SAJ變頻器在油田磕頭機上的應用

一、 前言

進入21世紀，變頻調(diào)速技術得益于其優(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 其它相關的技術問題需要改進外，變頻調(diào)速技術已成為節(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，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(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。本文主要介紹SAJ變頻器在游梁式抽油機上的應用。

一、 磕頭機的工作原理



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(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，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(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)電機運行狀態(tài)的時間和產(chǎn)生的能量都較小。

二、 變頻器在抽油機的控制問題

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(shù)量也最多。其數(shù)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(shù)低，電能浪費大。因此，抽油機節(jié)能潛力非常巨大，石油行業(yè)也是推廣“電機系統(tǒng)節(jié)能”的重點行業(yè)。

2.1 變頻器在抽油機的控制問題主要體現(xiàn)在如下幾個方面
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(zhì)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(zhuǎn)速一定，滑塊下降過程中，負荷減輕，電動機拖動產(chǎn)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(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，勢必會對整個電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，導致 電網(wǎng)供電質(zhì)量下降，功率因數(shù)降低的危險；頻繁的高壓沖擊會損壞電動機，造成生產(chǎn)效率降低、維護量加大，極不利于抽油設備的節(jié)能降耗，給企業(yè)造成較大經(jīng)濟損失。


圖2 常規(guī)曲柄平衡抽油機
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(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)能技術變得十分復雜。因此，可以說游梁式抽油機的節(jié)能技術就是平衡技術。
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(diào)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(huán)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(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(zhuǎn)速，減少沖程，有效提高充盈率。

2.2 游梁式抽油機的變頻改造主要有以下3個方面
(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(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工作過程對電網(wǎng)的影響。
(2) 以節(jié)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(zhuǎn)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(tài)，造成資源浪費。另一方面，抽油機工作情況的連續(xù)變化，取決于地底下的狀態(tài)，若始終處于工頻運行，也會造成電能浪費。為了節(jié)能，提高電動機工作效率，需進行變頻改造。
(3) 由于實現(xiàn)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(chǎn)時間，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，是應用中的一個重要發(fā)展方向。

三、 抽油機的技術發(fā)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(diào)速功能，只能保持一個恒速，嚴重影響產(chǎn)油量。這種不帶保護的抽油機電機控制方式已經(jīng)退出了歷史舞臺。
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(diào)速的方法明顯的優(yōu)勝三相異步電機，產(chǎn)油量也高了許多；但直流電動機成本比較高，其調(diào)速性能也不是很理想。
第三代：采用變級電機調(diào)速，就是改變電機極對數(shù)來達到調(diào)速的目的，常采用4／8／32極多速電機實現(xiàn)。但其裝置比較復雜，占用空間也比較大，設備壽命短，穩(wěn)定性不太好。
第四代：變頻調(diào)速技術，由于變頻調(diào)速技術已成為節(jié)能及提高產(chǎn)品效益質(zhì)量的有效措施，油田中變頻器應用在游梁式抽油機已經(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每刻都在變．抽油機的負載變化是無規(guī)律的，故采用變頻調(diào)速技術，使抽油機的運動規(guī)律適應油井的變化工況，實現(xiàn)抽油系統(tǒng)效率的 提高，達到節(jié)能增產(chǎn)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。

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(fā)電狀態(tài)。最關建的就是下降段，這個過程是連續(xù)運轉(zhuǎn)的，同時隨油的稠度，井深，產(chǎn)量調(diào)節(jié)往復運動次數(shù)/MIN，導致電動機進入再生發(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(xiàn)，這是以多耗電能為代價的，主要因為發(fā)電能量不能回饋電網(wǎng)造成。在未采用變頻器時，電動機 處于電動狀態(tài)時，從電網(wǎng)吸收電能；電動機處于發(fā)電狀態(tài)時，釋放能量，電能直接回饋電網(wǎng)的，并未在本地設備上耗費掉。綜合表現(xiàn)為抽油機供電系統(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(fā)熱的電阻，變頻器發(fā)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(wǎng)，當然這樣一來，系統(tǒng)就更復雜，投資也就更高了。
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(wǎng)，如下圖4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的異步電動機和永磁同步電動機，實現(xiàn)軟起動，軟停車和調(diào)速運行過程控制。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，可實現(xiàn)上下速度任意調(diào)節(jié)和閉環(huán)控制運行；用戶可根據(jù)油井的液位、壓力確定抽油機的沖機、速度和產(chǎn)液 量，降耗節(jié)能，是高泵效；使設備減少磨損，延長使用壽命，高效節(jié)能低成本，實現(xiàn)在最大節(jié)能狀態(tài)下的自動化運行。



圖4 變頻器加回饋單元
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(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)抽油機的沖程節(jié)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(jié)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(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控制以適應游梁式抽油機多變的工作環(huán)境。

圖5 四象限運行變頻器主電路
4.3.1 四象限變頻器工作原理
當電機工作在電動狀態(tài)的時候，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IGBT的開通和關斷。IGBT的開通和關斷與輸入電抗器共 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99%。消除了對電網(wǎng)的諧波污染。此時能量從 電網(wǎng)經(jīng)由整流回路和逆變回路流向電機，變頻器工作在第一、第三象限。
當電動機工作在發(fā)電狀態(tài)的時候，電機產(chǎn)生的能量通過逆變側(cè)的二極管回饋到直流母線，當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，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)，達到節(jié)能的效果。
采用帶有PWM控制整流器變頻器具有四象限運行的功能，能滿足各種位勢負載的調(diào)速要求，可就電機的再生能量轉(zhuǎn)化為電能送回電網(wǎng)，達到最大限度的節(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)速技術作為高新技術、基礎技術和節(jié)能技術，其應用已經(jīng)滲透到石油行業(yè)的各個技術部門。