井组节能错峰控制柜设计及应用效果分析.pdf

2023No9(上)设备管理与维修设计研究28毕来金】编辑井组节能错峰控制柜设计及应用效果分析韩民强，刘学，丁建军（渤海石油装备（天津）新世纪机械制造有限公司，天津300280)摘要：随着油气田大井组平台的出现，对大功率供电设备的需求越来越高，尤其在电网未铺设到的偏远油气井场。大井组平台发电机装机容量大，抽油机系统耗能严重成为制约大井组平台发展的两个因素。利用合理的控制系统设计，可以避免一个平台的多台抽油机同时到达最大用电功率，从而降低平台发电机的装机容量，起到节能降耗的作用。关键词：井组；错峰；共直流母线中图分类号：TE928文献标识码：BDOl:10.16621/ki.issn1001-0599.2023.09.110引言随着钻井、勘探等技术的不断提高，水平井、大斜度井已经成为当今油气田开采的主要趋势，随之而来的是大井组平台的出现。这些平台往往矗立着几台、十几台，甚至几十台抽油机，控制系统大多采用变频控制。一台抽油机一般需要十几到几十千瓦的电机提供动力，一个平台就需要上百千瓦甚至几百千瓦的电源供电。在我国一些偏远的油气田建立在沙漠、戈壁滩等人烟稀少，电网不能覆盖的区域，需要燃气、燃油发电机进行供电。近些年又出现了光能、风能等辅助发电设备。经研究发现，抽油机在正常运行期间，所需平均电流只有电机额定电流的1/4 1/3，甚至更低，而电机的启动电流一般都较大，为额定电流的2 3 倍。并且抽油机每个冲程周期内，电机电流是时刻变化的，其中最大电流发生在上冲程期间。当一个井组的所有抽油机都运行到最大功率或处于开机状态时，平台的发电设备将达到供电峰值，这个峰值决定了这个平台发电设备的等级。然而在正常运行时，所需的功率不到发电机额定发电功率的1/2，这造成了极大的选型浪费，增加了用户的投人成本。同时，在抽油机运行到下冲程期间还会出现反发电的现象。受井况、抽油机型号以及抽油机平衡度等因素的影响，反发电从图5 可以看出，故障智能播报系统使用后，叶片线月平均故障停机时间由10 9 min降到3 1min，小停车次数由每月平均5.3次降到1.2 次；叶丝线月平均故障停机时间由18 2 min降到48min，小停车次数由每月平均7.1次降到1.5 次；梗丝线月平均故障停机时间由9 6 min降到2 9 min，小停车次数由每月平均4.6 次降到1.3 次，效果明显。5应用效果分析项目实施后，智能语音系统异常触发率达到10 0%，异常诊断能力达到8 5%以上，提高了质量缺陷和设备隐患预防管控能力。人工智能语音技术在烟草制丝线应用，有效解决制约制丝线关键设备如加香、加料工序故障准确定位问题，打通设备运维“最后一公里”，通过模块化、系统化的自动判异功能开发及设计，探索了一条制丝设备运行状态监测的智能化的程度有所不同。这些反发电能量如果回馈到电网，会对电网造成“污染”。为了消除电网“污染”，常规的做法是在抽油机变频柜内增加大功率的制动电阻，将反发电的能量通过制动电阻转化为热能的形式消耗掉，同时也造成了大量的能源浪费。大井组平台在发电设备的投入上是非常巨大的，给油气田开发企业在生产运行中带来了相当大的压力。为了解决上述两种浪费的难题，本文设计一种井组节能错峰控制柜,并对其应用效果进行分析总结。1设计方案1.1控制流程设计为解决丛式井装机容量大、电能浪费严重，易出现停机故障的问题，设计井组节能错峰控制系统。井组节能错峰控制系统包括共直流母线技术及错峰控制技术。(1)变频器共直流母线技术：将若干台抽油机变频器的直流母线连接在一起，将电机的反发电能量反馈给共直流母线的其他抽油机变频器，作为其他电机的能源，从而达到降低能耗的目的。电路连接可采用1个变频器对应1台抽油机的一对一模式，也可采用共用1套独立整流单元总成、制动电阻单元、滤波单元总成，将逆变单元与抽油机电机一对一控制连接。由于第二种方法的整流单元总成、滤波单元总成发生故障后会造成整个新手段。参考文献1】张利民，邹益民.基于TTS模块的S7-200PLC语音播报功能扩展 J工业仪表与自动化装置，2 0 15（4）：3 4-3 7.2王飞，张凯.基于TTS的分布式语音报警系统的设计与实现 J.电气技术,2 0 15(4)：112-114.3】杨照坤，黄高祥.一种语音播报系统的研究与设计 J.机电工程技术，2021,50(4):203-205.【4黄思铭.地铁信号智能语音报警系统的研究与开发 J.铁道通信信号，2021,57(7):93-95.5阳胜峰.PLC控制系统智能语音报警的设计与实现 J.电气时代，2021(1):55-57.2023No9(上设备管理与维修设计研究29并组停机的严重后果，故在设计中暂不考虑。本设计方案采用变频器与抽油机电机的一对一控制模式。(2)错峰控制技术：采用专用的可视化PLC控制器，对抽油机控制系统的变频器频率进行错峰调整，让平台多台抽油机的电机不能同时达到功率峰值，降低井场总功率的峰值。功率错峰控制流程如图1所示。可视化PLC控制器依靠通信线与平台上的每台抽油机变频器之间进行数据通信，实时读取变频器的电参数，计算总功率峰值，并判断是否允许停止的抽油机进行启动操作。然后计算每台抽油机的功率峰值间隔时间，并预判功率峰值段的重合时间及数量。每台抽油机的功率峰值段及重合数量可以通过可视化PLC控制器手动进行设置。当功率峰值段重合数量达到设定值时，开始按照预先在可视化PLC控制器上设定的优先级调整抽油机变频器频率，从而达到错开总功率峰值的目的。为了不影响井场总体产量，调整均为微调，并具备频率调整错开峰值后恢复到调整前频率的功能。手动输人启动控制器相关设定参数检测抽油机运行台数读取电参数，计算功率峰值间隔时间功率峰值否允许停止的抽油机启动？是否峰值段重合数量达到设定值？是依据设置优先级调整抽油机冲次图1功率错峰控制流程1.2控制柜设计控制柜的设计分为主控柜和分控柜。控制柜采用油气田通用的AC380V,50Hz电源进线。主控柜里面有可视化PLC控制器和1个抽油机控制单元，可视化PLC控制器采用1拖N的设计模式，即1个控制器可以控制井场N台抽油机运转，本设计方案中N最高为9。1个分控制内包括2 个抽油机控制单元。分控柜可根据井场抽油机的数量进行自由拼接。每台控制柜的两侧均有6 个固定螺栓，用于两台并排柜体之间的紧固连接，位于最外侧一面的螺栓要保留，防止漏雨。根据井场多雨及风沙大的特点，控制柜采用防尘、防雨设计。每台控制柜内具有独立的温度控制单元，控制温度可手动设定。当控制柜内温度高于设定的上限温度时，散热风机自动开启进行散热；当控制柜内温度低于设定的下限温度时，加热器自动开启进行加热，从而保证可视化PLC控制器、变频器及其他电器元件处于最佳的工作环境，延长设备无故障运行时间。主控柜中主控单元电路如图2 所示，主要元件包括：主空开QFO：负责整个控制柜（包括主控柜和分控柜）的电源通断；浪涌保护器：把线路中瞬时过电压限制在设备或系统所能承受的电压范围内；备用插座：安装有1个两孔、1个三孔插座，便于设备维护；可视化PLC（触摸屏控制器）：实现错峰控制、参数设定、电参数采集、显示等功能。QFOROBSOCTOAC380V50HzE0L1L213QF8(3A)浪涌保护器E1RO插座LO(R)电源指示灯DC24V开关电源RS485+RS485-可视化PLC图2主控单元电路控制柜内的抽油机控制单元的控制电路集中在一个独立的二层板上，每台抽油机都有单独的电气控制部分，互不影响。所有进出线均在控制柜后部连接，控制柜前端没有连线，提高了现场操作的安全性。当一台抽油机电控部分发生故障，可直接将对应控制单元所在的二层板从控制柜上拔下来，换上一套新的即可，不需要在现场进行检修，快速恢复井场的正常作业。由于控制柜柜体较重，绝大部分井场位置比较偏僻，吊车使用不方便，所以控制柜柜体安装时可以先将控制柜内的二层板卸下，柜体安装完成后再装上二层板。但要注意，二层板必须轻拿轻放，不能磕碰2应用效果分析试验井场选择煤层气井2 个平台。A平台为在用井场，共有7台6 型抽油机，每台抽油机的电机为18.5 kW，共计12 9.5 kW。井场照明、伴热等其他设备用电共计约2 0 kW。井场总装机功率149.5 kW，井场配备的发电机总功率为16 0 kW。该井场经常发生发电机停机故障，尤其是在有抽油机检修停机后再启动时和井场其他用电设备同时工作时，故障发生的概率更大。经了解，该井场抽油机设计为15 kW电机，后续由于生产需要，更换为18.5kW电机，但发电机组始终未能扩容。为解决上述问题，现场安装了节能错峰控制柜进行试验。试验前后各自进行了大约7 万秒的总功率监测。设备安装前，在监测数据的1万秒和7 万秒附近出现2 次功率峰值，峰值功率达到正常运行功率的12 5%左右，负功率（反发电）现象非常严重，对供电系统冲击大。改造前井场功率监测图如图3 所示，横坐标为时间轴，纵坐标为功率值。控制柜安装完成后，稳定运行1个星期后开始进行监测（图4）。生产运行时总功率平均值基本一致，功率峰值较平稳，未出现突然大幅增加的情况，负功率偶尔出现，但是相比于改造前有明显好转。B平台为新井场，共有5 台6 型抽油机，每台抽油机的电机2023No9(上)设备管理与维修设计研究30高效立环高梯度强磁磁选机的研制及应用欧刚良（岳阳大力神电磁机械有限公司，湖南岳阳414100)摘要：采用有限元分析法和先进电磁设计技术，研制大型立环脉动高梯度磁选机，具有背景磁场强度大、立环磁介质场强梯度高、选矿效率、设备作业率和自动化程度高、电耗低的优点，用于铁矿石、褐铁矿、黑钨矿、锰矿、赤泥、长石、高岭土等矿物的分选均获得优良的技术指标。关键词：磁选机；励磁磁场；磁场梯度；搓齿棒；励磁线圈中图分类号：TD951文献标识码：BDOl:10.16621/ki.issn1001-0599.2023.09.12引言目前我国的铁矿石以贫矿为主，大部分铁矿石必须经过选矿才能用于工业生产，高效立环高梯度强磁磁选机可广泛应用于钛铁矿、赤铁矿、褐铁矿、钼锯矿、墨钨矿、锰等弱磁性矿物的分选，以及硅线石、霞石、锂辉石、萤石、高岭土、长石、石英等非金属矿物的除铁提纯。岳阳大力神电磁机械有限公司在现有电磁技术的基础上，开展对立环高梯度磁选机背景磁场、高梯度磁场的优化设计，大大提高了对弱磁性矿物的分选能力，进一步降低生产成本，扩大立环高梯度磁选机对弱磁性矿物的应用范围，创造更大的经济效益。高效立环高梯度强磁磁选机结构YYDLS立环高梯度强磁磁选机主要由冲程箱、转环、铁轭、励磁线圈、液位智能系统、控制系统以给矿斗、尾矿斗、精矿斗和漂洗斗装置等组成（图1），其中转环内装有自主权知识产权的导磁介质盒。其工作原理是利用各种矿物的不同导磁性能，在电磁磁力、脉动流体力和重力等综合力场的作用下，对非磁图3改造前井场功率监测图4改造后井场功率监测为18.5 kW，共计9 2.5 kW。井场照明、伴热等其他设备用电共计约2 0 kW。井场总装机功率112.5 kW，井场配备的发电机总功率性矿物与弱磁性矿物的进行分离。本文在研制YYDLS磁选机的过程中，总结了现有立环脉动高梯度磁选机设计的成功经验，对磁路进行了优化设计，研制的立环高梯度磁选机具有自主知识产权，技术性能处于领先地位（表1）。同时，立环高梯度磁选机实现了机电智能控制，大大提升了设备的选矿性能。2背景场强设计背景磁场由一组线圈产生，包括线圈、磁轭、铁芯等组件。根据磁选机的尺寸，采用ANSYS有限元计算磁体和线圈中心部位的磁场分布。根据立环脉动高梯度磁选机磁体本身结构的对称性，只需建立其1/4结构模型就可以满足计算要求。具体结构模型如图2 所示，其中深红色部分为铁轭，浅蓝色部分为铁芯，粉红色部分为环形内部磁极，中间部分为放入磁介质盒间隙，即转环通过的部位。磁体的环形区域中心切面上磁场分布情况如图3 所示，通过提取中心切面上每个节点上的磁场强度值，得到中心磁场强度在1.3 T以上。而磁体内铁轭、铁芯及磁极上的磁场分布情况如图4所示为16 0 kW。安装后运行3 个月，未发生因功率过载造成的发电机停机故障，生产运行时总功率平均值基本一致，功率峰值较平稳。经数据监测未出现短时的较大峰值，负功率情况也相对较少。3总结通过现场应用表明，井组节能错峰控制柜在降低井场总功率峰值及减少反发电情况方面切实有效，达到了设计预期。该控制技术为偏远地区油气田大井组的井场提供了一种降低发电机装机容量的可行性方案，降低了用户在发电设备方面的投人。抽油机反发电能量的再利用使得用电效率更高，起到了节能降耗的作用。控制柜内部结构的独特设计在实际应用中发挥了重要的作用，有效减少吊车等辅助设备、工具的投人，降低工人的劳动强度。但是，从该控制技术的应用效果分析，也存在需要提高的方面：抽油机反发电情况并未完全消除，控制柜内还需要配备制动电阻单元消耗掉反发电能量，需要后续继续优化控制程序，提高控制精度；降低井组总功率峰值的功能虽然初步实现，但通过后期的控制程序优化还可以进一步降低总功率峰值。【编辑张韵