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進入21世紀，變頻調速技術得益于其優異的節能特性和調速特性，在我國油田中得到廣泛應用，中國產值能耗是世界上最高的國家之一。要解決產品能耗問題，除 其它相關的技術問題需要改進外，變頻調速技術已成為節能及提高產品質量的有效措施。
油田作為一個特殊行業，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 系統普遍存在著效率低、能耗大、沖程和沖次調節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。
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一、 磕頭機的工作原理
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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，使電動機處于發電機的運行狀態。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。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中，有兩個電動機運行狀態和兩 個發電機運行狀態。當平衡配重調節較好時，其發電機運行狀態的時間和產生的能量都較小。 K3 U6 s$ z+ C1 n
二、 變頻器在抽油機的控制問題 5 W, p' J; ]' e3 M0 l
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，數量也最多。其數量達十萬臺以上。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%，功率因數低，電能浪費大。因此，抽油機節能潛力非常巨大，石油行業也是推廣“電機系統節能”的重點行業。; R8 \2 @( B) Y" d
2.1 變頻器在抽油機的控制問題主要體現在如下幾個方面; z5 L- E% E' G- q% s6 `6 K8 f
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電狀態，將多余能量反饋到電網，引起主回路母線電壓升高，勢必會對整個電網產生沖擊，導致 電網供電質量下降，功率因數降低的危險；頻繁的高壓沖擊會損壞電動機，造成生產效率降低、維護量加大，極不利于抽油設備的節能降耗，給企業造成較大經濟損失。
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圖2 常規曲柄平衡抽油機 " I: `2 _4 ]2 x
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不間斷地工作。也就是說抽油機的節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能技術變得十分復雜。因此，可以說游梁式抽油機的節能技術就是平衡技術。
對長慶油田幾十口油井的調查顯示，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。+ B7 O( t9 N0 @- O+ ]) g7 ]( f& R
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2.2 游梁式抽油機的變頻改造主要有以下3個方面( d1 S) j% F7 a; {9 [ h
(1) 大大提高了功率因數（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對電網質量要求較高的場合，為避免電網質量的下降，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的影響。
(2) 以節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，造成資源浪費。另一方面，抽油機工作情況的連續變化，取決于地底下的狀態，若始終處于工頻運行，也會造成電能浪費。為了節能，提高電動機工作效率，需進行變頻改造。 2 _6 Q J5 h7 Y5 k5 l
(3) 由于實現了真正的“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，減少了停產時間，提高了生產效率。以提高電網質量和節能為目的的變頻改造。這種情況綜合了上面兩種改造的優點，是應用中的一個重要發展方向。 0 d/ w N4 Z) V* D1 K+ w) h4 N6 W
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三、 抽油機的技術發展
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速功能，只能保持一個恒速，嚴重影響產油量。這種不帶保護的抽油機電機控制方式已經退出了歷史舞臺。/ W3 u- q* S. \) d+ y7 Z5 J
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。采用直流調速的方法明顯的優勝三相異步電機，產油量也高了許多；但直流電動機成本比較高，其調速性能也不是很理想。* I+ N3 G, r# C
第三代：采用變級電機調速，就是改變電機極對數來達到調速的目的，常采用4／8／32極多速電機實現。但其裝置比較復雜，占用空間也比較大，設備壽命短，穩定性不太好。2 @ o0 b/ `! p8 V
第四代：變頻調速技術，由于變頻調速技術已成為節能及提高產品效益質量的有效措施，油田中變頻器應用在游梁式抽油機已經非常廣泛。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律的，故采用變頻調速技術，使抽油機的運動規律適應油井的變化工況，實現抽油系統效率的 提高，達到節能增產的目的。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。 $ ]* _! X, r! ]& a5 I$ ^; x* u$ R
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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
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電狀態。最關建的就是下降段，這個過程是連續運轉的，同時隨油的稠度，井深，產量調節往復運動次數/MIN，導致電動機進入再生發電狀態，將多余能量反饋到電網，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節提到過），而電能沒有流回電網的通路，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。
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，這是以多耗電能為代價的，主要因為發電能量不能回饋電網造成。在未采用變頻器時，電動機 處于電動狀態時，從電網吸收電能；電動機處于發電狀態時，釋放能量，電能直接回饋電網的，并未在本地設備上耗費掉。綜合表現為抽油機供電系統的功率因數較低，對電網質量影響較大。
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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熱的電阻，變頻器發熱。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，當然這樣一來，系統就更復雜，投資也就更高了。+ K- {7 q$ z/ \% b- W" V
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，如下圖4所示。0 l) q, Y( z% T. m# t
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，實現軟起動，軟停車和調速運行過程控制。具有起動電流小、速度平穩、性能可靠、對電網沖擊小等優點，可實現上下速度任意調節和閉環控制運行；用戶可根據油井的液位、壓力確定抽油機的沖機、速度和產液 量，降耗節能，是高泵效；使設備減少磨損，延長使用壽命，高效節能低成本，實現在最大節能狀態下的自動化運行。
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圖4 變頻器加回饋單元) V9 l1 }3 q# Z; x
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電狀態產生的電能，必須將其反饋到電網，否則通過調節抽油機的沖程節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，保證發電狀態產生的電能回饋電網;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境。
