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1、变频器在油田磕头机上的应用一、 前言进入 21 世纪，变频调速技术得益于其优异的节能特性和调速特性，在我国油田中得到广泛应用，中国产值能耗是世界上最高的国家之一。要解决产品能耗问题，除其它相关的技术 问题需要改进外，变频调速技术已成为节能及提高产品质量的有效措施。油田作为一个特别行业，有其独特的背景，油田中变频器的应用主要集中在游梁式抽油 机掌握、电潜泵掌握、注水井掌握和油气集输掌握等几个场合。游梁式抽油机俗称“磕头 机”，是目前各个油田所普遍承受的抽油机，但是目前的抽油机系统普遍存在着效率低、能耗大、冲程和冲次调整不便利等明显的缺点。本文主要介绍 SAJ 变频器在游梁式抽油机上的应用。一、
2、磕头机的工作原理当磕头机工作时，驴头悬点上作用的载荷是变化的。上冲程时，驴头悬点需提起抽油杆 柱和液柱，在抽油机未进展平衡的条件下，电动机就要付出很大的能量。在下冲程时，抽油 机杆柱转而对电动机做功，使电动机处于发电机的运行状态。抽油机未进展平衡时，上、下 冲程的载荷极度不均匀，这样将严峻地影响抽油机的四连杆机构、减速箱和电动机的效率和 寿命，恶化抽油杆的工作条件，增加它的断裂次数。为了消退这些缺点，一般在抽油机的游 梁尾部或曲柄上或两处都加上了平衡重，如图 1 所示。这样一来，在悬点下冲程时，要把平衡重从低处抬到高处，增加平衡重的位能。为了抬高平衡配重，除了依靠抽油杆柱下落所释 放的位能外，
3、还要电动机付出局部能量。在上冲程时，平衡重由高处下落，把下冲程时储存 的位能释放出来，帮助电动机提升抽油杆和液柱，削减了电动机在上冲程时所需给出的能量。目前使用较多的游梁式抽油机，都承受了加平衡配重的工作方式，因此在抽油机的一个工作 循环中，有两个电动机运行状态和两个发电机运行状态。当平衡配重调整较好时，其发电机 运行状态的时间和产生的能量都较小。二、 变频器在抽油机的掌握问题目前，在成功油田承受的抽油设备中，以游梁式抽油机最为普遍，数量也最多。其数量达十万台以上。抽油机用电量约占油田总用电量的40%，运行效率格外低，平均运行效率只有 25%，功率因数低，电能铺张大。因此，抽油机节能潜力格外巨
4、大，石油行业也是推广“电机系统节能”的重点行业。2.1 变频器在抽油机的掌握问题主要表达在如下几个方面一方面是再生能量的处理问题,如图 2 所示，游梁式抽油机运动为反复上下提升，一个冲程提升一次，其动力来自电动机带动的两个重量相当大的钢质滑块，当滑块提升时，类似杠 杆作用，将采油机杆送入井中；滑块下降时，采油杆提出带油至井口，由于电动机转速肯定， 滑块下降过程中，负荷减轻，电动机拖动产生的能量无法被负载吸引，势必会查找能量消耗 的渠道，导致电动机进入再生发电状态，将多余能量反响到电网，引起主回路母线电压上升， 势必会对整个电网产生冲击，导致电网供电质量下降，功率因数降低的危急；频繁的高压冲 击
5、会损坏电动机，造成生产效率降低、维护量加大，极不利于抽油设备的节能降耗，给企业造成较大经济损失。另一方面是冲击电流问题，如图二所示游梁式抽油机是一种变形的四连杆机构，其整机 构造特点像一架天平，一端是抽油载荷，另一端是平衡配重载荷。对于支架来说，假设抽油 载荷和平衡载荷形成的扭矩相等或变化全都，那么用很小的动力就可以使抽油机连续不连续 地工作。也就是说抽油机的节能技术取决于平衡的好坏。在平衡率为100时电动机供给的 动力仅用于提起 1/2 液柱重量和抑制摩擦力等，平衡率越低，则需要电动机供给的动力越大。由于，抽油载荷是每时每刻都在变化的，而平衡配重不行能和抽油载荷作完全全都的变化， 才使得游梁
6、式抽油机的节能技术变得格外简单。因此，可以说游梁式抽油机的节能技术就是 平衡技术。对长庆油田几十口油井的调查显示，只有12 口井的配重平衡较好，绝大局部抽油机的配重严峻不平衡，其中有一半以上口井的配重偏小，另有几口井配重又偏大，从而造成过大 的冲击电流，冲击电流与工作电流之比最大可超过5 倍，甚至超过额定电流的 3 倍。不仅无谓铺张掉大量的电能，而且严峻威逼到设备的安全。同时也给承受变频器调速掌握造成很大的困难：一般变频器的容量是按电动机的额定功率来选配的，过大的冲击电流会引起变频器 的过载保护动作而不能正常工作。除上述两方面问题外，油田采油的特别地理环境打算了采油设备有其独特的运行特点：在油
7、 井开采前期储油量大，供液足，为提高成效可承受工频运行，保证较高产油量；在中后期，由于石油储量削减，易造成供液缺乏，电动机假设仍工频运行，势必铺张电能，造成不必要损耗，这时须考虑实际工作状况，适当降低电动机转速，削减冲程，有效提高充盈率。2.2 游梁式抽油机的变频改造主要有以下3 个方面(1) 大大提高了功率因数可由原来的 0.250.5 提高到 0.9 以上，大大减小了供电视在电流，从而减轻了电网及变压器的负担，降低了线损，可省去大量的“增容”开支.这 主要集中在供电企业对电网质量要求较高的场合，为避开电网质量的下降，需引入变频掌握， 其主要目的就是减小抽油机工作过程对电网的影响。(2) 以
8、节能为第一目标的变频改造。这点较普遍，一方面，油田抽油机为抑制大的起动 转矩，承受的电动机远远大于实际所需功率，工作时电动机利用率一般为 20%30%，最高不会超过 50%，电动机常处于轻载状态，造成资源铺张。另一方面，抽油机工作状况的连续变化，取决于地底下的状态，假设始终处于工频运行，也会造成电能铺张。为了节能，提高电动机工作效率，需进展变频改造。(3) 由于实现了真正的“软起动”，对电动机、变速箱、抽油机都避开了过大的机械冲 击，大大延长了设备的使用寿命，削减了停产时间，提高了生产效率。以提高电网质量和节 能为目的的变频改造。这种状况综合了上面两种改造的优点，是应用中的一个重要进展方向。三
9、、 抽油机的技术进展第一代：最先的抽油机主马达主要是承受三相异步电机启动，三相异步电动机启动运行 缺点就是没有调速功能，只能保持一个恒速，严峻影响产油量。这种不带保护的抽油机电机掌握方式已经退出了历史舞台。其次代：由于直流电动机的面世，也加快了直流电机在抽油机上的应用，从而替代了异步电机的使用。承受直流调速的方法明显的优胜三相异步电机，产油量也高了很多；但直流电动机本钱比较高，其调速性能也不是很抱负。第三代：承受变级电机调速，就是转变电机极对数来到达调速的目的，常承受4832 极多速电机实现。但其装置比较简单，占用空间也比较大，设备寿命短，稳定性不太好。第四代：变频调速技术，由于变频调速技术已
10、成为节能及提高产品效益质量的有效措施， 油田中变频器应用在游梁式抽油机已经格外广泛。由于油井的类型和工况千差万别，井下渗 油和渗水量每时每刻都在变抽油机的负载变化是无规律的，故承受变频调速技术，使抽油 机的运动规律适应油井的变化工况，实现抽油系统效率的提高，到达节能增产的目的。下面钟对变频器在油田嗑头机中的应用，例出几个应用方案做简要论述。四、 变频技术在抽油机的应用方案介绍4.1 变频器加制动单元掌握在变频器主回路直流母线两端加制动电阻和制动单元，由于抽油机起动时需要大力矩， 上升段也需要大力矩，而在下降段电机处在发电状态。最关建的就是下降段，这个过程是连续运转的，同时随油的稠度，井深，产量
11、调整往复运动次数/MIN，导致电动机进入再生发电状态，将多余能量反响到电网，引起主变频器主回路直流母线电压上升此问题在文章第2 节提到过，而电能没有流回电网的通路，必需用电阻来就地消耗，这就是我们在变频器上必需使用制动单元和制动电阻的缘由，现在大功率变频器一般都可以定制动单元，完全可以 到达抱负中的掌握效果。对于上述第一种状况，承受一般变频器加能耗制动单元可较便利实现，这是以多耗电能 为代价的，主要由于发电能量不能回馈电网造成。在未承受变频器时，电动机处于电动状态 时，从电网吸取电能；电动机处于发电状态时，释放能量，电能直接回馈电网的，并未在本地设备上消耗掉。综合表现为抽油机供电系统的功率因数
12、较低，对电网质量影响较大。4.2 变频器加回馈单元掌握由于在变频器的直流上加制动电阻解决不了实际问题，由于制动电阻的散热解决不了， 变频掌握柜壳的散热都要解决何况发热的电阻，变频器发热。接通制动电阻的开关管的寿命 会在频繁的长时间的开起过程中损坏。针对上述状况，为了回馈再生能量，提高效率，可以 承受能量回馈装置，将再生能量回馈电网，固然这样一来，系统就更简单，投资也就更高了。所谓能量回馈装置，其实就是一台有源逆变器。按承受的功率开关器件的不同又可以分 为晶闸管SCR有源逆变器及绝缘栅双极型晶体管IGBT逆变器两种，它们的共同特点是可以将变频器直流回路的电压反响到电网，如以下图4 所示。加装能量
13、回馈单元的变频器适用于沟通50HZ，额定电压 380V 的异步电动机和永磁同步电动机，实现软起动，软停车和调速运行过程掌握。具有起动电流小、速度平稳、性能牢靠、对电网冲击小等优点，可实现上下速度任意调整和闭环掌握运行；用户可依据油井的液位、压力确定抽油机的冲机、速度和产液量，降耗节能，是高泵效；使设备削减磨损，延长使用寿命，高效节能低本钱，实现在最大节能状态下的自动化运行。4.3 四象限变频器技术掌握对于第一种状况和其次种状况，必需妥当的处理电动机发电状态产生的电能，必需将其 反响到电网，否则通过调整抽油机的冲程节约的电能可能不能抵消变频器制动单元消耗的电能，造成变频运行时反而耗能，与节能的目
14、标背道而驰。为了解决这个问题，有必要对一般变频器进展改造，在构造上引入双 PWM 构造的变频器如以下图 5 所示，保证发电状态产生的电能回馈电网;在掌握方法引入自适应掌握以适应游梁式抽油机多变的工作环境。4.3.1 四象限变频器工作原理当电机工作在电动状态的时候，整流掌握单元的DSP 产生 6 路高频的 PWM 脉冲掌握整流侧的 6 个 IGBT 的开通和关断。IGBT 的开通和关断与输入电抗器共同作用产生了与输入电压相位全都的正弦电流波形，这样就消退了二极管整流桥产生的 6K1 谐波。功率因数高达99%。消退了对电网的谐波污染。此时能量从电网经由整流回路和逆变回路流向电机，变频器工作在第一、第三象限。当电动机工作在发电状态的时候，电机产生的能量通过逆变侧的二极管回馈到直流母线， 当直流母线电压超过肯定的值，整流侧能量回馈掌握局部启动，将直流逆变成沟通，通过控 制逆变电压相位和幅值将能量回馈到电网，到达节能的效果。承受带有PWM 掌握整流器变频器具有四象限运行的功能，能满足各种位势负载的调速要求， 可就电机的再生能量转化为电能送回电网，到达最大限度的节能的目的。不仅如此，它还可 削减电源的谐波污染，功率因数可接近于1，是一种真正的“绿色”变频器。整流器变频器五、 总结总之，变频调速技术作为高技术、根底技术和节能技术，其应用已经渗透到石油行业的各个技术部门。