三晶變頻器在油田磕頭機上的應用

三晶

一、 前言
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    進入21世紀,，變頻調速技術得益于其優(yōu)異的節(jié)能特性和調速特性,，在我國油田中得到廣泛應用，中國產值能耗是世界上最高的國家之一,。要解決產品能耗問題,，除 其它相關的技術問題需要改進外，變頻調速技術已成為節(jié)能及提高產品質量的有效措施,。
    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
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9 W' S9 g: H. h$ Y    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,、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,。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)。當平衡配重調節(jié)較好時，其發(fā)電機運行狀態(tài)的時間和產生的能量都較小,。
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! C2 j/ e2 O# i/ S9 s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,，數量也最多。其數量達十萬臺以上,。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)。

6 z  m6 k8 S2 ?/ E2.1 變頻器在抽油機的控制問題主要體現(xiàn)在如下幾個方面
5 f. |3 F/ J( p, y! H  R7 D    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，由于電動機轉速一定,，滑塊下降過程中,，負荷減輕，電動機拖動產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,，引起主回路母線電壓升高,，勢必會對整個電網產生沖擊，導致 電網供電質量下降,，功率因數降低的危險,；頻繁的高壓沖擊會損壞電動機，造成生產效率降低,、維護量加大,，極不利于抽油設備的節(jié)能降耗,，給企業(yè)造成較大經濟損失。
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    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,，其整機結構特點像一架天平，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,。
. Q- j9 z5 g! g9 B( C/ Q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，適當降低電動機轉速,，減少沖程,，有效提高充盈率。

' u1 U6 g9 V1 A2.2 游梁式抽油機的變頻改造主要有以下3個方面
3 i! Q& M& k% ^3 O  V    (1) 大大提高了功率因數（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)對電網質量要求較高的場合,，為避免電網質量的下降，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的影響,。
0 W8 ?4 q0 o& R' O' x    (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,。
1 A. u% K) r. Z) S1 e- _9 p8 @    (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，減少了停產時間,，提高了生產效率,。以提高電網質量和節(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,。

- X7 A. T' {  s$ V" |三,、 抽油機的技術發(fā)展
6 W8 P( }# u+ q0 f+ q8 _+ R1 w    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速功能,，只能保持一個恒速,，嚴重影響產油量。這種不帶保護的抽油機電機控制方式已經退出了歷史舞臺,。
    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,。采用直流調速的方法明顯的優(yōu)勝三相異步電機,，產油量也高了許多；但直流電動機成本比較高,，其調速性能也不是很理想,。
    第三代：采用變級電機調速，就是改變電機極對數來達到調速的目的,，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：變頻調速技術,，由于變頻調速技術已成為節(jié)能及提高產品效益質量的有效措施，油田中變頻器應用在游梁式抽油機已經非常廣泛,。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。
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7 P3 E/ c+ b- a6 `, ~) e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
% m$ T& }7 d/ x% K4 Q6 j    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)運轉的，同時隨油的稠度,，井深,，產量調節(jié)往復運動次數/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,，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,。
2 O/ x6 t( G0 d3 e! Y5 n( h    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造成。在未采用變頻器時,，電動機 處于電動狀態(tài)時,，從電網吸收電能；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)的功率因數較低,，對電網質量影響較大。



3 g& J3 R$ Q& g% R3 d( b: _    圖3 變頻器加制動電阻
/ b7 [' `1 e6 y& |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,，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,，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、對電網沖擊小等優(yōu)點,，可實現(xiàn)上下速度任意調節(jié)和閉環(huán)控制運行,；用戶可根據油井的液位、壓力確定抽油機的沖機,、速度和產液 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)產生的電能,，必須將其反饋到電網,，否則通過調節(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,，在結構上引入雙PWM結構的變頻器如下 圖5所示，保證發(fā)電狀態(tài)產生的電能回饋電網;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
$ h9 K; Z/ \+ o4.3.1 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產生6路高頻的PWM脈沖控制整流側的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生的6K±1諧波,。功率因數高達99%。消除了對電網的諧波污染,。此時能量從 電網經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,，電機產生的能量通過逆變側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，達到節(jié)能的效果,。
/ H) `3 o- [! [$ m3 E# y8 [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速要求，可就電機的再生能量轉化為電能送回電網,，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

    總之,，變頻調速技術作為高新技術、基礎技術和節(jié)能技術,，其應用已經滲透到石油行業(yè)的各個技術部門,。

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