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1 前言
目前國內最常用的抽油機種類有游梁式抽油機、塔架式抽油機和螺桿泵式抽油機三種，其中螺桿泵式抽油機近些年發(fā)展迅猛，是一種適用于高粘度、高含砂、高氣油比原油開采的機械采油設備，螺桿泵抽油機作為一種簡單、高效、經濟節(jié)能的人工舉升方式，在稠油與含砂含水原油的開采中得到了廣泛的應用。
螺桿泵采油系統(tǒng)又分為地面驅動型和井下驅動型，其中地面直驅螺桿泵在井下采用普通螺桿泵，在井口驅動，結構簡單，技術成熟，目前國內各油田的螺桿泵多采用此種驅動方式。地面直驅螺桿泵采用永磁同步電機驅動，配備臺達C2000高階磁束向量通用型變頻器，停機時采用變頻器與外接電阻兩級制動，整個系統(tǒng)簡單緊湊，運行可靠，達到了很好的節(jié)能效果。
2 直驅螺桿泵系統(tǒng)組成與工作原理
地面直驅螺桿泵系統(tǒng)作為一種優(yōu)秀的人工舉升方式，在稠油井、攜砂采油井上顯示出比其它采油方式更加明顯的優(yōu)越性。
2.1系統(tǒng)組成
地面直驅螺桿泵系統(tǒng)由井底螺桿泵、抽油桿柱、抽油桿扶正器及地面驅動系統(tǒng)等組成。工作時，由地面動力帶動油桿柱旋轉，連接于抽油桿底端的螺桿泵轉子隨之一起轉動，井液經螺桿泵下部吸入，由上端排出，并從油管流出井口，再通過地面管線輸送至計量站。
2.2工作原理
螺桿泵是靠空腔排油，即轉子與定子間形成的一個個互不連通的封閉腔室，當轉子轉動時，封閉空腔沿軸線方向由吸入端向排出端方向運移。封閉腔在排出端消失，空腔內的原油也就隨之由吸入端均勻地擠到排出端。同時，又在吸入端重新形成新的低壓空腔將原油吸入。這樣，封閉空腔不斷地形成、運移和消失，原油便不斷地充滿、擠壓和排出，從而把井中的原油不斷地吸入，通過油管舉升到井口。
圖1 螺桿泵結構圖
3 直驅螺桿泵反轉特性
螺桿泵在失去外力驅動或停機時存在反轉問題，造成螺桿泵反轉一般有兩個原因：一個是在螺桿泵工作時，傳動電機的力矩通過近千米的抽油桿傳遞到泵體上，抽油桿必然產生彈性變形和一個扭轉角，進而儲存彈性能量，當驅動電機沒有驅動力矩時，抽油桿就會帶動機械系統(tǒng)反方向扭轉；另一個是驅動系統(tǒng)停機時，由于油套管內存在液位差，近千米的油液受到重力作用會從油管內回落，液面的壓力也會使螺桿泵轉子產生反轉。
螺桿泵反轉可能會造成桿柱脫扣、光桿甩彎，地面驅動裝置零部件損壞，還可能會危害操作人員的安全，因此合理解決直驅螺桿泵的反轉問題尤為重要。
4 系統(tǒng)設計
臺達C2000變頻器開環(huán)控制永磁同步電機，通過抽油桿直接驅動井下螺桿泵運轉，在系統(tǒng)停機時，變頻器通過自帶PLC可編程功能先行控制螺桿泵反轉，讓螺桿泵的反向轉矩在受控的情況下得到緩慢釋放，同時根據永磁電機的發(fā)電機特性，在電機轉子的各相繞組加上適當的能耗電阻，使螺桿泵系統(tǒng)運行更加可靠。
4.1 C2000變頻器特點
臺達C2000高階磁束向量通用型變頻器集驅動（IM/PM）、控制（PLC）、顯示（文本）、以及多種協(xié)議現場總線技術于一體，內建CANOpen可做主站。具有高性能、易維護、多語言操作等特點。具體來講，異步及同步電機控制一體化，具有多種控制模式，對電機可實現開閉環(huán)控制；啟動轉矩在0.5HZ時可達150%以上，并支持重載模式；過載能力最大200%轉矩電流；內置PLC功能，程序容量10K步；強大的面板編輯功能，相當于文本使用，并且面板參數設定有文字提示，使用簡便；模塊化設計，控制端子及風扇可拆卸，并支持穿墻式安裝；豐富的網絡擴展功能，內建CANOpen，可擴展ProfiBUS、DeviceNet、MODBUS TCP、EtherNet-IP現場總線及以太網絡卡；50℃運轉環(huán)境溫度，全球安規(guī)兼容于CE/UL/CUL。
4.2 永磁同步電機開環(huán)調試方法
C2000變頻器在速度模式下開環(huán)帶動永磁同步電機運轉，變頻器在初次與電機使用時，需要學習電機參數，并做功能設置，相關設定步驟如下：將00-02設為9，回歸出廠值；依次按照05-33=1 PM馬達、05-35電機功率、05-37電機極數、01-00最大頻率、01-02額定電壓、05-34電機電流、05-36電機轉速、05-38電機慣量、01-01額定頻率設置參數；將05-00設為13，然后按數字面板的RUN鍵，此時電機開始自動偵側，數十秒后，偵測完成，偵測正確后向下繼續(xù)進行，偵測失敗后，請檢查第二步內的參數設置是否正確，重新偵測；將00-10=0（速度控制），00-11=6（控制方式），按要求設定01-12，01-13加減速時間；設定10-39（IM與PM馬達控制切換點），一般為最大頻率的0.2倍，但不要小于5；將11-00設為1（慣量估側），并設定11-01系統(tǒng)慣量值；
圖2 永磁同步電機調試步驟
4.3 直驅螺桿泵控制原理
直驅螺桿泵抽油機在變頻柜門板上進行操作，變頻控制柜門板上有啟動、停止、故障復位按鈕，并有運轉指示燈和電位計調整電機轉速旋鈕（如圖3），可以在現場對變頻柜進行實時操作。
直驅螺桿泵的工作狀態(tài)可以分為正轉運行狀態(tài)，變頻器制動狀態(tài)及能耗制動狀態(tài)。
圖3 變頻控制柜面板
4.3.1正轉運行狀態(tài)
直驅螺桿泵在采油階段時，C2000變頻器通過內置PLC功能帶動永磁同步電機保持正轉運行，通過控制柜上的電位計來調整電機運行轉速，變頻器RA1與RA2輸出變頻器運行和故障狀態(tài)，變頻器控制部分接線圖如圖4（MI1為故障復位輸入）。
圖4 變頻器控制部分接線圖
C2000變頻器在運行前需要通過操作面板開啟PLC功能，同時通過Delta WPLSoft軟件將控制程序通過RS485接口輸入至變頻器內。
變頻器默認的通訊格式為9600、7、N、2，通訊站號為2（變頻器PLC站號），在Delta WPLSoft的通訊設置內需要與其保持一致，電腦方可與變頻器正常通訊。正轉部分程序如圖5。
圖5 變頻器正轉PLC部分程序
4.3.2變頻器制動狀態(tài)
當控制系統(tǒng)發(fā)出停機命令時，C2000變頻器先通過PLC功能來制動螺桿泵反轉（采用的方式為轉矩檢測制動或恒速定時制動方式），以防止抽油桿存儲的彈性勢能及油管內環(huán)空靜液柱作用導致抽油桿高速反轉而產生嚴重后果。
通過臺達C2000變頻器的一級制動方式，螺桿泵的反轉扭矩在受控的情況下得到了緩慢釋放。
變頻器在反轉時的相關數據（如運行時間，電流變化值等）可以通過變頻器未使用的參數項來輸入，例如04-00，04-01項等。
反轉部分PLC程序如圖6。
圖6 變頻器反轉PLC部分程序
4.3.3能耗制動狀態(tài)
當變頻器停止制動輸出后，利用變頻器的運行狀態(tài)輸出點將變頻器與永磁同步電機端動力連線斷開，同時讓永磁同步電機轉子繞組與三相外接耗能電阻接通，開始二級制動（能耗制動原理圖如圖7）。
采用制動以后的運行過程是：抽油桿由于有儲存的反轉能量帶動電機轉子反轉，電機角速度逐漸增大，由于永磁電機特性，轉子上有永磁磁場，因此會在電機繞組中產生感應電勢，感應電勢通過耗能電阻形成回路，產生電流，該電流產生與轉向相反的制動力矩。電阻越小，制動力矩就越大，轉化成的熱能也越小，抽油桿停下來的時間也就越長，因此要根據井況不同而選擇最優(yōu)耗能電阻數值。
耗能電阻制動的方式不僅能起到二級制動的效果，還在變頻器或控制柜出現故障時，保證螺桿泵能量得到有效的控制釋放，使系統(tǒng)控制更加可靠、安全。
圖7 能耗制動原理圖
5 系統(tǒng)節(jié)能
采油井在開采過程中，油況可能隨時發(fā)生變化，而C2000變頻器可以通過內置PLC功能自動偵測電機輸出情況，通過變頻器內部運算合理調整輸出頻率或轉矩，并可根據油廠的采油量指標，由采油工人自行或定時改變輸出頻率，滿足了手動與自動控制的二合一功能，不僅節(jié)約了電能，還節(jié)省了人力物力，深受用戶好評。
6 結束語
臺達C2000變頻器自2011年10月份在國內某知名油田多個地面直驅螺桿泵井口投運以來，運行效果穩(wěn)定，節(jié)能明顯，并且操作簡便易懂，在客戶處取得了良好反響。
由于直驅螺桿泵的簡單、高效、經濟節(jié)能的人工舉升方式，其在油田上的應用也會更加廣泛。自2007年以來，該知名油田每年都有近2000臺的直驅螺桿泵油井投入使用，盡管臺達C2000變頻器的開環(huán)同步功能開放較晚，但其穩(wěn)定高效的輸出功能絲毫不比國外知名品牌變頻器遜色，希望本文能對臺達C2000變頻器在油田地面直驅螺桿泵行業(yè)的推廣起到一定的積極作用。
作者簡介：
趙成亮，男，出生于1984年7月，畢業(yè)于佳木斯大學，自動化專業(yè)。現任中達電通東北大區(qū)業(yè)務支援處應用工程師，從事中達機電產品在黑龍江區(qū)域的技術支持和推廣工作，有著豐富的業(yè)界經驗。
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