【摘  要】本文結(jié)合游梁式抽油機生產(chǎn)應(yīng)用的實際情況，介紹了變頻調(diào)速設(shè)備在該類負載的應(yīng)用情況。詳細分析變頻改造原理及應(yīng)用可行性。

【關(guān)鍵詞】變頻  抽油機 節(jié)能

Abstract：The paper introduce a real application of variable frequency speed regulation with load oil beam pumping unit, Detailed analyse the frequency inverter restructure principle and applicational feasibility.

key words：variable frequency、 oil pump、energy saving

1 引言 

      進入21世紀，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。油田作為一個特殊行業(yè)，有其獨特的背景， 目前，抽油機是應(yīng)用最普遍的石油開采機械之一，也是油田耗電大戶，其用電量約占油田總用電量的40％，且總體效率很低，據(jù)調(diào)查一般在30％左右。油田抽油機負載是獨具特點的時變負載：有動、靜負載特性之分。起動初始狀態(tài)要求拖動電機的起動力矩是抽油機實際負載的3－4倍，甚至更大，起動力矩是抽油機選配電機的第一要素。當起動力矩適用則負載功率必然匹配不佳，運行負載功率都遠小于電機的額定功率，即所謂“大馬拉小車”現(xiàn)象。過剩的抽油能力令抽油機的無功抽取時間增加，造成油井開采的電費成本居高不下，能源浪費十分嚴重。可見抽油機的節(jié)能潛力非?？捎^。本文主要介紹變頻器在游梁式抽油機上的應(yīng)用。

2 CHV100變頻器在石化行業(yè)中的應(yīng)用 

2.1游梁式抽油機工作原理

     游梁式抽油機結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示

      游梁式抽油機是一種變形的四連桿機構(gòu)，其整機結(jié)構(gòu)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(shù)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(shù)變得十分復(fù)雜。因此，可以說游梁式抽油機的節(jié)能技術(shù)就是平衡技術(shù)。

      工作時，驢頭懸點上作用的載荷是變化的。上沖程時，驢頭懸點提起與懸繩器相連的抽油桿柱和液柱，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，抽油機桿柱反轉(zhuǎn)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(gòu)、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，這樣一來，在懸點下沖程時，平衡重從低處上升至高處，平衡重位能增加。平衡重所增加的位能由兩部分構(gòu)成：油桿柱下落所釋放的位能與電動機產(chǎn)生的能量。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)電運行狀態(tài)的時間和產(chǎn)生的能量都較小。

2.2改造方案對比

（1）無變頻改造。

      此方案利用抽油機本身配置的平衡裝置，實現(xiàn)電機的運行耗能最小化。由于原油的稠度等是時刻變化的，但是配置不能實時調(diào)節(jié)，所以勢 必造成大部分能量的浪費，及設(shè)備壽命的縮短。另外，上沖程時，電動機處于電動狀態(tài)時，從電網(wǎng)吸收電能；下沖程時，電動機處于發(fā)電狀態(tài)時，釋放能量，電能直接回饋給電網(wǎng)，造成抽油機供電系統(tǒng)功率因數(shù)降低，對電網(wǎng)質(zhì)量影響較大。

（2）變頻改造，加裝制動單元

      如圖2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。在加裝變頻器后，電動機進入再生發(fā)電狀態(tài)時，其產(chǎn)生的電能沒有逆向流回電網(wǎng)的通路，所以勢必引起主變頻器主回路直流母線電壓升高。此時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，。CHV100（18.5KW以下機型內(nèi)置制動單元）系列可以選配制動單元，完全可以達到理想中的控制效果。

      對于變頻器加裝制動單元的情況，發(fā)電產(chǎn)生的能量不能回饋至電網(wǎng)而是就地消耗，所以還是會造成能量的浪費。但加裝變頻裝置后，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)大大提高（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(dān)，降低了線損，可省去大量的“增容”開支。CHV100內(nèi)置的AVR功能可根據(jù)負載特性，智能調(diào)節(jié)輸出。一方面可達到節(jié)能目的，同時還可以增加原油產(chǎn)量。避免電網(wǎng)質(zhì)量的下降，減小抽油機工作過程對電網(wǎng)的影響。此方式的缺點是必須解決制動電阻散熱及壽命問題。

應(yīng)用實例：

    CHV100-055G-6在江漢油田游梁式抽油機上成功應(yīng)用。

      根據(jù)江漢油田采油工況，采用變頻器加裝制動單元對其部分油井抽油機進行變頻節(jié)能改造。江漢油田原油稠度不大，負載率比較低。采用再生能量就地耗散方案方能達到預(yù)期效果。且制動電阻散熱問題僅通過加裝柜頂風(fēng)扇便可順利解決。

     其接線圖如圖3所示：

配置表

主要參數(shù)表

      上述電路接線圖可實現(xiàn)工變頻轉(zhuǎn)換，其中K1與K2互鎖。K1與K3導(dǎo)通，變頻運行；K2導(dǎo)通工頻運行。制動率由制動單元控制板撥碼開關(guān)確定。

      該套系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試，運行正常，經(jīng)檢測，網(wǎng)側(cè)功率因素有大幅提高。跟蹤后期使用情況，與無變頻時比較，節(jié)能約30%左右。符合預(yù)期。

（3）變頻改造，加裝能量回饋單元。

      制動電阻的散熱壽命問題及節(jié)能效果不理想成為方案（2）實際應(yīng)用中的技術(shù)瓶頸。針對上述情況，為實現(xiàn)節(jié)能優(yōu)化，提高效率，可以采用變頻器加裝能量回饋裝置方案，將再生能量回饋給電網(wǎng)。
      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(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，它們的共同特點是可以將變頻器直流回路的電壓反饋到電網(wǎng)，如下圖3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或660V的異步電動機和永磁同步電動機，實現(xiàn)軟起動，軟停車及過程調(diào)速控制功能。其具備起動電流小、速度平穩(wěn)、性能可靠、對電網(wǎng)沖擊小等優(yōu)點，避免對電動機、變速箱、抽油機造成機械沖擊，大大延長設(shè)備的使用壽命，減少停產(chǎn)時間，提高了生產(chǎn)效率，提高了電網(wǎng)質(zhì)量。

應(yīng)用案例

      CHV100-075G-4在勝利油田游梁式抽油機上成功應(yīng)用。

       勝利油田的工況與江漢油田有所不同，其原油稠度大，電機的負載率大。為實現(xiàn)節(jié)能最大化，此方案采用變頻器加裝能量回饋單元的方式?；窘泳€圖如圖4所示。其工/變頻轉(zhuǎn)換電路與圖3中類似，不再畫出。回饋單元型號為：RBU-075G-4

主要參數(shù)表【變頻器部分】

主要參數(shù)表【回饋單元部分】

回饋模式：

自動模式

自動運行時，回饋單元檢測母線電壓，自動執(zhí)行運行停止。

當母線電壓大于P0.04開始回饋電壓時，回饋開始。

當母線電壓小于P0.04－P0.05電壓值時，回饋停止。

手動模式

當運行指令給定時，回饋單元一直回饋。

      由于變頻器安裝在野外，勝利油田當?shù)氐臍夂蛞蛩?，晝夜溫差大，易結(jié)露。為解決此問題，需在柜體內(nèi)安裝加熱與抽濕裝置。

      經(jīng)過較長時間的應(yīng)用比較，多套設(shè)備均運行穩(wěn)定，且節(jié)能效果十分明顯，節(jié)能率達到了40%～50%。電網(wǎng)質(zhì)量顯著提高。

（4）共直流母線方式

      對于同一井場上有多口油井的場所，可以采用共用直流母線系統(tǒng)方案,即若干臺抽油機的變頻器將其直流母線聯(lián)結(jié)在一起，利用各變頻器的回饋能量不可能在同時發(fā)生的原理，將某一臺變頻器的回饋能量作為其它變頻器的動力。這樣即節(jié)約了能量，又防止了泵升電壓的產(chǎn)生。此方式可以搭配方式（2）或（3）使用，效果更佳。

應(yīng)用案例

    CHV100-055G-4在中原油田應(yīng)用成功

      此方案參數(shù)設(shè)置方面與（2）、（3）區(qū)別不大。僅在接線圖上有所區(qū)別，現(xiàn)將有差異部分做簡圖繪出，如圖6。其他控制接線部分基本與上述兩方案雷同。

      由于油井分布地理位置限制，此方案中大多為3臺～4臺變頻器共一組直流母線。

      此方案應(yīng)用情況良好，節(jié)能效果明顯，約為40%左右，且前期投入較適中。其必需條件是油井分布需在限制距離以內(nèi)。

2. 3節(jié)能原理與數(shù)據(jù)分析

     根據(jù)電機學(xué)原理：

12n=2603"><2603">/m:rPr>60f(1-s)m:rPr>psp:rsidR="00000000">'>

其中：

n=電機轉(zhuǎn)速

s=轉(zhuǎn)差率

p=電機極對數(shù)

      以上可以看出，通過改變運行頻率，可以改變電機的運行轉(zhuǎn)速。根據(jù)負載特性，電機運行轉(zhuǎn)速下降，則電機軸功率下降。另通過變頻改造，能量回饋單元將下沖程時產(chǎn)生的能量回饋給電網(wǎng)。另外，電網(wǎng)功率因數(shù)的提高所產(chǎn)成的節(jié)能效果也是十分可觀的。通過INVT多個系列變頻器在我國多個大型油田的實際使用數(shù)據(jù)測算可得，在油田游梁式抽油機的應(yīng)用中，變頻節(jié)能比可達30～50%，同時，產(chǎn)油量可增加20～30%。

 結(jié)束語

      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)的各個技術(shù)部門。在游梁式抽油機控制應(yīng)用還處于開始階段，在應(yīng)用中也出現(xiàn)了許多問題，這些都待于進步解決。只有充分考慮油田油井的實際情況，才能促進變頻技術(shù)在采油設(shè)備中的應(yīng)用。

 參考文獻

[1] 深圳英威騰電氣股份有限公司.《INVT中壓系列變頻器說明書》.[M],2009

[2] 深圳英威騰電氣股份有限公司.《CHV100矢量變頻器說明書》.  [M],2009

[3] 石油工業(yè)出版社             《游梁式抽油機設(shè)計計算》    .[M],2005