抽油機專用變頻器在抽油機節能改造中的應用
摘要：本文介紹了風光抽油機專用變頻器在抽油機節能改造中的應用情況。通過改造，實現了抽油機高效運行，達到了節能降耗和提高產量的目的。
關鍵詞：變頻器 抽油機 節能
1.引言
我國的油田絕大部分要靠注水來壓油入井，靠抽油機把油從地層提升上來。以水換油，以電換油是目前我國油田的現實。如何提高采油效率，降低采出液的噸液能耗，提高產量，使抽油機的參數更好的適應地上、地下工況，使現場抽油機調節更為方便，成為大家的焦點。
目前，在油田抽油機設備中，以游梁式抽油機使用方便、可靠，是目前油田采油生產中的主要設備，應用最為普遍，數量也最多。下面以游梁式抽油機為例，介紹風光抽油機專用變頻器在其上面的應用。
2.游梁式抽油機工作原理
游梁式抽油機其工作過程為：用電機帶動減速機，減速機帶動皮帶輪，皮帶輪帶動兩個很重的鋼質滑塊的旋轉往復運動，依靠杠桿的作用，將盛油器提上放下，而將油帶出地面進入輸油管道中或儲油罐中，完成抽油過程。
抽油機電機的負荷是一周期性脈動負荷,并迭加有瞬間的沖擊。為了減小抽油機上下沖程負荷的波動,一般都配有平衡塊。為了保證足夠大的啟動轉矩,抽油機電機正常運行時負荷率很低,一般在20%~30%。低負荷率運行，造成功率因數低,效率低,電能浪費大。
因此，在設計選配抽油機電機時，普遍的做法是令其抽取量大于實際負荷。它所帶來的新問題是當抽油機排量過剩時，抽油機的運行會出現無功抽取，出現空抽或泵空狀態，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。因此，抽油機的節能潛力非常可觀。
節能包括兩個方面：一是從電動機本身考慮，提高電動機的負荷率和效率；二是從系統考慮，改變電動機的機械特性，使機、桿、泵整個系統達到較好的配合，提高系統效率。兩者比較，后者的節能潛力比前者大得多。在游梁式抽油機上應用變頻調速技術不僅機、桿、泵整個系統達到較好的配合,自動化程度提高，降低工人的勞動強度，減少工作量，而且節能效果明顯，綜合效益顯著。
3.抽油機專用變頻器工作原理
根據抽油機是交變工作載荷的特點，風光抽油機專用變頻器內置了專用的運動控制程序。風光抽油機專用變頻器，可以根據油井的實際情況，由操作設置油井工作參數和工作方式，經過運算處理后，變頻器自行調整抽油井工作制度，改變抽油機的沖程頻次，達到上、下沖程間的平穩過渡。變頻器本身具有抽油機所需的各種保護功能及相應的放電回饋電路，而且風機可以有溫度自動控制，也節約相應的能源消耗。
我們針對抽油機載荷的特殊性和野外工作特點，按照嚴格的工業標準設計、制造抽油機專用變頻器，把制動電路、回饋電路、無線濾波器、線路電抗器和防雷擊裝置集成到專用變頻器中，增強整機的可靠性。
變頻器主電路原理如圖1示:
4.風光抽油機專用變頻器的節能原理
風光抽油機專用變頻器可根據井下供液情況，自動調整抽油井工作制度，使游梁式抽油機的固定動態特性變為可根據油井開采情況自動調節的可變動態特性，提高泵充滿系數及排量系數，達到節能，增產，無級調速的效果。
風光抽油機專用變頻器采用動態調節抽油機的沖程頻次和上、下行程的速度，達到節電又增產的目的。
(1)可以動態調節抽油機的沖程頻次，節電。抽油機的沖程頻次可以通過機械的方法調整，但是，一旦調整好之后，人是不可以經常改動的，并且通過皮帶輪直徑調整頻次的方法是有限的，不能動態適應油井負荷的需要。而變頻調速則能動態調整抽油機的轉速，可無級調節抽油機沖次，從而調整泵的充滿度，提高抽取效率，增加原油產量，減少了電機功率，實現了節能目的。
(2)可以動態調節抽油機的上、下行程的速度實現節能增產的目的。由于采用變頻調速技術，通過上、下死點位置傳感器控制變頻調速器上、下沖程輸出不同頻率的電源，從而使電動機上、下沖程轉速不同，可無級調節抽油機上下沖程速比。還可以根據實際需要分別地調整每一沖程下行程的速度，可以提高原油在泵的充滿度；而適當提高上行程的速度，則可以減少在提升過程中的漏失系數，有效地提高單位時間內的原油產量。節電，節能。
5.現場應用
由于應用變頻調速技術對抽油機實行軟啟動，啟動電流大幅度降低。功率因數由0.3~0.5上升到0.9以上。提高了功率因數，減少了無功損耗。
風光抽油機專用變頻器可根據油井工況對沖程頻次和上下沖程的速度進行調節，使油井供排系統達到動態協調，在青海油田30口油井上，由實驗前后的數據表明，單井的平均增產20%，單井的平均節電率為20%左右。
我們分別選前期井、中后期進行了變頻改造。
在前期井中，由于井剛開采，儲油量大，為提高功效，我們采用提高抽油機的沖程頻次的方式，讓變頻器運行至65HZ，頻率提高了1/3，相應地電機轉速提高了30%，其采油量也相應提高，其綜合采油率可比工頻情況下多采油20%，工效提高了1.2倍，很受油田采油工的歡迎。
在中、后期井中，由于井儲量減少，供液不足，電機若仍工頗運行，勢必浪費電能，造成不必要的損耗，因而我們采用調整抽油機的沖程頻次和選用上快下慢的開采工藝，一般將變頻器的頻率運行至35~45HZ之間，這樣電機平均轉速下降了20%，加之采油設備一般負荷較輕，其節電率可達25%左右。還有另外在開采稠油井的中后期，因原油黏度上升，經常發生驢頭和光桿“打架”現象，通過調節沖程頻次和選用上快下慢的開采工藝，避免了“打架”，延長了開采時間，提高了原油產量。
6.應用注意事項
(1)由于抽油機的起動轉矩大，所以設置合適的轉矩提升曲線，不合適轉矩提升曲線(電壓不足或過高)都會使電流增大。
(2)在抽油機滑塊下降過程中，負荷減輕，電機進入再生發電狀態，其再生能量將傳人變頻器，通過逆變回路的續流二極管整流而變成直流加在主電路上，造成主電路母線電壓升高，頻繁的高壓會損壞變頻器的主器件，包括電解電容及功率模快，因此需加制動回路，讓再生電壓能及時地釋放掉，保證主回路器件在安全的電壓下工作。再生制動電路原理如圖2示
7.結束語
變頻器具有軟起、停功能，減少了對抽油機桿的機械沖擊，保護了電機及機械設備，減少維修量，變頻器對過壓、欠壓、過載、短路及電路失速都能可靠地保護。總之，變頻控制技術在抽油機上應用，對抽油生產設備來說是一個很大進步，它從根本上改變了抽油機的運動特性和動力特性，使抽油機—抽油桿—抽油泵達到動態協調，使有桿抽油系統和油井供液系統達到動態協調。抽油機應用變頻器，即可以提高工效，增加采油量，又可以節約電能，保護電機及設備，其應用前景是十分廣泛的。在能源日益緊張的今天，相信變頻器在抽油機這方面可以大有作為的。
關鍵詞：變頻器 抽油機 節能
1.引言
我國的油田絕大部分要靠注水來壓油入井，靠抽油機把油從地層提升上來。以水換油，以電換油是目前我國油田的現實。如何提高采油效率，降低采出液的噸液能耗，提高產量，使抽油機的參數更好的適應地上、地下工況，使現場抽油機調節更為方便，成為大家的焦點。
目前，在油田抽油機設備中，以游梁式抽油機使用方便、可靠，是目前油田采油生產中的主要設備，應用最為普遍，數量也最多。下面以游梁式抽油機為例，介紹風光抽油機專用變頻器在其上面的應用。
2.游梁式抽油機工作原理
游梁式抽油機其工作過程為：用電機帶動減速機，減速機帶動皮帶輪，皮帶輪帶動兩個很重的鋼質滑塊的旋轉往復運動，依靠杠桿的作用，將盛油器提上放下，而將油帶出地面進入輸油管道中或儲油罐中，完成抽油過程。
抽油機電機的負荷是一周期性脈動負荷,并迭加有瞬間的沖擊。為了減小抽油機上下沖程負荷的波動,一般都配有平衡塊。為了保證足夠大的啟動轉矩,抽油機電機正常運行時負荷率很低,一般在20%~30%。低負荷率運行，造成功率因數低,效率低,電能浪費大。
因此，在設計選配抽油機電機時，普遍的做法是令其抽取量大于實際負荷。它所帶來的新問題是當抽油機排量過剩時，抽油機的運行會出現無功抽取，出現空抽或泵空狀態，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。因此，抽油機的節能潛力非常可觀。
節能包括兩個方面：一是從電動機本身考慮，提高電動機的負荷率和效率；二是從系統考慮，改變電動機的機械特性，使機、桿、泵整個系統達到較好的配合，提高系統效率。兩者比較，后者的節能潛力比前者大得多。在游梁式抽油機上應用變頻調速技術不僅機、桿、泵整個系統達到較好的配合,自動化程度提高，降低工人的勞動強度，減少工作量，而且節能效果明顯，綜合效益顯著。
3.抽油機專用變頻器工作原理
根據抽油機是交變工作載荷的特點，風光抽油機專用變頻器內置了專用的運動控制程序。風光抽油機專用變頻器，可以根據油井的實際情況，由操作設置油井工作參數和工作方式，經過運算處理后，變頻器自行調整抽油井工作制度，改變抽油機的沖程頻次，達到上、下沖程間的平穩過渡。變頻器本身具有抽油機所需的各種保護功能及相應的放電回饋電路，而且風機可以有溫度自動控制，也節約相應的能源消耗。
我們針對抽油機載荷的特殊性和野外工作特點，按照嚴格的工業標準設計、制造抽油機專用變頻器，把制動電路、回饋電路、無線濾波器、線路電抗器和防雷擊裝置集成到專用變頻器中，增強整機的可靠性。
變頻器主電路原理如圖1示:
4.風光抽油機專用變頻器的節能原理
風光抽油機專用變頻器可根據井下供液情況，自動調整抽油井工作制度，使游梁式抽油機的固定動態特性變為可根據油井開采情況自動調節的可變動態特性，提高泵充滿系數及排量系數，達到節能，增產，無級調速的效果。
風光抽油機專用變頻器采用動態調節抽油機的沖程頻次和上、下行程的速度，達到節電又增產的目的。
(1)可以動態調節抽油機的沖程頻次，節電。抽油機的沖程頻次可以通過機械的方法調整，但是，一旦調整好之后，人是不可以經常改動的，并且通過皮帶輪直徑調整頻次的方法是有限的，不能動態適應油井負荷的需要。而變頻調速則能動態調整抽油機的轉速，可無級調節抽油機沖次，從而調整泵的充滿度，提高抽取效率，增加原油產量，減少了電機功率，實現了節能目的。
(2)可以動態調節抽油機的上、下行程的速度實現節能增產的目的。由于采用變頻調速技術，通過上、下死點位置傳感器控制變頻調速器上、下沖程輸出不同頻率的電源，從而使電動機上、下沖程轉速不同，可無級調節抽油機上下沖程速比。還可以根據實際需要分別地調整每一沖程下行程的速度，可以提高原油在泵的充滿度；而適當提高上行程的速度，則可以減少在提升過程中的漏失系數，有效地提高單位時間內的原油產量。節電，節能。
5.現場應用
由于應用變頻調速技術對抽油機實行軟啟動，啟動電流大幅度降低。功率因數由0.3~0.5上升到0.9以上。提高了功率因數，減少了無功損耗。
風光抽油機專用變頻器可根據油井工況對沖程頻次和上下沖程的速度進行調節，使油井供排系統達到動態協調，在青海油田30口油井上，由實驗前后的數據表明，單井的平均增產20%，單井的平均節電率為20%左右。
我們分別選前期井、中后期進行了變頻改造。
在前期井中，由于井剛開采，儲油量大，為提高功效，我們采用提高抽油機的沖程頻次的方式，讓變頻器運行至65HZ，頻率提高了1/3，相應地電機轉速提高了30%，其采油量也相應提高，其綜合采油率可比工頻情況下多采油20%，工效提高了1.2倍，很受油田采油工的歡迎。
在中、后期井中，由于井儲量減少，供液不足，電機若仍工頗運行，勢必浪費電能，造成不必要的損耗，因而我們采用調整抽油機的沖程頻次和選用上快下慢的開采工藝，一般將變頻器的頻率運行至35~45HZ之間，這樣電機平均轉速下降了20%，加之采油設備一般負荷較輕，其節電率可達25%左右。還有另外在開采稠油井的中后期，因原油黏度上升，經常發生驢頭和光桿“打架”現象，通過調節沖程頻次和選用上快下慢的開采工藝，避免了“打架”，延長了開采時間，提高了原油產量。
6.應用注意事項
(1)由于抽油機的起動轉矩大，所以設置合適的轉矩提升曲線，不合適轉矩提升曲線(電壓不足或過高)都會使電流增大。
(2)在抽油機滑塊下降過程中，負荷減輕，電機進入再生發電狀態，其再生能量將傳人變頻器，通過逆變回路的續流二極管整流而變成直流加在主電路上，造成主電路母線電壓升高，頻繁的高壓會損壞變頻器的主器件，包括電解電容及功率模快，因此需加制動回路，讓再生電壓能及時地釋放掉，保證主回路器件在安全的電壓下工作。再生制動電路原理如圖2示
7.結束語
變頻器具有軟起、停功能，減少了對抽油機桿的機械沖擊，保護了電機及機械設備，減少維修量，變頻器對過壓、欠壓、過載、短路及電路失速都能可靠地保護。總之，變頻控制技術在抽油機上應用，對抽油生產設備來說是一個很大進步，它從根本上改變了抽油機的運動特性和動力特性，使抽油機—抽油桿—抽油泵達到動態協調，使有桿抽油系統和油井供液系統達到動態協調。抽油機應用變頻器，即可以提高工效，增加采油量，又可以節約電能，保護電機及設備，其應用前景是十分廣泛的。在能源日益緊張的今天，相信變頻器在抽油機這方面可以大有作為的。
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