變頻器在油田抽油機節能應用問題探討

吳永波

（大慶油田建設集團有限責任公司工程公司第七工程處，黑龍江 大慶 163517）

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。

變頻調速器具有低速軟啟動，轉速可以平滑地大范圍調節，對電動機保護功能齊全，如短路、過載、過壓、欠壓及失速等，可有效地保護電機及機械設備，具有運行平穩、可靠，提高功效等諸多優點，是抽油設備改造的理想方案。但是，將變頻器用于抽油機拖動時，也有幾個問題需要解決，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.閉環控制的采樣問題

抽油機利用變頻器調速，使之動態適應油井負荷的變化，達到節電的目的，必須要加外部傳感器，否則無法實現閉環智能控制，只能實現人工定值控制。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。流量檢測是最直觀、最準確的方法，如果能實現小流量檢測并解決防堵問題，應盡量采用流量傳感器。光桿載荷傳感器也能用來檢測井下液量的多少，與間抽控制不同的是，閉環調速控制只要求載荷的變化趨勢，不需要標定空抽設定值。光桿的平均載荷大，說明井下液量少，應減速運行，反之則可加速運行。電流控制不可取，因為這里除了配重的影響外，當電機調速時，電流也是隨著變化的，因此不能將電流信號用作控制依據。

2 、再生能量的處理問題

由于抽油機屬位能性負載，尤其當配重不平衡時，在抽油機工作的一個沖程中，會出現電動機處于再生制動工作狀態（發電狀態），電動機由于位能或慣性，其轉速會超過同步速，再生能量通過與變頻器逆變橋開關器件（IGBT）并聯的續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管整流橋供電，不能向電網回饋電能，所以反饋到直流母線的再生能量只能對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將會對濾波電容器和功率開關器件構成威脅，為了保護電容器及功率開關器件的安全，所以，變頻器都設置了直流母線電壓高保護停機功能。

2.1 增大變頻器直流母線上濾波電容器的容量，將再生能量儲存起來，等電動狀態時再釋放給電動機作功。這種方法對節能有利，但是電容器的儲能作用是有限的，在大容量或者負載慣量大的系統中，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，對節能不利。尤其是在大容量或者大慣量拖動系統中，能量的損失較大。

2.3 對于地處北方寒冷地區的抽油機，為了在冬季增加原油的流動性和防止結蠟，而對井口回油管進行電加熱，如采用中頻加熱裝置。這時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，這樣可將電動機回饋到直流母線上的再生能量用于中頻加熱器，同時又防止了直流母線電壓的泵升。

2.4 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可共用一臺整流器，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他變頻器的動力。這樣即節約了能量，又防止了泵升電壓的產生。

2.5 對于更大功率的系統，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，系統就更復雜，投資也就更高了。所謂的能量回饋裝置，其實就是一臺有源逆變器

3.沖擊電流問題

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。

據筆者對某油田18口井的調查，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，不能正常工作。

通過對抽油機曲柄配重塊的調整，可以使沖擊電流降到電機額定電流之內，沖擊電流與正常工作電流之比在1.5倍以內。這樣，選用與電機額定功率同容量的變頻器，甚至略小于電機額定功率的變頻器（要視抽油機電動機的負載率而定）都可以長期穩定運行。由于抽油機的起動扭矩往往很大，慣性也很大，所以要將變頻器的加減速時間設置得足夠長，一般為30～50s，才不致在起動時引起過載保護。

4.電磁兼容性問題

這里主要講電磁干擾（EMI）問題，即變頻器對微電腦控制器，傳感（變送）器及通信設備的干擾問題。變頻器是一個很強的電磁騷擾源，變頻器中的開關器件，以及SPWM電壓波形，會對控制及通信系統造成很大的干擾。干擾的途徑，除了感應、輻射之外，還包括傳導干擾，即通過連接導線傳導的干擾。在控制系統中，變頻器只是一個執行機構，它的運行頻率（速度）指令由控制器通過對油井液量等信號的控制運算后給予，變頻器就通過控制信號線，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。因為是傳導性干擾，采用屏蔽線是不解決問題的，要從信號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.結語

抽油機在油田的使用量大，而負載率普遍偏低，功率因數則更低，電能的無謂浪費嚴重，節能降耗潛力巨大。變頻調速系統，使抽油機動態適應油井負荷變化，也可方便地進行調參。配以流量、載荷等傳感器，可實現最經濟的控制。同時其軟起動性能好，對延長抽油機壽命，減少維護費用有利。能耗基本上與轉速成正比，在部分可以降速的場合可以節能。因此，應通過加大科研開發和應用力度，提高油田管理水平，提高油田技術人員和工人的文化素質，使變頻控制技術廣泛應用在我國各大油田抽油生產中，使我國在抽油機變頻控制技術方面繼續保持世界領先地位.

[1]張曉玲，于海迎.抽油機的節能技術及其發展趨勢[J]，石油和化工節能，2007，2

[2]鄧素玉，郭春生.節能降耗技術在抽油機井上的應用[J]，中外能源，2008，2

[3]趙鵬飛，油田抽油機節能方式綜述及解決方案[J]，科技資訊，2007，6