薛朝妹 金曉陽(yáng) 張奇志

1.西安石油大學(xué) 電子工程學(xué)院 （陜西 西安 710065）

2.西安科瑞自動(dòng)化有限責(zé)任公司 （陜西 西安 710082）

直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)在油田應(yīng)用效果分析

薛朝妹1金曉陽(yáng)2張奇志1

1.西安石油大學(xué) 電子工程學(xué)院 （陜西 西安 710065）

2.西安科瑞自動(dòng)化有限責(zé)任公司 （陜西 西安 710082）

介紹一種新型的電機(jī)控制技術(shù)——直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，并對(duì)該技術(shù)在油田現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用效果進(jìn)行了分析。該技術(shù)通過(guò)控制定子電壓，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的直接控制?，F(xiàn)場(chǎng)節(jié)能測(cè)試結(jié)果表明，節(jié)能效果顯著。因此，該技術(shù)具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和推廣應(yīng)用價(jià)值。

抽油機(jī) 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù) 應(yīng)用效果 節(jié)能測(cè)試

抽油機(jī)是石油行業(yè)的用電大戶(hù)，其用電量約占油田總用電量的40%左右。隨著油田開(kāi)采難度的日益增加，抽油機(jī)普遍存在運(yùn)行效率低、能耗高、調(diào)節(jié)沖次費(fèi)時(shí)費(fèi)力、未考慮數(shù)字化油田需求等缺陷。為了適應(yīng)抽油機(jī)轉(zhuǎn)矩變化快、轉(zhuǎn)矩變化范圍大、平衡易受井況變化影響、容易出現(xiàn)發(fā)電態(tài)等特殊的運(yùn)行工況。減少抽油機(jī)的能耗，提高系統(tǒng)效率，降低采油成本，國(guó)內(nèi)外先后開(kāi)展了抽油機(jī)節(jié)能技術(shù)的研究工作，開(kāi)發(fā)了許多新型節(jié)能電機(jī)和新型節(jié)能裝置，投入使用后，不同程度地提高了抽油機(jī)電機(jī)的運(yùn)行效率，但綜合節(jié)電效果不佳。針對(duì)這一問(wèn)題，提出了一種先進(jìn)的電機(jī)控制技術(shù)——直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，并對(duì)該技術(shù)在油田現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用效果進(jìn)行了分析研究。

1 抽油機(jī)高耗能運(yùn)行原因分析

抽油機(jī)是機(jī)械采油的主要設(shè)備，與其相匹配的是三相異步電動(dòng)機(jī)。目前，抽油機(jī)的功率因數(shù)不大于0.4，負(fù)載率不足30%，電能浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重，原因如下[1]。

1.1 電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率低

為保證抽油機(jī)的可靠啟動(dòng)，要求抽油機(jī)所用電動(dòng)機(jī)功率較大，而正常運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)都是輕載運(yùn)行，這就造成了抽油機(jī)負(fù)載率低，形成了“大馬拉小車(chē)”現(xiàn)象。另外，油田為了防止蠟卡、砂卡等異常工況而導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)燒毀，還有意識(shí)地選擇更大容量的電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)，使得“大馬拉小車(chē)”問(wèn)題更加突出。當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷很低時(shí)，電動(dòng)機(jī)仍要從電網(wǎng)吸取較大的無(wú)功功率，從而降低了功率因數(shù)。低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，不僅造成電機(jī)效率低、功率因素低，而且周期性的負(fù)荷波動(dòng)還會(huì)使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)，增加了電動(dòng)機(jī)損耗。所以，“大馬拉小車(chē)”現(xiàn)象是抽油機(jī)高耗能的主要原因。

1.2 電動(dòng)機(jī)的倒發(fā)電現(xiàn)象

抽油機(jī)電能浪費(fèi)的另一個(gè)重要原因是抽油機(jī)拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)發(fā)電，目前使用的各種類(lèi)型的電動(dòng)機(jī)都存在這種情況。由于抽油機(jī)負(fù)載波動(dòng)很大，在抽油機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)中會(huì)出現(xiàn)抽油機(jī)減速箱輸入軸的運(yùn)轉(zhuǎn)速度大于電機(jī)對(duì)它的驅(qū)動(dòng)速度的情況，這時(shí)，抽油機(jī)就拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)發(fā)電，所發(fā)的電不會(huì)完全與電網(wǎng)同步且存在線路損耗，因此不能完全被電網(wǎng)利用。在整個(gè)電能-機(jī)械能-電能的轉(zhuǎn)換過(guò)程中有很大一部分能量被浪費(fèi)掉。

1.3 抽油機(jī)平衡率低

由于井況復(fù)雜，周?chē)h(huán)境惡劣，以及原油及抽油機(jī)本身等諸多因素的影響，使抽油機(jī)很難平衡。嚴(yán)重的不平衡加劇了“倒發(fā)電”問(wèn)題，造成多數(shù)電動(dòng)機(jī)電流變化不均勻，電動(dòng)機(jī)內(nèi)耗大大增加,使得功率因數(shù)低下，電能得不到充分利用，從而造成電能的浪費(fèi)并影響整個(gè)抽汲系統(tǒng)的效率。

2 直接轉(zhuǎn)矩控制原理

直接轉(zhuǎn)矩控制又稱(chēng)DTC，該理論最先由德國(guó)魯爾大學(xué)Depenbrock教授于1985年提出。這是交流電機(jī)調(diào)速理論繼矢量控制之后的又一新突破[2]。對(duì)電機(jī)的控制歸根結(jié)底是要實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的有效控制，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)與矢量控制技術(shù)不同，它直接將磁通和電磁轉(zhuǎn)矩作為控制變量，因此無(wú)需進(jìn)行磁場(chǎng)定向和矢量變換[3]。電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制理論的核心在于轉(zhuǎn)矩的“直接控制”，通過(guò)檢測(cè)電機(jī)定子電壓和電流，借助瞬時(shí)空間矢量理論計(jì)算電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)與給定值比較所得差值，實(shí)現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制。

直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

在對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制的分析過(guò)程中，采用空間矢量的數(shù)學(xué)分析方法。在定子參考坐標(biāo)系下，異步電動(dòng)機(jī)的空間矢量有如下表達(dá)式：

由以上關(guān)系式，可推出電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系式為：

式中 ψs—定子磁鏈；

ωψ—定子磁鏈角速度；

Rs—定子電阻；

p—電機(jī)的極對(duì)數(shù)；

Vqs—定子電壓矢量交軸分量。

由（4）式可知，在定子磁鏈的條件下，電磁轉(zhuǎn)矩受定子電壓矢量交軸分量的控制，因此，通過(guò)控制定子電壓就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的直接控制。

3 應(yīng)用效果分析

基于DTC技術(shù)的抽油機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)是針對(duì)油田抽油機(jī)的特殊工況和需求，采用先進(jìn)的DTC交流電機(jī)控制理論，為油田專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的。該技術(shù)解決了傳統(tǒng)變頻控制器在油田抽油機(jī)設(shè)備上無(wú)法節(jié)能的難題，同時(shí)加入了消除電機(jī)出現(xiàn)發(fā)電態(tài)的專(zhuān)用控制電路，使節(jié)能效果進(jìn)一步提高。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況，對(duì)基于DTC技術(shù)的抽油機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)進(jìn)行了應(yīng)用效果分析。

3.1 高效節(jié)能

主要表現(xiàn)在以下方面：

（1）充分利用了直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的特點(diǎn)，較好地適應(yīng)了抽油機(jī)電機(jī)運(yùn)行工況存在轉(zhuǎn)矩變化快、轉(zhuǎn)矩變化范圍大、平衡受井況變化影響等因素，把轉(zhuǎn)矩作為被控量，根據(jù)電機(jī)的負(fù)載變化情況迅速調(diào)整電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，具有極高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。最高可輸出300%的電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩，可解決普遍存在的裝機(jī)功率大的問(wèn)題。

圖1 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理框圖

（2）所供即所需，較好地解決了抽油機(jī)出現(xiàn)發(fā)電態(tài)的問(wèn)題，通過(guò)母線電壓限制、轉(zhuǎn)速跟蹤、自動(dòng)弱磁的方法，使電機(jī)不進(jìn)入發(fā)電態(tài)，將多余勢(shì)能直接轉(zhuǎn)換為動(dòng)能加以利用?？勺赃m應(yīng)負(fù)載力矩的變化，在0～300%范圍內(nèi)按需供給電機(jī)能量。

（3）全面提高抽油機(jī)電機(jī)運(yùn)行效率，大幅度提高了電機(jī)的功率因素，基本消除無(wú)功損耗。通過(guò)實(shí)際測(cè)試，功率因數(shù)達(dá)到0.98以上，無(wú)功節(jié)電率不低于96%。

（4）解決了傳統(tǒng)設(shè)備有功節(jié)能不明顯的問(wèn)題。目前各類(lèi)抽油機(jī)節(jié)能設(shè)備，在提高功率因數(shù)和無(wú)功節(jié)能上都取得了一定效果，但是有功節(jié)能效果很低，一般在5%以下，在抽油機(jī)沖次不變的情況下甚至出現(xiàn)負(fù)節(jié)能狀態(tài)。

3.2 方便的抽油機(jī)沖次調(diào)整功能

抽油機(jī)調(diào)節(jié)沖次時(shí)需要更換皮帶輪，由于受皮帶輪最小包角的限制，最低沖次只有4次，而且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。通過(guò)該系統(tǒng)用戶(hù)可根據(jù)油井地層供液能力的變化很方便地調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使抽油機(jī)的沖次與地層供液能力達(dá)到合理地匹配，提高系統(tǒng)效率，達(dá)到節(jié)電的效果。

3.3 完整的電機(jī)保護(hù)及自檢功能

具有完整的自檢功能，可以即時(shí)地檢測(cè)到電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的所有重要信息，對(duì)異常變化會(huì)及時(shí)作出反應(yīng)。在輸入斷相，輸出斷相、輸出短路、過(guò)流、過(guò)壓、超速等非正常情況下對(duì)電機(jī)提供全面完整的保護(hù)。

3.4 能夠?qū)崿F(xiàn)控制器與工頻的自動(dòng)切換

能夠?qū)崿F(xiàn)DTC控制與工頻的自動(dòng)切換，用戶(hù)也可以手動(dòng)實(shí)現(xiàn)切換，這樣做方便維護(hù)，并保證了抽油機(jī)不間斷工作。

3.5 啟動(dòng)升速時(shí)間可設(shè)定，實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)控制

在電機(jī)啟動(dòng)升速時(shí)可根據(jù)油井的負(fù)載情況對(duì)電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間進(jìn)行設(shè)定，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的軟啟動(dòng)，有效地降低了啟動(dòng)時(shí)對(duì)電機(jī)及電網(wǎng)的沖擊，延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命，降低了機(jī)械磨損。

3.6 安裝簡(jiǎn)單，調(diào)試啟動(dòng)方便

體積小，重量輕，在抽油機(jī)上安裝簡(jiǎn)便?？勺詣?dòng)識(shí)別電機(jī)參數(shù)，確定電機(jī)模型及電機(jī)的所有關(guān)鍵參數(shù)。在首次啟動(dòng)時(shí)，只需輸入電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)即可，操作簡(jiǎn)單。

3.7 配備手持編程器

配備了專(zhuān)用的手持編程器，現(xiàn)場(chǎng)總線接口、可以帶電熱插拔、中文大屏幕液晶顯示、界面友好、使用簡(jiǎn)單?？蛇M(jìn)行參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示、啟?？刂啤?fù)位等操作。

3.8 擴(kuò)展靈活

考慮到未來(lái)數(shù)字化油井的趨勢(shì)及生產(chǎn)過(guò)程集中控制的需要，該系統(tǒng)預(yù)留了支持現(xiàn)場(chǎng)總線的擴(kuò)展接口，可以很方便的將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴弦患?jí)的管理系統(tǒng)中。該系統(tǒng)擴(kuò)展靈活，可方便的加入下列擴(kuò)展功能：①工況和示功圖的現(xiàn)場(chǎng)顯示；②工況和示功圖的有線與無(wú)線傳輸；③專(zhuān)家系統(tǒng)的建立；④遙控、遙測(cè)功能；⑤油井液位測(cè)量。

4 節(jié)能測(cè)試

將該技術(shù)應(yīng)用于大慶油田采油七廠的3口油井上后，中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司油田節(jié)能監(jiān)測(cè)中心對(duì)其進(jìn)行了節(jié)能測(cè)試。以17070號(hào)油井為例，該油井的測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 17070號(hào)油井測(cè)試數(shù)據(jù)表

系統(tǒng)測(cè)試表明：有功節(jié)電率平均為14.18%，無(wú)功節(jié)電率平均為 85.45%，綜合節(jié)電率平均為23.58%，節(jié)電效果顯著。具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和推廣應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié) 論

直接轉(zhuǎn)矩控制是目前國(guó)際上先進(jìn)的電機(jī)控制技術(shù)，較好地適應(yīng)了油田抽油機(jī)電機(jī)的特殊運(yùn)行工況。將該技術(shù)應(yīng)用于抽油機(jī)中，能夠顯著地提高電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性，有效地降低有功能耗，進(jìn)一步解決了發(fā)電態(tài)的出現(xiàn)問(wèn)題。在發(fā)電態(tài)時(shí)能夠迅速將輸出力矩減為零，并進(jìn)行轉(zhuǎn)矩跟蹤，使抽油機(jī)的勢(shì)能向動(dòng)能轉(zhuǎn)化，保證電機(jī)始終工作在最佳的效率點(diǎn)上，從而最大限度地節(jié)約電能，實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能的目標(biāo)?；贒TC技術(shù)的抽油機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)面向未來(lái)，提供了數(shù)字化油田所需的接口，使得系統(tǒng)擴(kuò)展靈活。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)表明，節(jié)電效果顯著，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和推廣應(yīng)用價(jià)值。該系統(tǒng)目前還未進(jìn)行井深自動(dòng)測(cè)量部分的開(kāi)發(fā)，還不能根據(jù)油井液位的實(shí)際情況隨時(shí)調(diào)整抽油機(jī)的沖次，這是系統(tǒng)有待進(jìn)一步完善的方面。

[1]張沙薩,楊波,張維平,等.游梁式抽油機(jī)用電動(dòng)機(jī)節(jié)能討論[J].微電機(jī)，2009,42(15):61-63.

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The paper introduces a new type of motor control technology----the direct torque control technology.Meanwhile,an analysis is carried out aiming at the applicative effects of this technology in the oilfields.This technology achieves the direct control of motor torque by controlling the stator voltage.Besides,the field energy-saving tests demonstrate that energy-saving effect is remarkable.Therefore,this technology possesses certain economic benefits and the value of popularization and application.

pumping unit;the direct torque control technology;applicative effect;energy-saving test

薛朝妹（1969-），女，主要從事自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)監(jiān)控等領(lǐng)域的教學(xué)研究工作。

尉立崗

2011-05-06