1 引言 石油化工行業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)行業(yè)，同時(shí)也是耗能大戶。目前，我國(guó)石油化工行業(yè)中抽油機(jī)的保有量在10萬(wàn)臺(tái)以上，電動(dòng)機(jī)裝機(jī)總?cè)萘吭?500MW，每年耗電量逾百億kW·h。抽油機(jī)的運(yùn)行效率特別低，在我國(guó)平均效率為25.96％，而國(guó)外平均水平為30.05％，年節(jié)能潛力可達(dá)幾十億kW·h。我國(guó)的油田不像中東的油田那樣有很強(qiáng)的自噴能力，多為低滲透的低能、低產(chǎn)油田，大部分油田要靠注水壓油入井，再用抽油機(jī)把油從地層中提升上來(lái)。以水換油或者以電換油是我國(guó)油田的現(xiàn)實(shí)，因而，電費(fèi)在我國(guó)的石油開(kāi)采成本中占了相當(dāng)大的比例，所以，石油行業(yè)十分重視節(jié)約電能。多年來(lái)，各采油廠一直在抽油機(jī)節(jié)能的問(wèn)題上下功夫，近幾年的實(shí)踐證明，變頻調(diào)速是最理想的高效調(diào)速節(jié)電技術(shù)。在油田生產(chǎn)中，應(yīng)用變頻技術(shù)，一是改造“大馬拉小車(chē)”設(shè)備，適應(yīng)變工況運(yùn)行，二是生產(chǎn)工藝自動(dòng)化的需要，作為閉環(huán)系統(tǒng)中理想的執(zhí)行器。因?yàn)橛吞锷a(chǎn)的特殊性，選用變頻器常重點(diǎn)考慮操作簡(jiǎn)單化，運(yùn)行的安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性，出現(xiàn)故障后系統(tǒng)處理的靈活性。變頻技術(shù)的發(fā)展日新月異，在油田生產(chǎn)中也由過(guò)去的簡(jiǎn)單應(yīng)用發(fā)展到系統(tǒng)集成，自動(dòng)控制。所以，我們面臨的問(wèn)題是怎樣做到變頻、電機(jī)、負(fù)載整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)用最優(yōu)化，節(jié)電效益最大化。 2 抽油機(jī)介紹及相關(guān)功能需求 抽油機(jī)（俗稱(chēng)叩頭機(jī)）是石油開(kāi)采中的必備設(shè)備。一般，每個(gè)原油生產(chǎn)井都至少使用一臺(tái)抽油機(jī)，將深藏在地下（或海水中）的石油通過(guò)抽油管抽出。圖1給出了抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)圖。抽油機(jī)的每個(gè)工作循環(huán)可分為上提抽油桿，下放抽油桿，從上提抽油桿轉(zhuǎn)換為下放抽油桿，從下放抽油桿轉(zhuǎn)換為上提抽油桿四個(gè)階段。 [align=center] 圖1 抽油機(jī)結(jié)構(gòu)圖[/align] 圖1中: 1—底座; 2—支架;3—懸繩器; 4—驢頭;5—游梁; 6—橫梁軸承座; 7—橫梁; 8—連桿; 9—曲柄銷(xiāo)裝置; 10—曲柄裝置;11—減速器; 12—?jiǎng)x車(chē)保險(xiǎn)裝置; 13—?jiǎng)x車(chē)裝置;14—電動(dòng)機(jī);15—配電箱。 抽油機(jī)的負(fù)荷電流曲線如圖2所示。顯然抽油機(jī)的負(fù)載為一周期性變化的負(fù)載。抽油機(jī)由于其特殊的運(yùn)行要求，所匹配的拖動(dòng)裝置必須同時(shí)滿足三個(gè)最大的要求，即最大沖程，最大沖次，最大允許掛重。另外，還須具有足夠的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，以克服抽油機(jī)啟動(dòng)時(shí)嚴(yán)重的靜態(tài)不平衡。因此，往往抽油機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)確定的安裝容量裕度較大。 [align=center] 圖2 抽油機(jī)負(fù)荷曲線圖 [/align] 抽油機(jī)是油田用電的主要設(shè)備之一，它的動(dòng)作原理是由交流電動(dòng)機(jī)恒速運(yùn)轉(zhuǎn)拖動(dòng)抽油泵，沿著重力作用方向進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而把原油從數(shù)百至數(shù)千米的井下抽到地面。分析其負(fù)載特性可知其慣量較大，而不同的油井的粘度大小又很不同，當(dāng)油的粘度較大時(shí)，泵的效率也變低，往往啟動(dòng)也很困難。該負(fù)載又是周期負(fù)載，上升、下降行程負(fù)載性質(zhì)亦不同，下降時(shí)尚帶有位勢(shì)負(fù)載性質(zhì)。為適應(yīng)這些復(fù)雜的工況，抽油機(jī)的配置及其實(shí)際工作狀態(tài)往往只能是大馬拉小車(chē)。當(dāng)油井的地下滲透能力小于抽油機(jī)的泵排量時(shí)（絕大多數(shù)油井如此），為了提高抽吸效率，降低單位產(chǎn)量的能耗指標(biāo)，最直接的辦法是實(shí)行間抽。但是大多數(shù)的油井是不允許間歇性工作的，因?yàn)槿绻L(zhǎng)時(shí)間停機(jī)的話，輕則會(huì)影響產(chǎn)油量，重則會(huì)使油井無(wú)法再開(kāi)啟。這是因?yàn)楹灹扛呋蚝}量高以及油的粘稠度高，且地處高寒地區(qū)的油井，如果間歇工作，會(huì)造成井口結(jié)蠟、結(jié)鹽或結(jié)油的后果，使油井無(wú)法再開(kāi)啟;對(duì)于注水油井，如果停止抽取，勢(shì)必會(huì)影響產(chǎn)油量，這將是得不償失的事，對(duì)于這類(lèi)油井，就要采用其它的節(jié)能方法。 為了使抽油泵的排量與油井的滲透能力相適應(yīng)，可以通過(guò)改變抽油機(jī)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)。抽油泵是一種柱塞泵，對(duì)電動(dòng)機(jī)來(lái)講是一種恒轉(zhuǎn)矩性的負(fù)載，也即電動(dòng)機(jī)的電功率與其轉(zhuǎn)速成正比。抽油機(jī)電機(jī)的負(fù)荷是一周期性脈動(dòng)負(fù)荷,并迭加有瞬間的沖擊。抽油機(jī)電機(jī)的負(fù)荷曲線上有兩個(gè)峰值,分別為抽油機(jī)上下沖程的“死點(diǎn)”。抽油機(jī)自由停車(chē)后再啟動(dòng)時(shí)，總是從死點(diǎn)處啟動(dòng),因此抽油機(jī)電機(jī)要求啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大。為了保證足夠大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩,抽油機(jī)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)負(fù)荷率很低,一般在20%左右,負(fù)荷率高的也不過(guò)30%。低負(fù)荷率運(yùn)行造成功率因數(shù)低,效率低,電能浪費(fèi)大。因此，在設(shè)計(jì)選配抽油機(jī)電機(jī)時(shí)，普遍的做法是令其抽取量大于實(shí)際負(fù)荷。它所帶來(lái)的新問(wèn)題是當(dāng)抽油機(jī)排量過(guò)剩時(shí)，抽油機(jī)的運(yùn)行會(huì)出現(xiàn)無(wú)功抽取，出現(xiàn)空抽或泵空狀態(tài)，伴隨泵空還會(huì)產(chǎn)生井噴、氣鎖等事故，而井噴、氣鎖又是導(dǎo)致鉆具組、泵裝置甚至地面設(shè)備損壞的主要原因。另外，由于過(guò)度的不間斷運(yùn)行，機(jī)械設(shè)備的損耗也相應(yīng)上升，造成傳統(tǒng)抽油機(jī)成本高，噪音大，運(yùn)行可靠性低。有效控制泵空是亟待研究的課題。抽油機(jī)是油田耗能大戶，用電量約占油田總用電量的40％，其總體效率很低，據(jù)調(diào)查一般在30％左右，過(guò)剩的抽油能力令抽油機(jī)的無(wú)功抽取時(shí)間增加，造成油井開(kāi)采的電費(fèi)成本居高不下，能源浪費(fèi)十分嚴(yán)重。因此，抽油機(jī)的節(jié)能潛力非?？捎^。 3 抽油機(jī)采用倫茨變頻調(diào)速系統(tǒng)后性能分析 近年來(lái)，市場(chǎng)上直接針對(duì)抽油機(jī)的節(jié)電技術(shù)主要有兩大類(lèi):一是開(kāi)發(fā)不同類(lèi)型的抽油機(jī)節(jié)能電機(jī)，如超高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)、三相永磁同步電機(jī)、高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩雙定子結(jié)構(gòu)電機(jī)和電磁調(diào)速電機(jī)等。但由于資金投入太大，在許多油田用節(jié)能電機(jī)取代普通異步電機(jī)尚無(wú)法全面推廣。二是使用節(jié)能配電箱，其中包括定子繞組Y-Δ轉(zhuǎn)換調(diào)壓和電容器動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償及靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)?。采用改變定子繞組的接法可以改變電機(jī)電壓，但電機(jī)只能得到固定電壓，節(jié)電效果并不理想。雖然有些裝置采用雙向晶閘管實(shí)現(xiàn)定子電壓隨負(fù)載變化連續(xù)調(diào)節(jié)，節(jié)電效果較好，但是電源電流波形發(fā)生畸變，電網(wǎng)諧波污染嚴(yán)重，不宜大面積長(zhǎng)期使用。而采用變頻調(diào)速控制，則可以改變抽油機(jī)長(zhǎng)期處于低效做功的狀態(tài)，使其工作方式與油井實(shí)際負(fù)荷相匹配，保證每次都抽油，減少低效甚至無(wú)效抽取，從而降低電費(fèi)開(kāi)支，減少維護(hù)成本，提高運(yùn)行效率，圖3為過(guò)去抽油機(jī)的控制方案。 [align=center] 圖3 過(guò)去抽油機(jī)的控制方案 [/align] 在抽油機(jī)采用倫茨變頻調(diào)速技術(shù)后，有如下幾個(gè)方面的顯著效果: （1） 變頻器具有軟起動(dòng)功能起動(dòng)時(shí)電流較小，對(duì)電網(wǎng)沖擊小，起動(dòng)時(shí)能耗大為降低。避免了啟動(dòng)時(shí)的相當(dāng)于3～7倍的額定電流，避免了不必要的電能損耗。耗同時(shí)減少了對(duì)電動(dòng)機(jī)，變速箱，抽油機(jī)等大機(jī)械的沖擊，延長(zhǎng)了相關(guān)設(shè)備的使用壽命。在工作中電機(jī)的功率因數(shù)可從0.2～0.5提高到0.9，減輕電網(wǎng)和變壓器的負(fù)擔(dān)， 降低線損，大量減少了無(wú)功損耗; （2） 引進(jìn)變頻器控制可實(shí)現(xiàn)設(shè)備上，下行程自動(dòng)識(shí)別從而控制抽油機(jī)上、下行程的電機(jī)運(yùn)行頻率分別可調(diào)，以改變抽油機(jī)上、下行程的運(yùn)行速度。亦可對(duì)變頻器能耗制動(dòng)進(jìn)行準(zhǔn)確控制，以使變頻器更適應(yīng)該運(yùn)行工況。加上抽油機(jī)沖次的任意調(diào)節(jié)，可使用抽油機(jī)的抽汲參數(shù)對(duì)不同油井而言更趨合理，當(dāng)調(diào)節(jié)適當(dāng)時(shí)，可提高泵的充滿系數(shù)，減少泵的漏失，從而提高泵效達(dá)到增產(chǎn)目的。沖次的任意調(diào)節(jié)，可不停機(jī)調(diào)節(jié)產(chǎn)量，解決了因更換皮帶輪調(diào)速造成的停產(chǎn)，從而提高了生產(chǎn)效率。同時(shí)達(dá)到滿足泵效的情況下耗用最少的電能; （3） 由于抽油機(jī)下行時(shí)負(fù)載性質(zhì)為位勢(shì)負(fù)載，變頻器加裝能耗制動(dòng)功能后恰能適應(yīng)其工況。對(duì)于改變抽油機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)最佳工作狀態(tài)帶來(lái)很大方便。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中感覺(jué)到，上行速度慢于下行速度的工作方式往往較為理想，在提高了泵的充滿系數(shù)的同時(shí)也提高了泵效，從而提高了采油量。分段轉(zhuǎn)速控制，通過(guò)變頻器對(duì)抽油機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，根據(jù)抽油機(jī)的特殊工況，把轉(zhuǎn)速控制細(xì)化為上沖程轉(zhuǎn)速和下沖程轉(zhuǎn)速控制，在上沖程時(shí)電機(jī)工作在50Hz以上，提高轉(zhuǎn)速，下沖程電機(jī)工作在20～30Hz減小轉(zhuǎn)速，從而降低漏失，提高泵效; （4） 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):油井的供油狀況不是保持不變的，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)行勢(shì)必造成電能浪費(fèi)。另一方面，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(guò)50%，電動(dòng)機(jī)常處于輕載狀態(tài)，造成巨大的電能浪費(fèi)。若應(yīng)用高效回饋型制動(dòng)單元，結(jié)合倫茨變頻器實(shí)現(xiàn)“變頻+回饋”的完美節(jié)能增效控制方式，相比將抽油機(jī)發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生能量用電阻就地消耗，通常能夠?qū)装紫牡亩啻?0%的電能回饋電網(wǎng)，在提高泵效的同時(shí)，達(dá)到最佳節(jié)能效果。 4 倫茨變頻器具體特應(yīng)用和參數(shù)設(shè)置 隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展，倫茨變頻器已是十分成熟的電氣產(chǎn)品，并且其價(jià)格也已經(jīng)大幅度下降，在抽油機(jī)上大量推廣變頻調(diào)速節(jié)能改造已經(jīng)成為可能。 [align=center] 圖4 采用公用直流母線的多變頻器系統(tǒng)主回路[/align] 目前，在國(guó)內(nèi)的油田所采用的抽油設(shè)備中，采用變頻調(diào)速進(jìn)行控制的節(jié)能效果十分可觀。主電路如圖4所示。倫茨（Lenze）公司是歐洲率先將變頻技術(shù)應(yīng)用于交流調(diào)速系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的廠家，并于20世紀(jì)90年代建成了歐洲第一條全自動(dòng)化變頻器生產(chǎn)線。在變頻器及其他所有產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中，倫茨始終遵循通用性、開(kāi)放性、靈活性兼?zhèn)涞脑瓌t。完整的產(chǎn)品體系，合理的等級(jí)搭配，以及強(qiáng)大的普適性使倫茨變頻器廣泛應(yīng)用于石油化工行業(yè)的各種機(jī)械。倫茨系列變頻器卓越的品質(zhì)，眾多的功能，緊湊的設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)易的操作安裝，代表了當(dāng)代變頻器發(fā)展新潮流。卓越的性能首先表現(xiàn)在轉(zhuǎn)矩特征曲線中。倫茨系列變頻器可提供2倍額定轉(zhuǎn)矩、1.5倍額定電流。根據(jù)拖動(dòng)與再生運(yùn)動(dòng)狀態(tài)極限電流的分別設(shè)定，給出每個(gè)操作點(diǎn)的制動(dòng)保護(hù)。因此驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可承受大負(fù)荷并可提供高動(dòng)態(tài)性能。在5～50Hz的頻率范圍內(nèi)，在無(wú)速度傳感器方式下，速度控制精度可高達(dá)1%以?xún)?nèi)。兩套參數(shù)集可通過(guò)端子切換以適應(yīng)不同工藝要求，每套參數(shù)集可提供4個(gè)頻率段，先進(jìn)的FTC控制方式，可在任意頻率下無(wú)需制動(dòng)單元進(jìn)行直流制動(dòng)，內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器、皮帶監(jiān)控（V020版本）。如圖5所示，變頻器的參數(shù)見(jiàn)附表。某油田采用倫茨55kW變頻器一次改造128眼油井，收到了良好的節(jié)電、增產(chǎn)的雙重效果，其它油田應(yīng)用效果亦較理想。根據(jù)以往實(shí)例，節(jié)能均在20%以上，并獲得不同程度的增產(chǎn)。 [align=center] 圖5 符合EMC標(biāo)準(zhǔn)的控制回路圖[/align] [align=center]附表 抽油機(jī)變頻器主要參數(shù)設(shè)定表 [/align] 5 結(jié)束語(yǔ) 由于應(yīng)用了正確的變頻調(diào)速系統(tǒng)，使抽油機(jī)動(dòng)態(tài)適應(yīng)油井負(fù)荷變化，也可方便地進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)。配以流量、載荷等傳感器，可實(shí)現(xiàn)最經(jīng)濟(jì)的控制。同時(shí)其軟起動(dòng)性能好，對(duì)延長(zhǎng)抽油機(jī)壽命，減少維護(hù)費(fèi)用有利。節(jié)能效果最好，能耗基本上與轉(zhuǎn)速成正比，只要降速，肯定節(jié)能。是抽油機(jī)節(jié)能電控裝置的發(fā)展方向。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻器價(jià)格將進(jìn)一步降低，而性能將進(jìn)一步提高。變頻調(diào)速這一技術(shù)正越來(lái)越廣泛的深入到各行各業(yè)中。應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)也是企業(yè)改造挖潛、增加企業(yè)效益的一條有效途徑。尤其是在石油及化工行業(yè)中高能耗、低產(chǎn)出的設(shè)備較多，采用變頻調(diào)速裝置將使企業(yè)獲得巨大的經(jīng)濟(jì)利益，同時(shí)這也是國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的需要。