三晶變頻器在油田磕頭機(jī)上的應(yīng)用

三晶

一、 前言
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    進(jìn)入21世紀(jì)，變頻調(diào)速技術(shù)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(yīng)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(guān)的技術(shù)問題需要改進(jìn)外，變頻調(diào)速技術(shù)已成為節(jié)能及提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效措施。
    油田作為一個(gè)特殊行業(yè)，有其獨(dú)特的背景，油田中變頻器的應(yīng)用主要集中在 游梁式抽油機(jī)控制、電潛泵控制、注水井控制和油氣集輸控制等幾個(gè)場合。游梁式抽油機(jī)俗稱“磕頭機(jī)”，是目前各個(gè)油田所普遍采用的抽油機(jī)，但是目前的抽油機(jī) 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(diǎn)。本文主要介紹SAJ變頻器在游梁式抽油機(jī)上的應(yīng)用。

一、 磕頭機(jī)的工作原理
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1 r/ T- I, a3 l: m! {    圖1 游梁式抽油機(jī)實(shí)物圖
    如圖1,游梁式抽油機(jī)實(shí)物圖所示,當(dāng)磕頭機(jī)工作時(shí)，驢頭懸點(diǎn)上作用的載荷是變化的。上沖程時(shí)，驢頭懸點(diǎn)需提起抽油桿柱和液柱，在抽油機(jī)未進(jìn)行平衡的條件 下，電動(dòng)機(jī)就要付出很大的能量。在下沖程時(shí)，抽油機(jī)桿柱轉(zhuǎn)而對(duì)電動(dòng)機(jī)做功，使電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。抽油機(jī)未進(jìn)行平衡時(shí)，上、下沖程的載荷極度不均 勻，這樣將嚴(yán)重地影響抽油機(jī)的四連桿機(jī)構(gòu)、減速箱和電動(dòng)機(jī)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(diǎn)，一般在抽油機(jī)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(diǎn)下沖程時(shí)，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(dòng)機(jī)付出部分能量。在上沖程時(shí)，平衡重由高處下落，把下沖程時(shí)儲(chǔ)存的位能釋放出來，幫助電動(dòng)機(jī)提升抽油桿和液柱，減少了 電動(dòng)機(jī)在上沖程時(shí)所需給出的能量。目前使用較多的游梁式抽油機(jī)，都采用了加平衡配重的工作方式，因此在抽油機(jī)的一個(gè)工作循環(huán)中，有兩個(gè)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和兩 個(gè)發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)平衡配重調(diào)節(jié)較好時(shí)，其發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的時(shí)間和產(chǎn)生的能量都較小。
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二、 變頻器在抽油機(jī)的控制問題
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    目前，在勝利油田采用的抽油設(shè)備中，以游梁式抽油機(jī)最為普遍，數(shù)量也最多。其數(shù)量達(dá)十萬臺(tái)以上。抽油機(jī)用電量約占油田總用電量的40%，運(yùn)行效率非常低， 平均運(yùn)行效率只有25%，功率因數(shù)低，電能浪費(fèi)大。因此，抽油機(jī)節(jié)能潛力非常巨大，石油行業(yè)也是推廣“電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能”的重點(diǎn)行業(yè)。
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2.1 變頻器在抽油機(jī)的控制問題主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)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(jī)運(yùn)動(dòng)為反復(fù)上下提升，一個(gè)沖程提升一次，其動(dòng)力來自電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的兩個(gè)重量相當(dāng)大的鋼質(zhì)滑塊，當(dāng)滑塊 提升時(shí)，類似杠桿作用，將采油機(jī)桿送入井中；滑塊下降時(shí)，采油桿提出帶油至井口，由于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一定，滑塊下降過程中，負(fù)荷減輕，電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)產(chǎn)生的能量無法被負(fù)載吸引，勢必會(huì)尋找能量消耗的渠道，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)進(jìn)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(huì)對(duì)整個(gè)電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，導(dǎo)致 電網(wǎng)供電質(zhì)量下降，功率因數(shù)降低的危險(xiǎn)；頻繁的高壓沖擊會(huì)損壞電動(dòng)機(jī)，造成生產(chǎn)效率降低、維護(hù)量加大，極不利于抽油設(shè)備的節(jié)能降耗，給企業(yè)造成較大經(jīng)濟(jì)損失。
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; ]/ y( k  ?- i$ A0 P& C    圖2 常規(guī)曲柄平衡抽油機(jī)
    另一方面是沖擊電流問題，如圖二所示游梁式抽油機(jī)是一種變形的四連桿機(jī)構(gòu)，其整機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)像一架天平，一端是抽油載荷，另一端是平衡配重載荷。對(duì)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(dòng)力就可以使抽油機(jī)連續(xù)不間斷地工作。也就是說抽油機(jī)的節(jié)能技術(shù)取決于平衡的好壞。在平衡率為100％時(shí)電動(dòng)機(jī)提供的動(dòng)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(dòng)機(jī)提供的動(dòng)力越大。因?yàn)椋橛洼d荷是每時(shí)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(jī)的節(jié)能技術(shù)變得十分復(fù)雜。因此，可以說游梁式抽油機(jī)的節(jié)能技術(shù)就是平衡技術(shù)。
1 b# t) N* V; d: o    對(duì)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(jī)的配重嚴(yán)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(fèi)掉大量的電能，而且嚴(yán)重威脅到設(shè)備的安全。同時(shí)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(dòng)機(jī)的額定功率來選配的，過大的沖擊電流會(huì)引起變頻器的過載保護(hù)動(dòng)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(shè)備有其獨(dú)特的運(yùn)行特點(diǎn)：在油井開采前期儲(chǔ)油量大，供液足，為提高功效可采用工頻運(yùn)行，保證較高產(chǎn)油量；在中后期，由于石油儲(chǔ)量減少，易造成供液不足，電動(dòng)機(jī)若仍工頻運(yùn)行，勢必浪費(fèi)電能，造成不必要損耗，這時(shí)須考慮實(shí)際工作情況，適當(dāng)降低電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，減少?zèng)_程，有效提高充盈率。

2.2 游梁式抽油機(jī)的變頻改造主要有以下3個(gè)方面
    (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(fù)擔(dān)，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(duì)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(jī)工作過程對(duì)電網(wǎng)的影響。
    (2) 以節(jié)能為第一目標(biāo)的變頻改造。這點(diǎn)較普遍，一方面，油田抽油機(jī)為克服大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，采用的電動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際所需功率，工作時(shí)電動(dòng)機(jī)利用率一般為 20%～30%，最高不會(huì)超過50%，電動(dòng)機(jī)常處于輕載狀態(tài)，造成資源浪費(fèi)。另一方面，抽油機(jī)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(yùn)行，也會(huì)造成電能浪費(fèi)。為了節(jié)能，提高電動(dòng)機(jī)工作效率，需進(jìn)行變頻改造。
    (3) 由于實(shí)現(xiàn)了真正的“軟起動(dòng)”，對(duì)電動(dòng)機(jī)、變速箱、抽油機(jī)都避免了過大的機(jī)械沖擊，大大延長了設(shè)備的使用壽命，減少了停產(chǎn)時(shí)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(diǎn)，是應(yīng)用中的一個(gè)重要發(fā)展方向。
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三、 抽油機(jī)的技術(shù)發(fā)展
7 a6 o5 m# _4 `$ h- K* _    第一代：最先的抽油機(jī)主馬達(dá)主要是采用三相異步電機(jī)啟動(dòng)，三相異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行缺點(diǎn)就是沒有調(diào)速功能，只能保持一個(gè)恒速，嚴(yán)重影響產(chǎn)油量。這種不帶保護(hù)的抽油機(jī)電機(jī)控制方式已經(jīng)退出了歷史舞臺(tái)。
; _' K& k7 L- {3 L7 l7 K8 s    第二代：由于直流電動(dòng)機(jī)的面世，也加快了直流電機(jī)在抽油機(jī)上的應(yīng)用，從而替代了異步電機(jī)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(jī)，產(chǎn)油量也高了許多；但直流電動(dòng)機(jī)成本比較高，其調(diào)速性能也不是很理想。
    第三代：采用變級(jí)電機(jī)調(diào)速，就是改變電機(jī)極對(duì)數(shù)來達(dá)到調(diào)速的目的，常采用4／8／32極多速電機(jī)實(shí)現(xiàn)。但其裝置比較復(fù)雜，占用空間也比較大，設(shè)備壽命短，穩(wěn)定性不太好。
7 F; B% q" _& h7 h' d* M) Z) W  D: z    第四代：變頻調(diào)速技術(shù)，由于變頻調(diào)速技術(shù)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(yīng)用在游梁式抽油機(jī)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(shí)每刻都在變．抽油機(jī)的負(fù)載變化是無規(guī)律的，故采用變頻調(diào)速技術(shù)，使抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律適應(yīng)油井的變化工況，實(shí)現(xiàn)抽油系統(tǒng)效率的 提高，達(dá)到節(jié)能增產(chǎn)的目的。下面鐘對(duì)變頻器在油田嗑頭機(jī)中的應(yīng)用，例出幾個(gè)應(yīng)用方案做簡要論述。

四、 變頻技術(shù)在抽油機(jī)的應(yīng)用方案介紹
4.1 變頻器加制動(dòng)單元控制
! u: a7 r7 p" `7 U9 H0 {, c    如下圖3所示：在變頻器主回路直流母線兩端加制動(dòng)電阻和制動(dòng)單元，由于抽油機(jī)起動(dòng)時(shí)需要大力矩，上升段也需要大力矩，而在下降段電機(jī)處在發(fā)電狀態(tài)。最關(guān)建的就是下降段，這個(gè)過程是連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的，同時(shí)隨油的稠度，井深，產(chǎn)量調(diào)節(jié)往復(fù)運(yùn)動(dòng)次數(shù)/MIN，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)進(jìn)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?cè)谧冾l器上必須使用制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻的原因，現(xiàn)在大功率變頻器一般都可以定制動(dòng)單元，完全可以達(dá)到理想中的控制效果。
    對(duì)于上述第一種情況，采用普通變頻器加能耗制動(dòng)單元可較方便實(shí)現(xiàn)，這是以多耗電能為代價(jià)的，主要因?yàn)榘l(fā)電能量不能回饋電網(wǎng)造成。在未采用變頻器時(shí)，電動(dòng)機(jī) 處于電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，從電網(wǎng)吸收電能；電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，釋放能量，電能直接回饋電網(wǎng)的，并未在本地設(shè)備上耗費(fèi)掉。綜合表現(xiàn)為抽油機(jī)供電系統(tǒng)的功率因數(shù)較低，對(duì)電網(wǎng)質(zhì)量影響較大。
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: Z/ d+ k, C2 J2 s8 }" a& {1 Y* S    圖3 變頻器加制動(dòng)電阻
4.2 變頻器加回饋單元控制
" h# z9 a5 A! K6 a; R    由于在變頻器的直流上加制動(dòng)電阻解決不了實(shí)際問題，因?yàn)橹苿?dòng)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(dòng)電阻的開關(guān)管的壽命會(huì)在頻繁的長時(shí)間的開起過程中損壞。針對(duì)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(dāng)然這樣一來，系統(tǒng)就更復(fù)雜，投資也就更高了。
7 Z9 K; |; m  e    所謂能量回饋裝置，其實(shí)就是一臺(tái)有源逆變器。按采用的功率開關(guān)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(diǎn)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。
, w. Y1 M; _5 h    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(dòng)機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)，軟停車和調(diào)速運(yùn)行過程控制。具有起動(dòng)電流小、速度平穩(wěn)、性能可靠、對(duì)電網(wǎng)沖擊小等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)上下速度任意調(diào)節(jié)和閉環(huán)控制運(yùn)行；用戶可根據(jù)油井的液位、壓力確定抽油機(jī)的沖機(jī)、速度和產(chǎn)液 量，降耗節(jié)能，是高泵效；使設(shè)備減少磨損，延長使用壽命，高效節(jié)能低成本，實(shí)現(xiàn)在最大節(jié)能狀態(tài)下的自動(dòng)化運(yùn)行。


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0 c7 ]! k' [: n0 I6 J    圖4  變頻器加回饋單元
4.3 四象限變頻器技術(shù)控制
    對(duì)于第一種情況和第二種情況，必須妥善的處理電動(dòng)機(jī)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(jī)的沖程節(jié)省的電能可能不能抵消變頻器制動(dòng) 單元消耗的電能，造成變頻運(yùn)行時(shí)反而耗能，與節(jié)能的目標(biāo)背道而馳。為了解決這個(gè)問題，有必要對(duì)普通變頻器進(jìn)行改造，在結(jié)構(gòu)上引入雙PWM結(jié)構(gòu)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(yīng)控制以適應(yīng)游梁式抽油機(jī)多變的工作環(huán)境。

2 _( ]. G' X) J* T4 v, p    圖5 四象限運(yùn)行變頻器主電路
5 h4 U# y) X# k6 o* P; H4.3.1 四象限變頻器工作原理
5 `8 D5 N( O" V/ m0 ^4 H    當(dāng)電機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)的時(shí)候，整流控制單元的DSP產(chǎn)生6路高頻的PWM脈沖控制整流側(cè)的6個(gè)IGBT的開通和關(guān)斷。IGBT的開通和關(guān)斷與輸入電抗器共 同作用產(chǎn)生了與輸入電壓相位一致的正弦電流波形，這樣就消除了二極管整流橋產(chǎn)生的6K±1諧波。功率因數(shù)高達(dá)99%。消除了對(duì)電網(wǎng)的諧波污染。此時(shí)能量從 電網(wǎng)經(jīng)由整流回路和逆變回路流向電機(jī)，變頻器工作在第一、第三象限。
當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)的時(shí)候，電機(jī)產(chǎn)生的能量通過逆變側(cè)的二極管回饋到直流母線，當(dāng)直流母線電壓超過一定的值，整流側(cè)能量回饋控制部分啟動(dòng)，將直流逆變成交流，通過控制逆變電壓相位和幅值將能量回饋到電網(wǎng)，達(dá)到節(jié)能的效果。
( ~& @0 m6 \* `, {( [采用帶有PWM控制整流器變頻器具有四象限運(yùn)行的功能，能滿足各種位勢負(fù)載的調(diào)速要求，可就電機(jī)的再生能量轉(zhuǎn)化為電能送回電網(wǎng)，達(dá)到最大限度的節(jié)能的目 的。不僅如此，它還可減少電源的諧波污染，功率因數(shù)可接近于1，是一種真正的“綠色”變頻器。整流器變頻器

五、 總結(jié)

    總之，變頻調(diào)速技術(shù)作為高新技術(shù)、基礎(chǔ)技術(shù)和節(jié)能技術(shù)，其應(yīng)用已經(jīng)滲透到石油行業(yè)的各個(gè)技術(shù)部門。
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