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游梁式抽油机多模式控制系统设计与开发
任旭虎, 苏建楠, 李旭, 李德文, 孙晓, 艾洁     
中国石油大学(华东)信息与控制工程学院
摘要: 为应对抽油机生产过程中复杂多变的工况,设计开发了游梁式抽油机多模式控制系统。该系统通过获取抽油机的电参数与位置信息,利用变频技术实现抽油机的恒速、上快下慢、上慢下快和功率随动等多种运行模式。结合开发的上位机软件能够实现抽油机状态信息的实时显示与存储。现场试验结果表明:多模式控制系统能够有效消除抽油机启动过程中带来的电流冲击,试验中的一口井在功率随动模式下运行,综合节电率达到10.4%。通过变更油井运行模式,多模式控制系统能够实现抽油机在多种复杂工况下高效、稳定、经济运行,具有较高的应用价值。
关键词: 游梁式抽油机     多模式     控制系统     柔性启动     DSP    
Design and Development of Multi-mode Control System for Beam Pumping Unit
Ren Xuhu, Su Jiannan, Li Xu, Li Dewen, Sun Xiao, Ai Jie     
College of Information and Control Engineering, China University of Petroleum(Huadong)
Abstract: In order to deal with the complicated and variable working conditions in the production process of the pumping unit, a multi-mode control system of the beam pumping unit is designed. By obtaining the electrical parameters and position information of the pumping unit, the developed system realizes multiple pumping unit operation modes like the constant speed mode, different speed between upper stroke and lower stroke mode and power servo mode by the frequency conversion technology. Combined with the development of the host computer software, real-time display and storage of the status information of pumping unit has been achieved. The field test showed that the multi-mode control system can effectively eliminate the current shock caused by the start of the pumping unit. A test well operated under the power servo mode has achieved the comprehensive energy saving rate of 10.4%. By changing the operation mode of oil well, the multi-mode control system can realize efficient, stable and economical operation of the pumping unit under several complicated working conditions, presenting high application value.
Key words: beam pumping unit    multi-mode    control system    soft start    DSP    

0 引言

有杆抽油是油田主要的机械采油方式,其中游梁式抽油机以其结构简单、操作方便和可靠性高等优点在石油工业中得到广泛使用[1]。随着油田开发的深入,油井工况日渐复杂化,在开采稠油、高凝油,特别是高含水油田时,使用传统的游梁式抽油机控制技术已无法实现经济有效的开采[2-4]

针对油田复杂多变的工况,笔者利用成熟的传感检测和变速驱动技术,设计开发了游梁式抽油机多模式控制系统。通过对游梁式抽油机进行电气控制系统改造,实现游梁式抽油机的多种模式运行,使其能够满足油田多种工况下的实际生产需求。这样油田能够最大限度地利用当前条件,无需进行电动机和胶带等部件的更换,从而大大降低开采成本。

1 系统总体方案

游梁式抽油机多模式控制系统主要由信息采集单元、核心控制模块、变频器控制模块和人机交互模块等部分构成。系统总体设计框图如图 1所示。

图 1 多模式控制系统总体设计方案框图 Fig.1 Block diagram of the overall design of the multi-mode control system

多模式控制系统通过电参数测量模块和倾角传感器实时监测游梁式抽油机的运行参数。DSP核心控制模块融合实时数据后根据相应运行模式的控制算法控制变频器输出,进而控制抽油机的运行转速,实现抽油机不同模式的运行。控制系统在现场通过触摸屏实现人机交互功能,可通过触摸屏选择抽油机运行模式并设置控制参数。另外,控制系统可通过网络将抽油机运行参数传输到PC端监控软件,并且能够从监控软件接收控制命令以实现对抽油机的远程监测与控制。

2 游梁倾角与悬点运动特性

游梁式抽油机的工作原理是由动力设备经减速器拖动曲柄转动,并通过连杆带动游梁做上、下摆动,进而转换为悬点的上、下往复运动[4-5]。因此,游梁的角度变化能够直接反映悬点的运动特性[6-7],其几何分析示意图如图 2所示。

图 2 游梁式抽油机几何分析示意图 Fig.2 Geometric analysis diagram of beam pumping unit

图 2中:R为曲柄半径,p为连杆长度,k为基杆长度,c为游梁后臂长度,a为游梁前臂长度,α为连杆与基杆夹角,φ为游梁与基杆夹角,λ为极位夹角,S为悬点位移。

游梁式抽油机的曲柄旋转过程中有2次与连杆共线,这时抽油机游梁与基杆夹角也分别处于最小值和最大值,即悬点处于上死点和下死点。曲柄2次共线时形成的夹角称为极位夹角,其表达式为:

(1)

极位夹角表征游梁式抽油机的急回特性,即抽油机上冲程过程曲柄转角为180°+λ,而下冲程曲柄转角为180°-λ。正常运行时抽油机曲柄为恒速转动,则极位夹角的存在使抽油机具有慢提快放的特性,即抽油机上慢下快运行。但由于极位夹角由抽油机的机械结构决定,所以抽油机运行中上、下冲程的速度比一定,无法进行调节。

抽油机悬点分别在上死点与下死点时游梁与基杆的夹角达到最小值和最大值,分别为φminφmax。令θ=φmax-φ,根据抽油机的几何关系可得到抽油机的悬点位移:

(2)

当悬点处于上死点时,悬点位移达到最大Smax,即为抽油机冲程。并且抽油机悬点的速度vA和加速度aA也可以通过游梁倾角计算得到:

(3)
(4)

因此通过对游梁倾角的定时采样,即可得到抽油机悬点的运动特性。

3 系统硬件及软件设计 3.1 硬件设计

游梁式抽油机多模式控制系统电参数测量模块和倾角传感器分别采用山东力创公司的EDA9033和迈科传感公司的单轴数字型传感器LVT416。触摸屏采用北京迪文科技开发的DGUS屏,可以帮助用户快速实现全图形触摸屏人机界面的开发,与显示器集成一体,具有人机交互性佳、操作方便和使用灵活等特点。

3.1.1 DSP核心控制模块设计

DSP较其他MCU芯片在电力系统检测与控制方面的优点在于它集成了高速的运算处理单元,并且具有丰富的外设资源。系统采用工作频率高达150 MHz的浮点型数字信号处理器TMS320F28335作为核心处理器,该型号DSP是TI公司的一款采用高速静态COMS技术,具有计算精度高、功耗小、响应速度快、成本低、集成数据及程序存储空间大等优点。

DSP核心控制模块包含DSP处理器、复位电路、外扩存储器和JTAG下载接口等电路。DSP核心处理电路原理图如图 3所示。

图 3 DSP核心处理器电路原理图 Fig.3 Schematic diagram of DSP core processor circuit

3.1.2 变频器控制模块设计

变频器控制模块的主要作用是:将经过DSP不同模式算法计算后输出的数字信号转换为与变频器控制接口相对应范围的模拟电压信号。系统设计采用TI公司的具有16位串行数据转换能力的DAC8811模数转换器,以实现控制信号的转换功能。

为保证系统的通用性,兼容更多的变频器型号,设计变频器控制信号的输出电压范围为-10~+10 V。系统运行过程中,DSP处理器通过输出0~65 535范围数据来调整控制模块的输出电压,进而调整抽油机电动机的运行速度。变频器输出控制模块电路原理图如图 4所示。DSP通过SPI与D/A转换芯片进行数据传输,经过2个运放的调理电路转换为模拟电压信号。同时为了防止变频器的高频信号对控制电路造成干扰或强电压烧毁电路,系统选用隔离芯片ISO124对控制模块与变频器进行隔离操作,芯片两侧采用隔离电源分别供电。控制模块隔离电路原理图如图 5所示。

图 4 变频器控制模块电路原理图 Fig.4 Schematic diagram of the inverter control module circuit

图 5 控制模块隔离电路原理图 Fig.5 Schematic diagram of the control module isolation circuit

3.2 软件设计

游梁式抽油机多模式控制系统软件设计主要包括下位机DSP程序设计、触摸屏人机交互设计和监控软件设计3部分,软件功能框图如图 6所示。

图 6 系统软件功能框图 Fig.6 The system software functional block diagram

3.2.1 下位机软件设计

下位机软件主要完成抽油机实时参数的采集和计算,然后根据相应的模式控制算法得出控制输出量,同时要将当前的抽油机状态参数传送到触摸屏和监控软件。在运行过程中,DSP还要接收来自触摸屏或监控软件的控制命令,进行模式切换或控制参数更改等操作。下位机DSP控制器是游梁式抽油机的在线直接控制机构,其稳定性关系到抽油机整体运行的可靠性,所以下位机程序包含自检程序,其作用是定时检测抽油机运行中存在的故障,并进行相应异常处理操作。下位机程序运行流程图如图 7所示。

图 7 下位机软件流程图 Fig.7 Software flow chart of the lower machine

下位机软件中集成以下几种模式:①恒速运行模式。控制系统可控制抽油机在任意的固定频率下运行,即电动机仍保持匀速转动。②上慢下快模式。游梁式抽油机由于本身的急回特性,运行过程中即为上慢下快,但其速度比由抽油机的机械结构决定,不能更改。控制系统在该模式下能够设置上、下冲程的速度比,并在上、下冲程按相应的固定频率输出,实现抽油机上冲程慢、下冲程快。③上快下慢模式。对于稠油井,其理想运行方式为上快下慢,即在合理的运行冲次下减慢下冲程的运行速度,使抽油杆与驴头的下降速度保持同步[8],防止出现由于稠油黏度大抽油杆回落慢造成与驴头的“打架”现象。该模式下也可根据现场实际需要调整合理的上、下冲程速度比。④功率随动模式。功率随动模式针对游梁式抽油机载荷波动剧烈和效率低下提出的一种伺服控制方法。该模式下控制系统通过实时检测抽油机运行状态,通过与合理的目标功率进行比较,实时调整电动机转速,使电动机输出功率保持相对平稳状态,以提高抽油机的剧烈波动负载下的电动机效率,同时还能减弱抽油机运行中的机械冲击,以延长设备的使用寿命[9-10]

3.2.2 触摸屏人机交互设计

触摸屏主要负责控制系统现场的人机交互。系统根据现场使用情况即操作者使用习惯,确定了人机交互的结构层次和动态行为过程。触摸屏人机交互界面如图 8所示。

图 8 触摸屏人机交互界面 Fig.8 Human-computer interaction interface of touch screen

3.2.3 监控软件设计

监控软件起到抽油机运行状态监视与控制的作用,系统采用Microsoft Visual Studio软件来进行开发设计。软件通过Socket技术与多线程技术实现数据通信,每口油井对应一个通信线程,实现与控制系统的信息交互,设计采用基于TCP/IP的C/S模式通信,监控软件作为服务器,DSP控制模块作为客户端。软件采用ADO数据访问技术实现对SQL SEVER 2008数据库的管理,实现对油井数据的存储和导出。

4 系统测试

首先在实验室中对游梁式抽油机多模式控制系统进行输入输出标定测试,测试结果达到了较高的精度,能够满足控制系统的控制需求。系统选用胜利油田2口正常生产的油井进行现场测试。油井参数如表 1所示。下面在保持抽油机运行冲次不变的情况下对控制系统的不同运行模式进行测试。

表 1 抽油机油井参数 Table 1 The parameters of oil well using pumping unit
井号 冲次/min-1 冲程/m 产液量/
(t·d-1)
电机额定
功率/kW
动液面/m
1 2.7 3 14.06 30 1 274
2 2.5 3 22.59 22 730

4.1 软启动

系统安装完成后,首先对油井1进行软启动测试。抽油机启动过程对比如图 9所示。从图可以看出,工频启动电流峰值达到120 A,软启动电流峰值仅为12 A,软启动完全消除了抽油机启动带来的电流冲击。

图 9 抽油机启动过程对比图 Fig.9 Comparison of the start-up process of the pumping unit

4.2 多模式运行测试

对2口井进行多模式运行测试。首先对油井1进行试验。结果如图 10表 2所示。由图和表可知,在基本不改变抽油机冲次的情况下,上快下慢模式因上冲程有加速的动作,导致功率急剧攀升,最大功率达到12.36 kW,其平均功率与工频模式下基本一致。相较于工频运行和上快下慢模式运行,功率随动模式能够明显减小抽油机电动机的能量波动,降低了抽油机运行过程中的功率峰值,减小了对机械系统的冲击,也有助于减小抽油机电动机的装机容量。同时功率随动模式运行下,抽油机平均功率降低明显,综合节电率达到10.4%。因此油井1适合在功率随动模式下运行。

图 10 多模式运行下功率对比图 Fig.10 The power comparison chart under multi-mode operation

表 2 油井1运行效果对比 Table 2 Comparison of operating effect of Oil Well 1
模式 冲次/min-1 平均功率/kW 最大功率/kW 最大载荷/kN 最小载荷/kN 变频器频率(上冲/下冲)/Hz 节电率/%
恒速运行 2.70 4.51 10.80 62.43 34.99 30.6/30.6
上快下慢 2.68 4.49 12.36 63.04 35.51 37.1/25.5 0.44
功率随动 2.73 4.04 7.70 63.90 34.07 实时变化 10.4

油井2的试验结果如表 3所示。从表可以看出,此抽油机运行于功率随动模式和上快下慢模式时平均功率最小,运行于上快下慢模式时,产液量有所提升。综合考虑,此油井运行于上快下慢模式经济效益较佳。

表 3 油井2运行效果对比 Table 3 Comparison of operating effect of Oil Well 2
模式 冲次/min-1 平均功率/
kW
产液量/
(t·d-1)
节电率/%
恒速运行 2.50 8.98 22.59
上慢下快 2.50 8.45 22.57 5.9
上快下慢 2.48 7.87 22.87 12.3
功率随动 2.46 7.22 22.60 19.5

5 结论

(1) 结合油田的生产实际情况,通过分析抽油机游梁倾角与悬点运动特性,设计了一套基于倾角传感器的游梁式抽油机多模式控制系统。

(2) 多模式控制系统设计包括硬件设计和软件设计。结合人机交互界面,系统能够实现抽油机在多种复杂工况下高效、稳定、经济运行。

(3) 控制系统在胜利油田进行了现场测试,其中油井1在功率随动模式运行下,抽油机平均功率降低明显,综合节电率达到10.4%。

参考文献
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任旭虎, 苏建楠, 李旭, 李德文, 孙晓, 艾洁
Ren Xuhu, Su Jiannan, Li Xu, Li Dewen, Sun Xiao, Ai Jie
游梁式抽油机多模式控制系统设计与开发
Design and Development of Multi-mode Control System for Beam Pumping Unit
石油机械, 2018, 46(1): 72-77
China Petroleum Machinery, 2018, 46(1): 72-77.
http://dx.doi.org/10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2018.01.014

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收稿日期: 2017-07-31

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