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)。

磕頭機(jī)的工作原理

圖4-8 游梁式抽油機(jī)實(shí)物圖

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—曲柄銷裝置； 10—曲柄裝置；11—減速器；12—?jiǎng)x車保險(xiǎn)裝置； 13—?jiǎng)x車裝置；14—電動機(jī)；15—配電箱

圖4-9 磕頭機(jī)組成

      如圖4-8,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)而對電動機(jī)做功，使電動機(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)儲存的位能釋放出來，幫助電動機(jī)提升抽油桿和液柱，減少了 電動機(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。  

變頻器在抽油機(jī)的控制問題

      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)。

變頻器在抽油機(jī)的控制問題主要體現(xiàn)在如下2方面

      一方面是再生能量的處理問題,游梁式抽油機(jī)運(yùn)動為反復(fù)上下提升，一個(gè)沖程提升一次，其動力來自電動機(jī)帶動的兩個(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，由于電動機(jī)轉(zhuǎn)速一定，滑塊下降過程中，負(fù)荷減輕，電動機(jī)拖動產(chǎn)生的能量無法被負(fù)載吸引，勢必會尋找能量消耗的渠道，導(dǎo)致電動機(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，勢必會對整個(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)；頻繁的高壓沖擊會損壞電動機(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。

      另一方面是沖擊電流問題，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(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)電動機(jī)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(jī)提供的動力越大。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)。

      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(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機(jī)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(hù)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(shè)備有其獨(dú)特的運(yùn)行特點(diǎn)：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(yùn)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(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)降低電動機(jī)轉(zhuǎn)速，減少沖程，有效提高充盈率。

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)為克服大的起動轉(zhuǎn)矩，采用的電動機(jī)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際所需功率，工作時(shí)電動機(jī)利用率一般為 20%～30%，最高不會超過50%，電動機(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，也會造成電能浪費(fèi)。為了節(jié)能，提高電動機(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”，對電動機(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。  

抽油機(jī)的技術(shù)發(fā)展

      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，三相異步電動機(jī)啟動運(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。

      第二代：由于直流電動機(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：采用變級電機(jī)調(diào)速，就是改變電機(jī)極對數(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。

      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。下面鐘對變頻器在油田磕頭機(jī)中的應(yīng)用，例出幾個(gè)應(yīng)用方案做簡要論述。

變頻技術(shù)在抽油機(jī)的應(yīng)用方案介紹

變頻器加制動單元控制

      如下圖4-10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(jī)起動時(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)動次數(shù)/MIN，導(dǎo)致電動機(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(dá)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(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)，電動機(jī) 處于電動狀態(tài)時(shí)，從電網(wǎng)吸收電能；電動機(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，對電網(wǎng)質(zhì)量影響較大。

圖4-10 變頻器加制動電阻

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(shí)際問題，因?yàn)橹苿与娮璧纳峤鉀Q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(guān)管的壽命會在頻繁的長時(shí)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(dāng)然這樣一來，系統(tǒng)就更復(fù)雜，投資也就更高了。

      所謂能量回饋裝置，其實(shí)就是一臺有源逆變器。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)，如圖4-11所示。

      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(jī)和永磁同步電動機(jī)，實(shí)現(xiàn)軟起動，軟停車和調(diào)速運(yùn)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(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)下的自動化運(yùn)行。

圖4-11 變頻器加回饋單元

      用戶可從經(jīng)濟(jì)以及節(jié)能效果方面對以上兩種方案進(jìn)行選擇，一般來說，使用制動電阻的方式成本較低，而能量回饋單元的方式節(jié)能效果更好。

      參數(shù)設(shè)定依據(jù)現(xiàn)場而異。在這里特別指出，科創(chuàng)力源G5系列變頻器內(nèi)置適用于磕頭機(jī)的參數(shù)自動設(shè)置功能，設(shè)定參數(shù)代碼F192=1，F(xiàn)194=8，則變頻器自動設(shè)定相關(guān)參數(shù)。