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劉奉海 徐俊恭（哈爾濱艾韋自動化控制有限公司 150090）
摘要：本文描述了目前廣泛使用的螺桿泵抽油裝置的現狀，結合在螺桿泵抽油裝置上的變頻器應用，介紹了美國AB公司的PowerFlex™400交流變頻器的性能，以及在螺桿泵抽油機裝置的工作原理與變頻節能改造的必要性及可行性。
關鍵詞：機械采油、螺桿泵、變頻器、節能。
一、引言
近幾年我國的油田開采取得了飛速的發展，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備，也面臨著巨大的挑戰。生產設備的生產能力基本處于中低的工業自動化程度，主要原因是技術條件的限制。采油系統的螺桿泵抽油機裝置，是采油企業中主要的一種常見新型用電設備，在目前大部分油田中正進行大量的設備和技術推廣，而且目前涉及節能改造的單位很多，螺桿泵抽油機裝置應用變頻器進行節能優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矩負載特性風機和泵的速度控制是一款經濟而且實用的變頻器。它的變轉矩速度控制可以極優的方式控制螺桿泵的轉速，保證螺桿泵抽油機工作在合適的運行狀態，達到了節能的目的。節能作為企業增效降耗、降低經營成本、提高競爭力的重要手段，已經顯得特別有意義。
二、螺桿泵抽油機裝置介紹
螺桿泵問世于上世紀30年代，是由法國工程師發明的，在國內也有稱其為曲桿泵的。由于單螺桿泵固有的優點，現被廣泛地應用到國民經濟各工業領域，特別是在油田采油裝置上已有更廣泛的應用。
螺桿泵是按回轉嚙合容積式原理工作的轉子式容積泵，它是依靠螺桿與襯套相互嚙合在吸入腔和排出腔產生容積變化來輸送液體的。它是一種內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）和在定子腔內與其嚙合的單頭螺旋螺桿（轉子）組成。當輸入軸通過萬向節驅動轉子繞定子中心作行星回轉時，定子—轉子就連續地嚙合形成密封腔作勻速軸向運動，把輸送介質從吸入端經定子—轉子輸送至壓出端，吸入密閉腔內的介質流過定子而不被攪動和破壞。內部流速代低，容積保持不變。壓力穩定，因而不會產品渦流和攪動。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懸浮顆粒介質或含有纖維介質的輸送，有一般泵種所不能勝任的特性。這種泵零件少，結構緊湊，體積小，維修簡單，轉子和定子是本泵的易損件，結構簡單，便于裝拆。是應用在當前油田采油系統的先進的采油泵。
對于采油企業來說，電耗是其生產成本的主要部分，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能的關鍵。我公司在大慶油田公司的采油系統中使用美國AB公司的PowerFlex™400交流變頻器的變轉矩速度控制可以極優的方式控制螺桿泵的轉速，保證螺桿泵工作在合適的運行狀態，保證連續抽油，并達到了節能的目的。
三、PowerFlex™400變頻器在螺桿泵抽油裝置上的應用
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。目前國內采油企業中，采油設備都是按最大的生產能力設計，但是在生產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，提高轉速的方式，讓變頻器運行在高輸出狀態，頻率提高，相應的電機轉速提高了，其采油量也相應提高，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，這樣電機轉速下降了30%，加之采油設備一般負荷較輕，節電率可達25%左右，而且提高了功率因數，減少了無功損耗。相比較抽油泵電機的轉速保持工頻運行，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中會出現大馬拉小車的現象。因此可以避免造成大量電能浪費。
采用變頻器調節螺桿泵電機轉速，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量非常大，變頻控制螺桿泵抽油裝置大量應用，可節約大量的電能，達到節約成本。
如圖所示，系統控制電路設計采用手動、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。變頻器運行根據外部啟動源和模擬量源來控制起停和運行狀態，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速，直到降低到一定低值，保證不間斷連續抽油。根據調試經驗，變頻器最佳最低值輸出控制為30Hz，因為抽油機轉速更低時泵效會降低，節能效果不明顯。
油礦的油層含量比較復雜，長時間抽油可能導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的跳閘點設成40%～60%區域的值，這樣當油層含量很低時，根據管道上的防抽空閥信號，繼電器輸出2可以依據設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繼續抽油。
在螺桿泵電機啟動時，由于泵管道內的流質中含量復雜，具有變轉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、結蠟、沙卡等造成的堵轉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，減少機械設備的磨損等，都具有很好的作用。
根據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，既節省了繼電器、時間繼電器等低壓電器設備，又節省了控制柜空間和體積，在大面積應用的油田系統中，這一項就能節省大量的基礎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用優勢也很突出：第一操作簡單，與螺桿泵抽油裝置同步運行，不必進行特殊調節；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；第三軟啟/軟停：減輕機器震動，延長設備和模具的使用壽命；有效的減小噪音，改善工作環境；系統發熱明顯減少，油溫穩定；延長密封組件的使用壽命，降低停機維修率，節省大量的維護費用，同時增加變壓器的裝機容量；第四高回報率：根據具體工況，所有投資約6～12個月通過電費節省回收。
四、結束語
對多數企業而言，電費是被企業控制的最后一項成本，目前企業都著眼于電費開支的控制，因為用電設備消耗多少電，是被其機電特性所決定的。作為油田采油環節而言，應該注重能源的節約，注重先進節能機制的采取，先進技術的應用，把能耗降到最低，即保護環境又為企業創造經濟效益。實踐證明，通過應用高性能高品質的POWERFLEX™400變轉矩負載特性的速度控制變頻器技術及一系列的技術措施，特別是其可編程的多功能的繼電器輸出功能，可以幫助油田企業在采油環節上減少大量的電能費用。
作者簡介：劉奉海，哈爾濱艾韋自動化總經理，Rockwell Automation 授權黑龍江分銷商。
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