的關鍵設備變頻器符合歐洲CE低壓電器標準，符合國際UL508C電力轉換設備標準，以及符合國際EN50081/2電磁兼容性EMC標準，
且有為抽油機專門設計的功能，內含直流電抗器，輸入電抗器，輸出電抗器，減少了對電網的諧波干擾，提高了電網質量；諧波符合國際標準IEC61000-2-2各次諧波電壓含有的THDV低于8%，內含RFI無線電射頻干擾濾波器，極大改進了抗干擾和抗雷擊功能；內含制動單元，能夠有效地釋放制動能量，形成集成控制，適應抽油機的特殊應用。抽油機變頻監測控制系統是以“以人為本”設計理念使產品更具人性化。能進行遠程狀態監視。根據各種功能模塊和相應的傳感器的檢測，將油井實測的相關數據、參數通過無線網絡傳輸至數控中心進行運算比對，并通過矢量變頻調速技術對抽油機進行動態監測控制，以達到高效節能的自動化、數字化的控制目的。人性化的設計能進行通過HMI(人機交換界面)完成遠程參數設定、  運行數據、狀態顯示、功圖、日產油量等參數。    
1.2． 變頻器單元作為變頻調速技術的實施單元，是整個系統最重要的器件之一，本系統配置的是保利新能源科技（北京）有限公司生產的矢量型PL-900系列高性能變頻器。PL-900系列高性能變頻器是沿續通用變頻器，在 V/F 控制上標準裝備了矢量控制。和力矩控制可實時檢測電機功率及輸出轉矩。變頻器額定電壓380-440V，額定功率范圍5.5-75KW，過載能力為：200%*60秒。
 開關環磁通矢量控制及開，閉環V/F控制可自由選擇。
 適合機械特性負載，針對流體負載和實際工況可酌情降檔使用。
 超低速高啟動轉矩，低速轉矩可達150%額定轉矩（100~300可設定）。
 速度控制范圍可達1:1000(在閉環控制模式下)。
 速度控制精度可達 0.02%，頻率精度可達 0.01%，輸出頻率分辨率可達0.01HZ。
 加速時間可設定0.01秒，動態響應良好，負載適應性極強。
 具有滑差補償，轉矩補償，速度控制（ASR），鍵盤數據復制，自學習。
 PID調節，計時，節能，追逐防止等多種高級功能。
 具有多功能輸入，輸出端子功能，多功能模擬輸入，輸出功能及串行通信接口。
 具有7種參數的在線監視功能。
 具有電機保護，瞬時停電處理及失速防止，頻率檢出，異常復位，過力矩輸出，力矩極限，硬件保護功能及診斷功能，將避免機器可能發生的意外損壞。
 獨特，先進的主回路設計及報警功能，將完全保證整體的高可靠性。
具有中、英、德等七種語言顯示，界面友好。
1.3：智能控制單元是我公司針對油田而專門開發的控制系統用戶可以在線監控線電壓，相電壓，有功功率，功率因數，電流等電參量。對電動機有啟動堵轉、過載、欠壓、過壓、缺相、短路、欠載報警保護功能，及油田各項的地上效率和地下效率指標，和桿柱組合分析等功能。
上位機界面分析系統：

 圖五 變頻控制欄能對抽油機遠程啟停機控制監測輸出頻率和功率

1.4：無線載荷位移模塊用于采集示功圖，位移，沖程，太陽能供電鋰電池。頻率426-441MHZ，低功率發射，高靈敏接受，抗干擾能力強，對油井的油壓，油溫進行無線傳輸，在線監測。
1.5 溫控單元 抽油機控制柜中的電器組件對溫度都有嚴格要求，因此必須檢測和控制控制柜內溫度。本單元主要器件包括溫控儀、風扇，溫度傳感器和加熱系統等。適應范圍廣 -40℃-75℃ 特別適用于沙漠高溫及北部寒冷地區。
1.6 戶外標準柜體，專利設計，雙層保溫設計， 防風沙 ，防護等級高。
2、產品特性：
      針對國內各大油田的實際狀況本產品在設計上處于領先地位的人性化設計具有工頻和變頻，手動和自動等多種工作模式的選擇。遠程給定頻率調節沖次，自動調節運行狀態等功能，極大的減少油田工人勞動強度，提高油田數字化
      本設計在國內大慶油田、吉林油田、克拉瑪依油田已得到廣泛應用效果明顯操作簡單等受到一致好評。
三、應用分析 

安裝前后對比顯示充滿度提高了，沖次降低了，節能顯著，系統效率提高了。
四、結論

1、解決了單一變頻和單一RTU獨立運行模式。實現了RTU和變頻閉環控制系統模式
2、由于智能控制系統中電機軟啟動功能的使用，減少了對地面機械采油設備的機械沖擊。延長了機械設備的使用壽命，降低了采油成本。
3、由于智能自學習控制系統的使用。在國內首次完成了油田采出井的地下到地面的系統變化控制，使整個采出井開采系統效率有了極大的提高。
4、該技術整合了無線通信、智能等多學科的新成果，打造數字化油田，遠程監測抽油機運行電參數。功率圖 ，電流圖，示功圖，油溫，油壓等。實時掌握抽油機運行狀態。及油井靜態數據和動態數據的建立。
5、實驗認為，該技術對低滲透油田提高系統效率，延長檢泵周期，節約電能和降低工人勞動強度都將起到很好作用。
6、完全實現油田數字化。

姓名： 張治中                             
性別：男                                  
學歷：本科                               
單位：保利新能源科技（北京）有限公司
職務：研發工程師
通信地址：北京市昌平區西沙工業區10號
郵編：102209
電話：13611246027
E-mail：zhangzhizhong2528@yahoo.com.cn