變頻器在油田抽油機(jī)節(jié)能應(yīng)用問題探討

吳永波

（大慶油田建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司工程公司第七工程處，黑龍江 大慶 163517）

目前，抽油機(jī)是應(yīng)用最普遍的石油開采機(jī)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(jī)負(fù)載是獨(dú)具特點(diǎn)的時(shí)變負(fù)載：有動(dòng)、靜負(fù)載特性之分。起動(dòng)初始狀態(tài)要求拖動(dòng)電機(jī)的起動(dòng)力矩是抽油機(jī)實(shí)際負(fù)載的3-4倍，甚至更大，起動(dòng)力矩是抽油機(jī)選配電機(jī)的第一要素。當(dāng)起動(dòng)力矩適用則負(fù)載功率必然匹配不佳，運(yùn)行負(fù)載功率都遠(yuǎn)小于電機(jī)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(jī)的無功抽取時(shí)間增加，造成油井開采的電費(fèi)成本居高不下，能源浪費(fèi)十分嚴(yán)重。

變頻調(diào)速器具有低速軟啟動(dòng)，轉(zhuǎn)速可以平滑地大范圍調(diào)節(jié)，對(duì)電動(dòng)機(jī)保護(hù)功能齊全，如短路、過載、過壓、欠壓及失速等，可有效地保護(hù)電機(jī)及機(jī)械設(shè)備，具有運(yùn)行平穩(wěn)、可靠，提高功效等諸多優(yōu)點(diǎn)，是抽油設(shè)備改造的理想方案。但是，將變頻器用于抽油機(jī)拖動(dòng)時(shí)，也有幾個(gè)問題需要解決，主要是沖擊電流問題和再生能量的處理問題，以下加以分析。

1.閉環(huán)控制的采樣問題

抽油機(jī)利用變頻器調(diào)速，使之動(dòng)態(tài)適應(yīng)油井負(fù)荷的變化，達(dá)到節(jié)電的目的，必須要加外部傳感器，否則無法實(shí)現(xiàn)閉環(huán)智能控制，只能實(shí)現(xiàn)人工定值控制。所采用的傳感器的類型，與間抽控制器大體相同，但是在要求上是有差別的。流量檢測(cè)是最直觀、最準(zhǔn)確的方法，如果能實(shí)現(xiàn)小流量檢測(cè)并解決防堵問題，應(yīng)盡量采用流量傳感器。光桿載荷傳感器也能用來檢測(cè)井下液量的多少，與間抽控制不同的是，閉環(huán)調(diào)速控制只要求載荷的變化趨勢(shì)，不需要標(biāo)定空抽設(shè)定值。光桿的平均載荷大，說明井下液量少，應(yīng)減速運(yùn)行，反之則可加速運(yùn)行。電流控制不可取，因?yàn)檫@里除了配重的影響外，當(dāng)電機(jī)調(diào)速時(shí)，電流也是隨著變化的，因此不能將電流信號(hào)用作控制依據(jù)。

2 、再生能量的處理問題

由于抽油機(jī)屬位能性負(fù)載，尤其當(dāng)配重不平衡時(shí)，在抽油機(jī)工作的一個(gè)沖程中，會(huì)出現(xiàn)電動(dòng)機(jī)處于再生制動(dòng)工作狀態(tài)（發(fā)電狀態(tài)），電動(dòng)機(jī)由于位能或慣性，其轉(zhuǎn)速會(huì)超過同步速，再生能量通過與變頻器逆變橋開關(guān)器件（IGBT）并聯(lián)的續(xù)流二極管的整流作用，反饋到直流母線。由于交-直-交變頻器的直流母線采用普通二級(jí)管整流橋供電，不能向電網(wǎng)回饋電能，所以反饋到直流母線的再生能量只能對(duì)濾波電容器充電而使直流母線電壓升高，稱作"泵升電壓"。直流母線電壓過高時(shí)將會(huì)對(duì)濾波電容器和功率開關(guān)器件構(gòu)成威脅，為了保護(hù)電容器及功率開關(guān)器件的安全，所以，變頻器都設(shè)置了直流母線電壓高保護(hù)停機(jī)功能。

2.1 增大變頻器直流母線上濾波電容器的容量，將再生能量?jī)?chǔ)存起來，等電動(dòng)狀態(tài)時(shí)再釋放給電動(dòng)機(jī)作功。這種方法對(duì)節(jié)能有利，但是電容器的儲(chǔ)能作用是有限的，在大容量或者負(fù)載慣量大的系統(tǒng)中，不可能只靠濾波電容器來限制泵升電壓。

2.2 采用"放"的辦法，可以采用由分流電阻器Rp和開關(guān)管S11組成的泵升電壓限制電路。也就是將回饋能量消耗在電阻上，這是一種耗能的方法，對(duì)節(jié)能不利。尤其是在大容量或者大慣量拖動(dòng)系統(tǒng)中，能量的損失較大。

2.3 對(duì)于地處北方寒冷地區(qū)的抽油機(jī)，為了在冬季增加原油的流動(dòng)性和防止結(jié)蠟，而對(duì)井口回油管進(jìn)行電加熱，如采用中頻加熱裝置。這時(shí)也可將變頻器與中頻電加熱裝置共用整流電路及直流母線，這樣可將電動(dòng)機(jī)回饋到直流母線上的再生能量用于中頻加熱器，同時(shí)又防止了直流母線電壓的泵升。

2.4 對(duì)于同一井場(chǎng)上有多口油井的場(chǎng)所，可以采用共用直流母線系統(tǒng)方案，即若干臺(tái)抽油機(jī)的變頻器可共用一臺(tái)整流器，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(shí)發(fā)生的原理，將某一臺(tái)變頻器的回饋能量作為其他變頻器的動(dòng)力。這樣即節(jié)約了能量，又防止了泵升電壓的產(chǎn)生。

2.5 對(duì)于更大功率的系統(tǒng)，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。所謂的能量回饋裝置，其實(shí)就是一臺(tái)有源逆變器

3.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(duì)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(dòng)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(dòng)機(jī)提供的動(dòng)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(dòng)機(jī)提供的動(dòng)力越大。因?yàn)槌橛洼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)。

據(jù)筆者對(duì)某油田18口井的調(diào)查，有6口井配重偏大，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(dòng)機(jī)的額定功率來選配的，過大的沖擊電流會(huì)引起變頻器的過載保護(hù)，不能正常工作。

通過對(duì)抽油機(jī)曲柄配重塊的調(diào)整，可以使沖擊電流降到電機(jī)額定電流之內(nèi)，沖擊電流與正常工作電流之比在1.5倍以內(nèi)。這樣，選用與電機(jī)額定功率同容量的變頻器，甚至略小于電機(jī)額定功率的變頻器（要視抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率而定）都可以長期穩(wěn)定運(yùn)行。由于抽油機(jī)的起動(dòng)扭矩往往很大，慣性也很大，所以要將變頻器的加減速時(shí)間設(shè)置得足夠長，一般為30～50s，才不致在起動(dòng)時(shí)引起過載保護(hù)。

4.電磁兼容性問題

這里主要講電磁干擾（EMI）問題，即變頻器對(duì)微電腦控制器，傳感（變送）器及通信設(shè)備的干擾問題。變頻器是一個(gè)很強(qiáng)的電磁騷擾源，變頻器中的開關(guān)器件，以及SPWM電壓波形，會(huì)對(duì)控制及通信系統(tǒng)造成很大的干擾。干擾的途徑，除了感應(yīng)、輻射之外，還包括傳導(dǎo)干擾，即通過連接導(dǎo)線傳導(dǎo)的干擾。在控制系統(tǒng)中，變頻器只是一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它的運(yùn)行頻率（速度）指令由控制器通過對(duì)油井液量等信號(hào)的控制運(yùn)算后給予，變頻器就通過控制信號(hào)線，給微電腦控制器造成了很大的干擾，以致使控制器無法正常工作。因?yàn)槭莻鲗?dǎo)性干擾，采用屏蔽線是不解決問題的，要從信號(hào)線上的共模及差模干擾入手，采用共模與差模濾波器，才能解決干擾問題。

5.結(jié)語

抽油機(jī)在油田的使用量大，而負(fù)載率普遍偏低，功率因數(shù)則更低，電能的無謂浪費(fèi)嚴(yán)重，節(jié)能降耗潛力巨大。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)行調(diào)參。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)延長抽油機(jī)壽命，減少維護(hù)費(fèi)用有利。能耗基本上與轉(zhuǎn)速成正比，在部分可以降速的場(chǎng)合可以節(jié)能。因此，應(yīng)通過加大科研開發(fā)和應(yīng)用力度，提高油田管理水平，提高油田技術(shù)人員和工人的文化素質(zhì)，使變頻控制技術(shù)廣泛應(yīng)用在我國各大油田抽油生產(chǎn)中，使我國在抽油機(jī)變頻控制技術(shù)方面繼續(xù)保持世界領(lǐng)先地位.

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[3]趙鵬飛，油田抽油機(jī)節(jié)能方式綜述及解決方案[J]，科技資訊，2007，6