變頻控制技術在塔架式抽油機中的應用

倫昌海　殷紅　趙建強

摘 要：本文借助工作中的實際應用，從塔架式抽油機的研發背景出發，簡單介紹了其運行原理，說明了變頻控制技術在其中的主要作用，并且重點對工程實踐中發現的問題進行了深入的分析，找到了產生問題的原因，并提出了針對性的改進建議。文章從電氣控制的角度說明了塔架式抽油機優點與局限性，對塔架式抽油機的改進和發展具有較好的指導意義。

關鍵詞：變頻控制技術；抽油機

1.塔架式抽油機的研發背景及簡介

近年來國內油田開發后期，隨著井深的增加及高粘度稠油的開采，游梁式抽油機的泵效不斷降低。因此，采油工程對抽油機提出了大懸點力、長沖程、低沖次的新要求。

游梁式抽油機因受減速箱輸出扭矩和減速比的限制，既難以實現大懸點載荷，又難以實現低沖次運行。在此背景下，國內廠家競相推出了各自研發設計的塔架式抽油機。該類型抽油機不但能滿足機械采油的各項要求，而且還彌補了傳統游梁式抽油機的不足。

塔架式抽油機分為基礎部分、塔架部分、傳動部分等三部分，其中傳動部分包括機械系統和控制系統，機械系統主要由底座、塔架、上平臺、導向輪、導向臂、滾筒、平衡部件，與傳統游梁式抽油機相比，省略了曲柄四連桿換向機構。

2.抽油機運行控制要求

在原油的機械開采過程中，根據地下抽油泵往復直線工作的特點，必須實現光桿的上下運行，才能實現地下油液的抽汲。這也是一切有桿采油機械設計的基本要求。

常規游梁式抽油機利用曲柄連桿機構，將驅動裝置的旋轉運動轉換為游梁的往復運動，進而帶動光桿上下直線運行。在這個過程中，所有的傳動機構均為剛性連接，設備的機械效率低，驅動設備的能耗大，而且由于抽油機運行過程中負荷波動劇烈，對驅動電機有較大的沖擊，時間久了直接導致電機損壞。

3.塔架式抽油機的工作原理

塔架式抽油機的光桿側與配重側采用鋼絲繩柔性連接，構成一個天平結構的平衡系統。在光桿下行時，將勢能儲存起來，上行時釋放出來，平衡精度可達96%以上，無功損耗大幅降低。

塔架式抽油機電氣控制的核心要求是實現智能換向控制，電氣控制系統主要包括矢量型通用變頻器、PLC控制器、接近傳感器等，所用電氣設備技術成熟，性能可靠，適應性強。

當抽油機運行時，安裝在傳動部件上的接近傳感器，檢測到上下沖程的位置信號，并將信號傳送至PLC控制器，PLC控制器收到信號，根據程序判斷，然后給變頻器發出正轉或反轉信號，變頻器根據程序指令驅動電動機正轉或反轉。

4.變頻控制的特點

4.1操作簡便，維護量小

日常生產中，塔架式抽油機可以根據油井工況，隨時對沖程、沖次進行調整，方便快捷，省時省力。通過變頻控制柜中控制面板調整輸出頻率，進而調節電機轉速，實現沖次調整。通過控制柜中參數調整部分，直接設定沖程距離，實現沖程調整。

4.2軟啟動，恒轉矩，低能耗

變頻控制的軟啟動、恒轉矩特性，可以有效地解決抽油機電機在驅動大慣量負載換向時的電流沖擊問題。換向過程平穩，慣性載荷小，大大提高設備整體的穩定性。而且電動機在運行過程中，工作電壓隨著載荷的變化而變化，有效降低了無功損耗。

4.3長沖程，低沖次

塔架式抽油機采用變頻控制后，沖次可以實現無級調節，最大設計沖程可達6米，最小沖次為0.5次/分鐘，遠遠超過常規游梁抽油機的范圍，適合于低滲透、高粘度的油田工況，有利于提高采收率。

4.4易于實現設備的自動化控制

采用變頻控制后，塔架式抽油機的電氣自動化程度較游梁式抽油機有了很大提高，可以實現失電制動、限位保護、遠距離遙控等功能，提高了工作效率，降低勞動強度。

5.塔架式抽油機變頻控制的局限性

5.1現象及危害

作為抽油機自身來說，在實際應用中有具體的沖程和沖次要求。當抽油機沖程足夠長而且不變的時候，沖次的變化實際上就是電機轉速快慢的變化，反應到變頻器中就是頻率的高低變化。以試驗中的塔架式抽油機為例，該機設計沖程為3米，懸點載荷為6T。通過粗略測試，其頻率與沖程時間的對應關系如下表。

通過表1的數據我們可以看出，隨著變頻器運行頻率的提高，完成每個沖程所需的時間會越來越短。

試驗中我們發現，當變頻器頻率超過20Hz時，抽油機運行到沖程末端，電機并不是根據程序要求，執行換向動作，而是繼續保持同向運轉一段時間后，才執行換向旋轉。而且，不同的頻率時持續時間和出現頻率也不相同，當變頻器運行頻率越高時，該問題發生的頻率也越大，換向前的遲滯時間也越長。在低頻率運行時，該現象并不發生。

如過不能找出該現象的根本原因，進行有針對性地解決，將直接影響抽油機的可靠運行。如果配重箱升到最高點后，傳動裝置將直接被卡死，電機發生堵轉或皮帶打滑，影響電機或皮帶使用壽命。如果是懸繩器上升到最高點后，如果不被卡死，有可能會繼續上升，導致鋼絲繩脫離導向輪，抽油桿墜落，造成停井事故發生。在實際應用中，塔架式抽油機通常都帶有限位保護，雖然可以避免以上兩種情況，卻會導致頻繁停機。

5.2原因分析

變頻器作為一種交流調速裝置，在大負載時具有優良的啟動和調速性能。當驅動的電動機滿載運行時，變頻器需要設置合適的啟動時間、加速時間和減速時間，當進行換向控制時，也需要設置合適的正反轉死區時間。在控制系統中，變頻器的運行參數設置如下。

通過試驗，我們發現除了“停止時直流制動時間”一項參數，在停機時有效外，抽油機能否正常運轉與另外四項參數的設置是否得當密切相關，而且與抽油機每沖的運行時間之間必須滿足以下關系。

2（T啟+T加+T減+ T死）≤T

其中，N為沖次；

T啟為啟動時間；T加為加速時間；T減為減速時間；T制為制動時間；

在表2中，T啟+T加+T減+ T死為14s，一個完整的行程中，變頻器正常運行最低需要28s。當抽油機的一個沖程時間大于28s時，變頻器可以正常運行；反之，變頻器正常運行的時間不足，將會導致抽油機換向延遲現象的發生。為了驗證我們的判斷，我們在高于20Hz的頻率中隨意選擇了幾個點來測試，結果每次都會發生該現象。

在變頻控制換向的塔架式抽油機中，變頻器的啟停運行時間與抽油機的沖程時間密切相關。在沖程、沖次一定的情況下，加減速時間越長，變頻器啟動與運行越平穩，但是越容易超出設定沖次的時間，導致在換向點不換向的現象發生；當沖程時間過短或沖次過高，變頻器時間量的設置范圍也會縮小，如果在設定范圍內達不到正常運行的時間要求，就會造成變頻器頻繁的過載報警。這直接決定了塔架式抽油機無法在短沖程、高沖次下運行。

5.3解決措施

要解決這個問題可以從兩方面考慮，一是對變頻器進行增容，提高其過載的能力；二是選用高輸出扭矩的電動機，提高啟動性能，縮短加速時間。

變頻器增容后，過載能力有較大提高，對啟動與加速時間有了更低的要求，但是卻形成“大馬拉小車”的現象，不僅提高配套成本，還造成設備浪費。而且不能從根本上解決問題。

選用高輸出扭矩的電機，特別是低速扭矩大、響應快、短時加速性能好的電機，是解決該問題的重要途徑。

6.結論及認識

（1）變頻控制技術在塔架式抽油機中的應用，本質是利用變頻器進行換向控制的應用。

（2）在塔架式抽油機中，變頻技術可以完全滿足控制要求，而且操作簡單，易于實現機電連鎖保護。

（3）變頻器在驅動大慣量負載進行頻繁換向控制時，必須根據工藝要求對時間參數、頻率參數、電機參數和控制方式參數進行優化設置，否則變頻器將無法可靠運行。

（4）塔架式抽油機只適用于長沖程、低沖次的油井，這一特點也限制該類型抽油機應用范圍，制約著其全面推廣，使其無法從根本上替代傳統游梁式抽油機。

參考文獻：

[1]馬強.《塔架式長沖程抽油機原理及應用》.石油礦場機械，2008年1月

[2]尚會志.《塔架式數控抽油機的應用價值》.中國石油企業，2009年.06期

[3]李成群.《PLC在智能塔架式抽油機上的應用》.石油機械，2010年.06期