三晶變頻器在油田磕頭機(jī)上的應(yīng)用

三晶

一,、 前言

8 c1 a- t5 ^- L1 I& w2 _    進(jìn)入21世紀(jì),，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(jìn)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,，油田中變頻器的應(yīng)用主要集中在 游梁式抽油機(jī)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(jī)俗稱“磕頭機(jī)”,，是目前各個油田所普遍采用的抽油機(jī)，但是目前的抽油機(jī) 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(jī)上的應(yīng)用,。

一,、 磕頭機(jī)的工作原理
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    圖1 游梁式抽油機(jī)實物圖
    如圖1,游梁式抽油機(jī)實物圖所示,當(dāng)磕頭機(jī)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(jī)未進(jìn)行平衡的條件 下,，電動機(jī)就要付出很大的能量,。在下沖程時，抽油機(jī)桿柱轉(zhuǎn)而對電動機(jī)做功,，使電動機(jī)處于發(fā)電機(jī)的運行狀態(tài),。抽油機(jī)未進(jìn)行平衡時，上,、下沖程的載荷極度不均 勻,，這樣將嚴(yán)重地影響抽油機(jī)的四連桿機(jī)構(gòu)、減速箱和電動機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)提升抽油桿和液柱,，減少了 電動機(jī)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(jī)，都采用了加平衡配重的工作方式,，因此在抽油機(jī)的一個工作循環(huán)中,，有兩個電動機(jī)運行狀態(tài)和兩 個發(fā)電機(jī)運行狀態(tài)。當(dāng)平衡配重調(diào)節(jié)較好時,，其發(fā)電機(jī)運行狀態(tài)的時間和產(chǎn)生的能量都較小,。
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二、 變頻器在抽油機(jī)的控制問題

    目前,，在勝利油田采用的抽油設(shè)備中,，以游梁式抽油機(jī)最為普遍，數(shù)量也最多,。其數(shù)量達(dá)十萬臺以上,。抽油機(jī)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(jī)節(jié)能潛力非常巨大，石油行業(yè)也是推廣“電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能”的重點行業(yè),。
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$ T/ c. a4 v" V8 E2.1 變頻器在抽油機(jī)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(jī)運動為反復(fù)上下提升,，一個沖程提升一次,，其動力來自電動機(jī)帶動的兩個重量相當(dāng)大的鋼質(zhì)滑塊，當(dāng)滑塊 提升時,，類似杠桿作用,，將采油機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速一定，滑塊下降過程中，負(fù)荷減輕,，電動機(jī)拖動產(chǎn)生的能量無法被負(fù)載吸引,，勢必會尋找能量消耗的渠道，導(dǎo)致電動機(jī)進(jìn)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(dǎo)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(jī),，造成生產(chǎn)效率降低,、維護(hù)量加大，極不利于抽油設(shè)備的節(jié)能降耗,，給企業(yè)造成較大經(jīng)濟(jì)損失,。


. G4 y" b% p, ~2 N' U    圖2 常規(guī)曲柄平衡抽油機(jī)
    另一方面是沖擊電流問題，如圖二所示游梁式抽油機(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(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％時電動機(jī)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(jī)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(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),。
9 X  e+ ^$ H0 m! U' v: o    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(jī)的配重嚴(yán)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(yán)重威脅到設(shè)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(jī)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(hù)動作而不能正常工作,。
) Q: K6 h4 b. ?$ i3 Q7 ~" V3 Z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(shè)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(jī)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(dāng)降低電動機(jī)轉(zhuǎn)速,，減少沖程，有效提高充盈率,。
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: @7 d( G, R6 o' f# Z2.2 游梁式抽油機(jī)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(fù)擔(dān),，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(jī)工作過程對電網(wǎng)的影響。
2 A( r" o  \. L) o  k1 E( k    (2) 以節(jié)能為第一目標(biāo)的變頻改造,。這點較普遍,，一方面，油田抽油機(jī)為克服大的起動轉(zhuǎn)矩,，采用的電動機(jī)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實際所需功率,，工作時電動機(jī)利用率一般為 20%～30%，最高不會超過50%,，電動機(jī)常處于輕載狀態(tài),，造成資源浪費,。另一方面,，抽油機(jī)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(jī)工作效率,，需進(jìn)行變頻改造,。
. J+ {9 V9 k. ?9 Z    (3) 由于實現(xiàn)了真正的“軟起動”，對電動機(jī),、變速箱,、抽油機(jī)都避免了過大的機(jī)械沖擊，大大延長了設(shè)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(yīng)用中的一個重要發(fā)展方向。

三,、 抽油機(jī)的技術(shù)發(fā)展
, E/ ~" o' ?/ v; Y    第一代：最先的抽油機(jī)主馬達(dá)主要是采用三相異步電機(jī)啟動,，三相異步電動機(jī)啟動運行缺點就是沒有調(diào)速功能，只能保持一個恒速,，嚴(yán)重影響產(chǎn)油量,。這種不帶保護(hù)的抽油機(jī)電機(jī)控制方式已經(jīng)退出了歷史舞臺。
) E  q& A6 N* F, H7 H    第二代：由于直流電動機(jī)的面世,，也加快了直流電機(jī)在抽油機(jī)上的應(yīng)用,，從而替代了異步電機(jī)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(jī),，產(chǎn)油量也高了許多,；但直流電動機(jī)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(jī)調(diào)速,，就是改變電機(jī)極對數(shù)來達(dá)到調(diào)速的目的，常采用4／8／32極多速電機(jī)實現(xiàn),。但其裝置比較復(fù)雜,，占用空間也比較大，設(shè)備壽命短,，穩(wěn)定性不太好,。
    第四代：變頻調(diào)速技術(shù)，由于變頻調(diào)速技術(shù)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(yīng)用在游梁式抽油機(jī)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(jī)的負(fù)載變化是無規(guī)律的，故采用變頻調(diào)速技術(shù),，使抽油機(jī)的運動規(guī)律適應(yīng)油井的變化工況,，實現(xiàn)抽油系統(tǒng)效率的 提高，達(dá)到節(jié)能增產(chǎn)的目的,。下面鐘對變頻器在油田嗑頭機(jī)中的應(yīng)用,，例出幾個應(yīng)用方案做簡要論述。

$ v9 N2 K% F6 }! U% r6 P6 O* u- f四,、 變頻技術(shù)在抽油機(jī)的應(yīng)用方案介紹
; ~/ Q1 z+ c0 F8 G9 U5 [* L6 B4.1 變頻器加制動單元控制
0 U! q9 [3 t3 h; v& Q3 n    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(jī)起動時需要大力矩，上升段也需要大力矩,，而在下降段電機(jī)處在發(fā)電狀態(tài),。最關(guān)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(fù)運動次數(shù)/MIN,，導(dǎo)致電動機(jī)進(jìn)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(dá)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(jī) 處于電動狀態(tài)時，從電網(wǎng)吸收電能,；電動機(jī)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(shè)備上耗費掉,。綜合表現(xiàn)為抽油機(jī)供電系統(tǒng)的功率因數(shù)較低，對電網(wǎng)質(zhì)量影響較大,。


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/ u% Q! R5 f3 d: Y    圖3 變頻器加制動電阻
$ f$ X2 c- K1 r4.2 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(guān)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(dāng)然這樣一來，系統(tǒng)就更復(fù)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(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4所示,。
) N7 e  c, j8 ~0 K- v' g& k  g    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(jī)和永磁同步電動機(jī)，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(jī)的沖機(jī)、速度和產(chǎn)液 量,，降耗節(jié)能,，是高泵效；使設(shè)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,。

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* A2 U: T7 Q/ E% C/ D1 P2 }    圖4  變頻器加回饋單元
4.3 四象限變頻器技術(shù)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(jī)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(jī)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(biāo)背道而馳。為了解決這個問題,，有必要對普通變頻器進(jìn)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(yīng)控制以適應(yīng)游梁式抽油機(jī)多變的工作環(huán)境,。

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, a% _$ k" D. i    圖5 四象限運行變頻器主電路
$ R& O4 _/ Y3 w# `% ?" W) }4.3.1 四象限變頻器工作原理
    當(dāng)電機(jī)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(guān)斷。IGBT的開通和關(guān)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(dá)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(jī),，變頻器工作在第一、第三象限,。
當(dāng)電動機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)的時候,，電機(jī)產(chǎn)生的能量通過逆變側(cè)的二極管回饋到直流母線，當(dāng)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(dá)到節(jié)能的效果,。
1 X, i. }" k/ K& f7 |+ _: y( }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(fù)載的調(diào)速要求,，可就電機(jī)的再生能量轉(zhuǎn)化為電能送回電網(wǎng),，達(dá)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
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% H# A- t3 k2 e4 h+ J五,、 總結(jié)

    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。
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