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進入21世紀,，變頻調(diào)速技術得益于其優(yōu)異的節(jié)能特性和調(diào)速特性,，在我國油田中得到廣泛應用,，中國產(chǎn)值能耗是世界上最高的國家之一。要解決產(chǎn)品能耗問題,，除 其它相關的技術問題需要改進外,，變頻調(diào)速技術已成為節(jié)能及提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效措施。9 Q* t% f- \- s) y* L* s, \! r0 W
油田作為一個特殊行業(yè),，有其獨特的背景,，油田中變頻器的應用主要集中在 游梁式抽油機控制、電潛泵控制,、注水井控制和油氣集輸控制等幾個場合,。游梁式抽油機俗稱“磕頭機”，是目前各個油田所普遍采用的抽油機,，但是目前的抽油機 系統(tǒng)普遍存在著效率低,、能耗大、沖程和沖次調(diào)節(jié)不方便等明顯的缺點,。本文主要介紹SAJ變頻器在游梁式抽油機上的應用,。 * j2 ?! T. T+ C' Q+ u! \
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一、 磕頭機的工作原理; @5 H% H) C* h, y: }7 z
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圖1 游梁式抽油機實物圖
如圖1,游梁式抽油機實物圖所示,當磕頭機工作時，驢頭懸點上作用的載荷是變化的,。上沖程時,，驢頭懸點需提起抽油桿柱和液柱，在抽油機未進行平衡的條件 下,，電動機就要付出很大的能量,。在下沖程時，抽油機桿柱轉而對電動機做功,，使電動機處于發(fā)電機的運行狀態(tài)。抽油機未進行平衡時,，上,、下沖程的載荷極度不均 勻，這樣將嚴重地影響抽油機的四連桿機構,、減速箱和電動機的效率和壽命,，惡化抽油桿的工作條件，增加它的斷裂次數(shù),。為了消除這些缺點,，一般在抽油機的游梁 尾部或曲柄上或兩處都加上了平衡重，如圖1所示,。這樣一來,，在懸點下沖程時，要把平衡重從低處抬到高處,，增加平衡重的位能,。為了抬高平衡配重，除了依靠抽 油桿柱下落所釋放的位能外,，還要電動機付出部分能量,。在上沖程時，平衡重由高處下落,，把下沖程時儲存的位能釋放出來,，幫助電動機提升抽油桿和液柱，減少了 電動機在上沖程時所需給出的能量,。目前使用較多的游梁式抽油機,，都采用了加平衡配重的工作方式，因此在抽油機的一個工作循環(huán)中,，有兩個電動機運行狀態(tài)和兩 個發(fā)電機運行狀態(tài),。當平衡配重調(diào)節(jié)較好時，其發(fā)電機運行狀態(tài)的時間和產(chǎn)生的能量都較小,。 ! Z$ D! |" k" Z3 B- o
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二,、 變頻器在抽油機的控制問題 1 D$ Y" {2 B- V* w
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目前，在勝利油田采用的抽油設備中，以游梁式抽油機最為普遍,，數(shù)量也最多,。其數(shù)量達十萬臺以上。抽油機用電量約占油田總用電量的40%,，運行效率非常低,， 平均運行效率只有25%，功率因數(shù)低,，電能浪費大,。因此，抽油機節(jié)能潛力非常巨大,，石油行業(yè)也是推廣“電機系統(tǒng)節(jié)能”的重點行業(yè),。+ K. D- f7 R7 f) C9 S6 [! z
2.1 變頻器在抽油機的控制問題主要體現(xiàn)在如下幾個方面
一方面是再生能量的處理問題,如圖2所示，游梁式抽油機運動為反復上下提升,，一個沖程提升一次,，其動力來自電動機帶動的兩個重量相當大的鋼質(zhì)滑塊，當滑塊 提升時,，類似杠桿作用,，將采油機桿送入井中；滑塊下降時,，采油桿提出帶油至井口,，由于電動機轉速一定，滑塊下降過程中,，負荷減輕,，電動機拖動產(chǎn)生的能量無法被負載吸引，勢必會尋找能量消耗的渠道,，導致電動機進入再生發(fā)電狀態(tài),，將多余能量反饋到電網(wǎng)，引起主回路母線電壓升高,，勢必會對整個電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊,，導致 電網(wǎng)供電質(zhì)量下降，功率因數(shù)降低的危險,；頻繁的高壓沖擊會損壞電動機,，造成生產(chǎn)效率降低、維護量加大,，極不利于抽油設備的節(jié)能降耗,，給企業(yè)造成較大經(jīng)濟損失。 + A3 ?1 P2 _0 s2 _/ e8 n
圖2 常規(guī)曲柄平衡抽油機
另一方面是沖擊電流問題,，如圖二所示游梁式抽油機是一種變形的四連桿機構,，其整機結構特點像一架天平，一端是抽油載荷，另一端是平衡配重載荷,。對于支架來說,，如果抽油載荷和平衡載荷形成的扭矩相等或變化一致，那么用很小的動力就可以使抽油機連續(xù)不間斷地工作,。也就是說抽油機的節(jié)能技術取決于平衡的好壞,。在平衡率為100％時電動機提供的動力僅用于提起1/2液柱重量和克服摩擦力等，平衡率越低,，則需要電動機提供的動力越大,。因為，抽油載荷是每時每刻都在變 化的,，而平衡配重不可能和抽油載荷作完全一致的變化,，才使得游梁式抽油機的節(jié)能技術變得十分復雜。因此,，可以說游梁式抽油機的節(jié)能技術就是平衡技術,。
對長慶油田幾十口油井的調(diào)查顯示,，只有1～2口井的配重平衡較好,，絕大部分抽油機的配重嚴重不平衡，其中有一半以上口井的配重偏小,，另有幾口井配重又偏 大,，從而造成過大的沖擊電流，沖擊電流與工作電流之比最大可超過5倍,，甚至超過額定電流的3倍,。不僅無謂浪費掉大量的電能，而且嚴重威脅到設備的安全,。同時也給采用變頻器調(diào)速控制造成很大的困難：一般變頻器的容量是按電動機的額定功率來選配的,，過大的沖擊電流會引起變頻器的過載保護動作而不能正常工作。
除上述兩方面問題外,，油田采油的特殊地理環(huán)境決定了采油設備有其獨特的運行特點：在油井開采前期儲油量大,，供液足，為提高功效可采用工頻運行,，保證較高產(chǎn)油量,；在中后期，由于石油儲量減少,，易造成供液不足,，電動機若仍工頻運行，勢必浪費電能,，造成不必要損耗,，這時須考慮實際工作情況，適當降低電動機轉速，減少沖程,，有效提高充盈率,。
2.2 游梁式抽油機的變頻改造主要有以下3個方面* _) h! g7 f, e o5 l
(1) 大大提高了功率因數(shù)（可由原來的0.25～0.5提高到0.9以上），大大減小了供電（視在）電流,，從而減輕了電網(wǎng)及變壓器的負擔,，降低了線損，可省去大量的“增容”開支.這主要集中在供電企業(yè)對電網(wǎng)質(zhì)量要求較高的場合,，為避免電網(wǎng)質(zhì)量的下降,，需引入變頻控制，其主要目的就是減小抽油機工作過程對電網(wǎng)的影響,。
(2) 以節(jié)能為第一目標的變頻改造,。這點較普遍，一方面,，油田抽油機為克服大的起動轉矩,，采用的電動機遠遠大于實際所需功率，工作時電動機利用率一般為 20%～30%,，最高不會超過50%,，電動機常處于輕載狀態(tài)，造成資源浪費,。另一方面,，抽油機工作情況的連續(xù)變化，取決于地底下的狀態(tài),，若始終處于工頻運行,，也會造成電能浪費。為了節(jié)能,，提高電動機工作效率,，需進行變頻改造。
(3) 由于實現(xiàn)了真正的“軟起動”,，對電動機,、變速箱、抽油機都避免了過大的機械沖擊,，大大延長了設備的使用壽命,，減少了停產(chǎn)時間，提高了生產(chǎn)效率,。以提高電網(wǎng)質(zhì)量和節(jié)能為目的的變頻改造,。這種情況綜合了上面兩種改造的優(yōu)點，是應用中的一個重要發(fā)展方向,。
三,、 抽油機的技術發(fā)展
第一代：最先的抽油機主馬達主要是采用三相異步電機啟動,，三相異步電動機啟動運行缺點就是沒有調(diào)速功能，只能保持一個恒速,，嚴重影響產(chǎn)油量,。這種不帶保護的抽油機電機控制方式已經(jīng)退出了歷史舞臺。, @/ \4 u# V* I5 Z
第二代：由于直流電動機的面世,，也加快了直流電機在抽油機上的應用,，從而替代了異步電機的使用。采用直流調(diào)速的方法明顯的優(yōu)勝三相異步電機,，產(chǎn)油量也高了許多,；但直流電動機成本比較高，其調(diào)速性能也不是很理想,。
第三代：采用變級電機調(diào)速,，就是改變電機極對數(shù)來達到調(diào)速的目的，常采用4／8／32極多速電機實現(xiàn),。但其裝置比較復雜,，占用空間也比較大，設備壽命短,，穩(wěn)定性不太好,。, D: H* Y6 C' U$ o
第四代：變頻調(diào)速技術，由于變頻調(diào)速技術已成為節(jié)能及提高產(chǎn)品效益質(zhì)量的有效措施,，油田中變頻器應用在游梁式抽油機已經(jīng)非常廣泛,。由于油井的類型和工況千 差萬別,，井下滲油和滲水量每時每刻都在變．抽油機的負載變化是無規(guī)律的,，故采用變頻調(diào)速技術，使抽油機的運動規(guī)律適應油井的變化工況,，實現(xiàn)抽油系統(tǒng)效率的 提高,，達到節(jié)能增產(chǎn)的目的。下面鐘對變頻器在油田嗑頭機中的應用,，例出幾個應用方案做簡要論述,。 ' e+ c# o; P4 q9 G8 i9 h$ d4 f
四、 變頻技術在抽油機的應用方案介紹
4.1 變頻器加制動單元控制5 q3 X" _. P' U
如下圖3所示：在變頻器主回路直流母線兩端加制動電阻和制動單元,，由于抽油機起動時需要大力矩,，上升段也需要大力矩，而在下降段電機處在發(fā)電狀態(tài),。最關建的就是下降段,，這個過程是連續(xù)運轉的，同時隨油的稠度,，井深,，產(chǎn)量調(diào)節(jié)往復運動次數(shù)/MIN,，導致電動機進入再生發(fā)電狀態(tài)，將多余能量反饋到電網(wǎng),，引起主變頻器主回路直流母線電壓升高（此問題在文章第2節(jié)提到過）,，而電能沒有流回電網(wǎng)的通路，必須用電阻來就地消耗,，這就是我們在變頻器上必須使用制動單元和制動電阻的原因,，現(xiàn)在大功率變頻器一般都可以定制動單元，完全可以達到理想中的控制效果,。 w3 \2 `& ]* G V1 o6 j4 ?3 T9 H
對于上述第一種情況,，采用普通變頻器加能耗制動單元可較方便實現(xiàn)，這是以多耗電能為代價的,，主要因為發(fā)電能量不能回饋電網(wǎng)造成,。在未采用變頻器時，電動機 處于電動狀態(tài)時,，從電網(wǎng)吸收電能,；電動機處于發(fā)電狀態(tài)時，釋放能量,，電能直接回饋電網(wǎng)的,，并未在本地設備上耗費掉。綜合表現(xiàn)為抽油機供電系統(tǒng)的功率因數(shù)較低,，對電網(wǎng)質(zhì)量影響較大,。1 h5 \; a2 G0 C" p1 P2 I
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圖3 變頻器加制動電阻
4.2 變頻器加回饋單元控制
由于在變頻器的直流上加制動電阻解決不了實際問題，因為制動電阻的散熱解決不了,，變頻控制柜殼的散熱都要解決何況發(fā)熱的電阻,，變頻器發(fā)熱。接通制動電阻的開關管的壽命會在頻繁的長時間的開起過程中損壞,。針對上述情況,，為了回饋再生能量，提高效率,，可以采用能量回饋裝置,，將再生能量回饋電網(wǎng)，當然這樣一來,，系統(tǒng)就更復雜,，投資也就更高了。) K: i; a& V! C
所謂能量回饋裝置,，其實就是一臺有源逆變器,。按采用的功率開關器件的不同又可以分為晶閘管（SCR）有源逆變器及絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）逆變器兩種，它們的共同特點是可以將變頻器直流回路的電壓反饋到電網(wǎng),，如下圖4所示,。 }5 n- m/ ^- m/ s4 [4 c
加裝能量回饋單元的變頻器適用于交流50HZ,，額定電壓380V的異步電動機和永磁同步電動機，實現(xiàn)軟起動,，軟停車和調(diào)速運行過程控制,。具有起動電流小、速度平穩(wěn),、性能可靠,、對電網(wǎng)沖擊小等優(yōu)點，可實現(xiàn)上下速度任意調(diào)節(jié)和閉環(huán)控制運行,；用戶可根據(jù)油井的液位,、壓力確定抽油機的沖機、速度和產(chǎn)液 量,，降耗節(jié)能,，是高泵效；使設備減少磨損,，延長使用壽命,，高效節(jié)能低成本，實現(xiàn)在最大節(jié)能狀態(tài)下的自動化運行,。" J, j1 }4 P, o+ ^; c/ c6 m
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圖4 變頻器加回饋單元
4.3 四象限變頻器技術控制
對于第一種情況和第二種情況,，必須妥善的處理電動機發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生的電能，必須將其反饋到電網(wǎng),，否則通過調(diào)節(jié)抽油機的沖程節(jié)省的電能可能不能抵消變頻器制動 單元消耗的電能,，造成變頻運行時反而耗能，與節(jié)能的目標背道而馳,。為了解決這個問題,，有必要對普通變頻器進行改造，在結構上引入雙PWM結構的變頻器如下 圖5所示,，保證發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生的電能回饋電網(wǎng);在控制方法引入自適應控制以適應游梁式抽油機多變的工作環(huán)境,。
