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武軍 （1974-）

男，河南省長葛市人，碩士，西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，講師，主要從事自動(dòng)控制與電力拖動(dòng)系統(tǒng)的研究。

摘要：本文結(jié)合游梁式抽油機(jī)生產(chǎn)應(yīng)用的實(shí)際情況，介紹了變頻調(diào)速設(shè)備在該類負(fù)載的應(yīng)用情況。詳細(xì)分析變頻改造原理及應(yīng)用可行性。

關(guān)鍵詞：變頻；抽油機(jī)；節(jié)能

Abstract: The paper introduces a real application of variable frequency speed regulation 
device in load oil beam pumping process, Detailed analysis is given to the variable 
frequency principle and its applicable feasibility.

Key words: variable frequency; oil pump; energy saving

1 引言

    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(gè)特殊行業(yè)，有其獨(dú)特的背景， 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。可見抽油機(jī)的節(jié)能潛力非常可觀。本文主要介紹變頻器在游梁式抽油機(jī)上的應(yīng)用。

2 CHV100變頻器在石化行業(yè)中的應(yīng)用

2.1 游梁式抽油機(jī)工作原理

    游梁式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示：

                               圖1   游梁式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)圖

    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)椋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)。

    工作時(shí)，驢頭懸點(diǎn)上作用的載荷是變化的。上沖程時(shí)，驢頭懸點(diǎn)提起與懸繩器相連的抽油桿柱和液柱，在抽油機(jī)未進(jìn)行平衡的條件下，電動(dòng)機(jī)就要付出很大的能量。在下沖程時(shí)，抽油機(jī)桿柱反轉(zhuǎn)而對電動(dòng)機(jī)做功，使電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。抽油機(jī)未進(jìn)行平衡時(shí)，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(dòng)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(diǎn)，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，這樣一來，在懸點(diǎn)下沖程時(shí)，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(gòu)成：油桿柱下落所釋放的位能與電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的能量。在上沖程時(shí)，平衡重由高處下落，把下沖程時(shí)儲(chǔ)存的位能釋放出來，幫助電動(dòng)機(jī)提升抽油桿和液柱，減少電動(dòng)機(jī)在上沖程時(shí)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(gè)工作循環(huán)中，有兩個(gè)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和兩個(gè)發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)平衡配重調(diào)節(jié)較好時(shí)，其發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)的時(shí)間和產(chǎn)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(jī)本身配置的平衡裝置，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的運(yùn)行耗能最小化。由于原油的稠度等是時(shí)刻變化的，但是配置不能實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，所以勢必造成大部分能量的浪費(fèi)，及設(shè)備壽命的縮短。另外，上沖程時(shí)，電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，從電網(wǎng)吸收電能；下沖程時(shí)，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，釋放能量，電能直接回饋給電網(wǎng)，造成抽油機(jī)供電系統(tǒng)功率因數(shù)降低，對電網(wǎng)質(zhì)量影響較大。

    （2）變頻改造，加裝制動(dòng)單元

    如圖2所示。在變頻器主回路直流母線兩端加制動(dòng)電阻和制動(dòng)單元。在加裝變頻器后，電動(dòng)機(jī)進(jìn)入再生發(fā)電狀態(tài)時(shí)，其產(chǎn)生的電能沒有逆向流回電網(wǎng)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(shí)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(dòng)單元和制動(dòng)電阻的原因。CHV100（18.5kW以下機(jī)型內(nèi)置制動(dòng)單元）系列可以選配制動(dòng)單元，完全可以達(dá)到理想中的控制效果。

                                     圖2   變頻器加制動(dòng)單元

    對于變頻器加裝制動(dòng)單元的情況，發(fā)電產(chǎn)生的能量不能回饋至電網(wǎng)而是就地消耗，所以還是會(huì)造成能量的浪費(fèi)。但加裝變頻裝置后，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)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(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。CHV100內(nèi)置的AVR功能可根據(jù)負(fù)載特性，智能調(diào)節(jié)輸出。一方面可達(dá)到節(jié)能目的，同時(shí)還可以增加原油產(chǎn)量。避免電網(wǎng)質(zhì)量的下降，減小抽油機(jī)工作過程對電網(wǎng)的影響。此方式的缺點(diǎn)是必須解決制動(dòng)電阻散熱及壽命問題。

    應(yīng)用實(shí)例：

    CHV100-055G-6在江漢油田游梁式抽油機(jī)上成功應(yīng)用。

    根據(jù)江漢油田采油工況，采用變頻器加裝制動(dòng)單元對其部分油井抽油機(jī)進(jìn)行變頻節(jié)能改造。江漢油田原油稠度不大，負(fù)載率比較低。采用再生能量就地耗散方案方能達(dá)到預(yù)期效果。且制動(dòng)電阻散熱問題僅通過加裝柜頂風(fēng)扇便可順利解決。

    其接線圖如圖3所示：

                               圖3   接線圖(制動(dòng)單元耗能方式)

                                           配置表

電機(jī)參數(shù)	變頻器型號	制動(dòng)單元型號	制動(dòng)電阻參數(shù)
55KW/690V	CHV100-055G-4	DBU-B5-064	10?/12000W

                                        主要參數(shù)表

功能碼	數(shù)值	描述
P0.00	0	需正確設(shè)置P2組參數(shù)，進(jìn)行電機(jī)自學(xué)習(xí)，以提高低頻輸出轉(zhuǎn)矩
P0.01	1	端子運(yùn)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(diào)節(jié)變頻器輸出頻率
P0.07～P0.09	——	根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置
P0.11～P0.12	——	根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置
P1.00	1	無
P2.00～P2.05	——	根據(jù)電機(jī)銘牌設(shè)置
P4.10	1	智能節(jié)能
P4.11	1	自動(dòng)節(jié)能運(yùn)行
P5.02	1	正轉(zhuǎn)運(yùn)行
P6.04	1	正轉(zhuǎn)運(yùn)行中
P6.05	3	故障輸出
P6.07	3	運(yùn)行電流顯示
P8.32	缺省	出廠內(nèi)置，無需更改。

    上述電路接線圖可實(shí)現(xiàn)工變頻轉(zhuǎn)換，其中K1與K2互鎖。K1與K3導(dǎo)通，變頻運(yùn)行；K2導(dǎo)通工頻運(yùn)行。制動(dòng)率由制動(dòng)單元控制板撥碼開關(guān)確定。

    該套系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試，運(yùn)行正常，經(jīng)檢測，網(wǎng)側(cè)功率因素有大幅提高。跟蹤后期使用情況，與無變頻時(shí)比較，節(jié)能約30%左右。符合預(yù)期。

    （3）變頻改造，加裝能量回饋單元。

    制動(dòng)電阻的散熱壽命問題及節(jié)能效果不理想成為方案（2）實(shí)際應(yīng)用中的技術(shù)瓶頸。針對上述情況，為實(shí)現(xiàn)節(jié)能優(yōu)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(wǎng)。

    所謂能量回饋裝置，其實(shí)就是一臺(tái)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(diǎn)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。

                                圖4   變頻器加能量回饋單元

    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(dòng)機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)，軟停車及過程調(diào)速控制功能。其具備起動(dòng)電流小、速度平穩(wěn)、性能可靠、對電網(wǎng)沖擊小等優(yōu)點(diǎn)， 避免對電動(dòng)機(jī)、變速箱、抽油機(jī)造成機(jī)械沖擊，大大延長設(shè)備的使用壽命，減少停產(chǎn)時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率，提高了電網(wǎng)質(zhì)量。

    應(yīng)用案例

    CHV100-075G-4在勝利油田游梁式抽油機(jī)上成功應(yīng)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(jī)的負(fù)載率大。為實(shí)現(xiàn)節(jié)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(zhuǎn)換電路與圖3中類似，不再畫出。回饋單元型號為：RBU-075G-4。

                              圖5   標(biāo)準(zhǔn)接線圖[再生能量回饋方式]

                                    主要參數(shù)表【變頻器部分】

功能碼	數(shù)值	描述
P0.00	0	需正確設(shè)置P2組參數(shù)，進(jìn)行電機(jī)自學(xué)習(xí)，以提高低頻輸出轉(zhuǎn)矩
P0.01	1	端子運(yùn)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(diào)節(jié)變頻器輸出頻率
P0.07～P0.09	——	根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置
P0.11～P0.12	——	根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置
P1.00	1	無
P2.00～P2.05	——	根據(jù)電機(jī)銘牌設(shè)置
P4.10	1	智能節(jié)能
P4.11	1	自動(dòng)節(jié)能運(yùn)行
P5.02	1	正轉(zhuǎn)運(yùn)行
P6.04	1	正轉(zhuǎn)運(yùn)行中
P6.05	3	故障輸出
P6.07	3	運(yùn)行電流顯示

                                  主要參數(shù)表【回饋單元部分】

功能碼	數(shù)值	描述
P0.00	1	1：端子控制： 端子S1有效：自動(dòng)模式 ；端子S2有效：手動(dòng)模式
P0.01	0	鍵盤控制，手動(dòng)模式
P0.04	650	設(shè)置回饋開始電壓閥值
P0.05	12	回饋電壓滯環(huán)（容差）
P0.06	2	無
P2.00～P2.05	——	根據(jù)電機(jī)銘牌設(shè)置
P0.11	0	AO輸出直流母線電壓
P0.16	0	啟動(dòng)即運(yùn)行
P0.19	350	欠壓保護(hù)值
P0.18	2	回饋運(yùn)行中

    回饋模式：

    自動(dòng)模式

    自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，回饋單元檢測母線電壓，自動(dòng)執(zhí)行運(yùn)行停止。

    當(dāng)母線電壓大于P0.04開始回饋電壓時(shí)，回饋開始。

    當(dāng)母線電壓小于P0.04 ~ P0.05電壓值時(shí)，回饋停止。 

    手動(dòng)模式

    當(dāng)運(yùn)行指令給定時(shí)，回饋單元一直回饋。

    由于變頻器安裝在野外，勝利油田當(dāng)?shù)氐臍夂蛞蛩兀瑫円箿夭畲螅捉Y(jié)露。為解決此問題，需在柜體內(nèi)安裝加熱與抽濕裝置。

    經(jīng)過較長時(shí)間的應(yīng)用比較，多套設(shè)備均運(yùn)行穩(wěn)定，且節(jié)能效果十分明顯，節(jié)能率達(dá)到了40%～50%。電網(wǎng)質(zhì)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(tǒng)方案,即若干臺(tái)抽油機(jī)的變頻器將其直流母線聯(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它變頻器的動(dòng)力。這樣即節(jié)約了能量，又防止了泵升電壓的產(chǎn)生。此方式可以搭配方式（2）或（3）使用，效果更佳。

    應(yīng)用案例

    CHV100-055G-4在中原油田應(yīng)用成功

    此方案參數(shù)設(shè)置方面與（2）、（3）區(qū)別不大。僅在接線圖上有所區(qū)別，現(xiàn)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(tái)～4臺(tái)變頻器共一組直流母線。

                               圖6   接線簡圖【共直流母線方式】

    此方案應(yīng)用情況良好，節(jié)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(nèi)。

2.3 節(jié)能原理與數(shù)據(jù)分析

    根據(jù)電機(jī)學(xué)原理：
                                                                                   (1)

    其中：

    n=電機(jī)轉(zhuǎn)速

    s=轉(zhuǎn)差率

    p=電機(jī)極對數(shù)

    以上可以看出，通過改變運(yùn)行頻率，可以改變電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速。根據(jù)負(fù)載特性，電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速下降，則電機(jī)軸功率下降。另通過變頻改造，能量回饋單元將下沖程時(shí)產(chǎn)生的能量回饋給電網(wǎng)。另外，電網(wǎng)功率因數(shù)的提高所產(chǎn)成的節(jié)能效果也是十分可觀的。通過INVT多個(gè)系列變頻器在我國多個(gè)大型油田的實(shí)際使用數(shù)據(jù)測算可得，在油田游梁式抽油機(jī)的應(yīng)用中，變頻節(jié)能比可達(dá)30～50%，同時(shí)，產(chǎn)油量可增加20～30%。

3 結(jié)束語

    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(gè)技術(shù)部門。在游梁式抽油機(jī)控制應(yīng)用還處于開始階段，在應(yīng)用中也出現(xiàn)了許多問題，這些都待于進(jìn)步解決。只有充分考慮油田油井的實(shí)際情況，才能促進(jìn)變頻技術(shù)在采油設(shè)備中的應(yīng)用。


參考文獻(xiàn)

[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. 2009. 

[2]深圳英威騰電氣股份有限公司. CHV100矢量變頻器說明書. 2009.

[3]張建軍, 李向齊, 石惠寧. 游梁式抽油機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算 [M]. 北京: 石油工業(yè)出版社, 2005.