【摘 要】本文結合游梁式抽油機生產應用的實際情況，介紹了變頻調速設備在該類負載的應用情況。詳細分析變頻改造原理及應用可行性。
【關鍵詞】變頻 抽油機 節能
Abstract：The paper introduce a real application of variable frequency speed regulation with load oil beam pumping unit, Detailed analyse the frequency inverter restructure principle and applicational feasibility.
key words：variable frequency、 oil pump、energy saving
1 引言
進入21世紀，變頻調速技術得益于其優異的節能特性和調速特性，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能及提高產品質量的有效措施。油田作為一個特殊行業，有其獨特的背景，目前，抽油機是應用最普遍的石油開采機械之一，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，據調查一般在30％左右。油田抽油機負載是獨具特點的時變負載：有動、靜負載特性之分。起動初始狀態要求拖動電機的起動力矩是抽油機實際負載的3－4倍，甚至更大，起動力矩是抽油機選配電機的第一要素。當起動力矩適用則負載功率必然匹配不佳，運行負載功率都遠小于電機的額定功率，即所謂“大馬拉小車”現象。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。可見抽油機的節能潛力非常可觀。本文主要介紹變頻器在游梁式抽油機上的應用。
2 CHV100變頻器在石化行業中的應用
2.1游梁式抽油機工作原理
游梁式抽油機結構簡圖如圖1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不間斷地工作。也就是說抽油機的節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能技術變得十分復雜。因此，可以說游梁式抽油機的節能技術就是平衡技術。
工作時，驢頭懸點上作用的載荷是變化的。上沖程時，驢頭懸點提起與懸繩器相連的抽油桿柱和液柱，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，抽油機桿柱反轉而對電動機做功，使電動機處于發電機的運行狀態。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，這樣一來，在懸點下沖程時，平衡重從低處上升至高處，平衡重位能增加。平衡重所增加的位能由兩部分構成：油桿柱下落所釋放的位能與電動機產生的能量。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中，有兩個電動機運行狀態和兩個發電機運行狀態。當平衡配重調節較好時，其發電運行狀態的時間和產生的能量都較小。
2.2改造方案對比
（1）無變頻改造。
此方案利用抽油機本身配置的平衡裝置，實現電機的運行耗能最小化。由于原油的稠度等是時刻變化的，但是配置不能實時調節，所以勢 必造成大部分能量的浪費，及設備壽命的縮短。另外，上沖程時，電動機處于電動狀態時，從電網吸收電能；下沖程時，電動機處于發電狀態時，釋放能量，電能直接回饋給電網，造成抽油機供電系統功率因數降低，對電網質量影響較大。
（2）變頻改造，加裝制動單元
如圖2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。在加裝變頻器后，電動機進入再生發電狀態時，其產生的電能沒有逆向流回電網的通路，所以勢必引起主變頻器主回路直流母線電壓升高。此時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，。CHV100（18.5KW以下機型內置制動單元）系列可以選配制動單元，完全可以達到理想中的控制效果。
對于變頻器加裝制動單元的情況，發電產生的能量不能回饋至電網而是就地消耗，所以還是會造成能量的浪費。但加裝變頻裝置后，網側功率因數大大提高（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。CHV100內置的AVR功能可根據負載特性，智能調節輸出。一方面可達到節能目的，同時還可以增加原油產量。避免電網質量的下降，減小抽油機工作過程對電網的影響。此方式的缺點是必須解決制動電阻散熱及壽命問題。
應用實例：
CHV100-055G-6在江漢油田游梁式抽油機上成功應用。
根據江漢油田采油工況，采用
變頻器加裝制動單元對其部分油井抽油機進行變頻節能改造。江漢油田原油稠度不大，負載率比較低。采用再生能量就地耗散方案方能達到預期效果。且制動電阻散熱問題僅通過加裝柜頂風扇便可順利解決。
其接線圖如圖3所示：
配置表
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電機參數
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變頻器型號
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制動單元型號
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制動電阻參數
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55KW/690V
|
CHV100-055G-4
|
DBU-B5-064
|
10?/12000W
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主要參數表
對于變頻器加裝制動單元的情況，發電產生的能量不能回饋至電網而是就地消耗，所以還是會造成能量的浪費。但加裝變頻裝置后，網側功率因數大大提高（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。CHV100內置的AVR功能可根據負載特性，智能調節輸出。一方面可達到節能目的，同時還可以增加原油產量。避免電網質量的下降，減小抽油機工作過程對電網的影響。此方式的缺點是必須解決制動電阻散熱及壽命問題。
應用實例：
CHV100-055G-6在江漢油田游梁式抽油機上成功應用。
根據江漢油田采油工況，采用變頻器加裝制動單元對其部分油井抽油機進行變頻節能改造。江漢油田原油稠度不大，負載率比較低。采用再生能量就地耗散方案方能達到預期效果。且制動電阻散熱問題僅通過加裝柜頂風扇便可順利解決。
其接線圖如圖3所示：
配置表
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電機參數
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變頻器型號
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制動單元型號
|
制動電阻參數
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|
55KW/690V
|
CHV100-055G-4
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DBU-B5-064
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10?/12000W
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主要參數表
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功能碼
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數值
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描述
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P0.00
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0
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需正確設置P2組參數，進行電機自學習，以提高低頻輸出轉矩
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P0.01
|
1
|
端子運行指令，通過外部端子控制啟停等
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|
P0.03
|
1
|
通過外部電位器調節變頻器輸出頻率
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|
P0.07～P0.09
|
——
|
根據實際需要設置
|
|
P0.11～P0.12
|
——
|
根據實際需要設置
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|
P1.00
|
1
|
無
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|
P2.00～P2.05
|
——
|
根據電機銘牌設置
|
|
P4.10
|
1
|
智能節能
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|
P4.11
|
1
|
自動節能運行
|
|
P5.02
|
1
|
正轉運行
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P6.04
|
1
|
正轉運行中
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|
P6.05
|
3
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故障輸出
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P6.07
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3
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運行電流顯示
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P8.32
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缺省
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出廠內置，無需更改。
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上述電路接線圖可實現工變頻轉換，其中K1與K2互鎖。K1與K3導通，變頻運行；K2導通工頻運行。制動率由制動單元控制板撥碼開關確定。
該套系統經過調試，運行正常，經檢測，網側功率因素有大幅提高。跟蹤后期使用情況，與無變頻時比較，節能約30%左右。符合預期。
（3）變頻改造，加裝能量回饋單元。
制動電阻的散熱壽命問題及節能效果不理想成為方案（2）實際應用中的技術瓶頸。針對上述情況，為實現節能優化，提高效率，可以采用變頻器加裝能量回饋裝置方案，將再生能量回饋給電網。
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3所示。
上述電路接線圖可實現工變頻轉換，其中K1與K2互鎖。K1與K3導通，變頻運行；K2導通工頻運行。制動率由制動單元控制板撥碼開關確定。
該套系統經過調試，運行正常，經檢測，網側功率因素有大幅提高。跟蹤后期使用情況，與無變頻時比較，節能約30%左右。符合預期。
（3）變頻改造，加裝能量回饋單元。
制動電阻的散熱壽命問題及節能效果不理想成為方案（2）實際應用中的技術瓶頸。針對上述情況，為實現節能優化，提高效率，可以采用變頻器加裝能量回饋裝置方案，將再生能量回饋給電網。
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3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或660V的異步電動機和永磁同步電動機，實現軟起動，軟停車及過程調速控制功能。其具備起動電流小、速度平穩、性能可靠、對電網沖擊小等優點，避免對電動機、變速箱、抽油機造成機械沖擊，大大延長設備的使用壽命，減少停產時間，提高了生產效率，提高了電網質量。
應用案例
CHV100-075G-4在勝利油田游梁式抽油機上成功應用。
勝利油田的工況與江漢油田有所不同，其原油稠度大，電機的負載率大。為實現節能最大化，此方案采用變頻器加裝能量回饋單元的方式。基本接線圖如圖4所示。其工/變頻轉換電路與圖3中類似，不再畫出。回饋單元型號為：RBU-075G-4
主要參數表【變頻器部分】
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功能碼
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數值
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描述
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P0.00
|
0
|
需正確設置P2組參數，進行電機自學習，以提高低頻輸出轉矩
|
|
P0.01
|
1
|
端子運行指令，通過外部端子控制啟停等
|
|
P0.03
|
1
|
通過外部電位器調節變頻器輸出頻率
|
|
P0.07～P0.09
|
——
|
根據實際需要設置
|
|
P0.11～P0.12
|
——
|
根據實際需要設置
|
|
P1.00
|
1
|
無
|
|
P2.00～P2.05
|
——
|
根據電機銘牌設置
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|
P4.10
|
1
|
智能節能
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|
P4.11
|
1
|
自動節能運行
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|
P5.02
|
1
|
正轉運行
|
|
P6.04
|
1
|
正轉運行中
|
|
P6.05
|
3
|
故障輸出
|
|
P6.07
|
3
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運行電流顯示
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主要參數表【回饋單元部分】
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功能碼
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數值
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描述
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P0.00
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1
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1：端子控制：
端子S1有效：自動模式；端子S2有效：手動模式
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P0.01
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0
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鍵盤控制，手動模式
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P0.04
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650
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設置回饋開始電壓閥值
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P0.05
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12
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回饋電壓滯環（容差）
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P0.06
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2
|
無
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P2.00～P2.05
|
——
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根據電機銘牌設置
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P0.11
|
0
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AO輸出直流母線電壓
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P0.16
|
0
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啟動即運行
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P0.19
|
350
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欠壓保護值
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P0.18
|
2
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回饋運行中
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手動模式
當運行指令給定時，回饋單元一直回饋。
回饋模式：
自動模式
自動運行時，回饋單元檢測母線電壓，自動執行運行停止。
當母線電壓大于P0.04開始回饋電壓時，回饋開始。
當母線電壓小于P0.04－P0.05電壓值時，回饋停止。
手動模式
當運行指令給定時，回饋單元一直回饋。
由于變頻器安裝在野外，勝利油田當地的氣候因素，晝夜溫差大，易結露。為解決此問題，需在柜體內安裝加熱與抽濕裝置。
經過較長時間的應用比較，多套設備均運行穩定，且節能效果十分明顯，節能率達到了40%～50%。電網質量顯著提高。
（4）共直流母線方式
對于同一井場上有多口油井的場所，可以采用共用直流母線系統方案,即若干臺抽油機的變頻器將其直流母線聯結在一起，利用各變頻器的回饋能量不可能在同時發生的原理，將某一臺變頻器的回饋能量作為其它變頻器的動力。這樣即節約了能量，又防止了泵升電壓的產生。此方式可以搭配方式（2）或（3）使用，效果更佳。
應用案例
CHV100-055G-4在中原油田應用成功
此方案參數設置方面與（2）、（3）區別不大。僅在接線圖上有所區別，現將有差異部分做簡圖繪出，如圖6。其他控制接線部分基本與上述兩方案雷同。
由于油井分布地理位置限制，此方案中大多為3臺～4臺變頻器共一組直流母線。
此方案應用情況良好，節能效果明顯，約為40%左右，且前期投入較適中。其必需條件是油井分布需在限制距離以內。
2. 3節能原理與數據分析
根據電機學原理：
其中：
n=電機轉速
s=轉差率
p=電機極對數
以上可以看出，通過改變運行頻率，可以改變電機的運行轉速。根據負載特性，電機運行轉速下降，則電機軸功率下降。另通過變頻改造，能量回饋單元將下沖程時產生的能量回饋給電網。另外，電網功率因數的提高所產成的節能效果也是十分可觀的。通過
INVT多個系列變頻器在我國多個大型油田的實際使用數據測算可得，在油田游梁式抽油機的應用中，變頻節能比可達30～50%，同時，產油量可增加20～30%。
結束語
總之，變頻調速技術作為高新技術、基礎技術和節能技術，其應用已經滲透到石油行業的各個技術部門。在游梁式抽油機控制應用還處于開始階段，在應用中也出現了許多問題，這些都待于進步解決。只有充分考慮油田油井的實際情況，才能促進變頻技術在采油設備中的應用。
參考文獻
[1] 深圳英威騰電氣股份有限公司.《
INVT中壓系列變頻器說明書》.[M],2009
[2] 深圳英威騰電氣股份有限公司.《CHV100矢量變頻器說明書》. [M],2009
[3] 石油工業出版社 《游梁式抽油機設計計算》 .[M],2005
