關(guān)鍵詞：油田 抽油機(jī) 變頻器 能源
1.引言
目前，我國油田使用的抽油機(jī)80%以上是采用旋轉(zhuǎn)電機(jī)為動力源的游梁式抽油機(jī)，工作時將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為上限往復(fù)運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)舉升采油。由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，中間傳動部件多，機(jī)械損耗大，使得系統(tǒng)整體效率很低，一般不超過30%。近年來研究人員提出了許多新的抽油機(jī)系統(tǒng)設(shè)計方案，如塔式抽油機(jī)、直線電機(jī)抽油機(jī)等技術(shù)的應(yīng)用正逐漸成為新的研究熱點(diǎn)。
2.游梁式抽油機(jī)解決方案
2.1項(xiàng)目背景
游梁式抽油機(jī)運(yùn)動為反復(fù)地上下提升，一個沖程提升一次，其動力來自于電動機(jī)帶動的兩個重量相當(dāng)大的平衡塊，當(dāng)平衡塊提升時，將采油機(jī)桿送入井中，平衡塊下降時，采油桿提出帶油至井口。由于電機(jī)轉(zhuǎn)速一定，在滑塊下降過程中，負(fù)荷減輕，電機(jī)拖動產(chǎn)生的能量無法被負(fù)載吸引，導(dǎo)致電機(jī)進(jìn)入再生發(fā)電狀態(tài)，將多余的能量反饋到電網(wǎng)，引起主回路母線電壓的升高，勢必會對整個電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，導(dǎo)致電網(wǎng)供電質(zhì)量下降，功率因數(shù)降低，頻繁的高壓沖擊會損壞電機(jī)，縮短電機(jī)壽命、維護(hù)量加大。
另一方面游梁式抽油機(jī)為了克服大的起動轉(zhuǎn)矩，采用的電動機(jī)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際所需功率，工作時電動機(jī)的利用率一般在20%~30%之間，最高不會超過50%，電動機(jī)經(jīng)常處于輕載狀態(tài)，造成了電動機(jī)資源的浪費(fèi)。并且抽油機(jī)的工作情況是連續(xù)變化的，這些都取決于地底下的狀態(tài)，若始終處于工頻運(yùn)行，勢必也會造成電能的浪費(fèi)。為了節(jié)能，提高電動機(jī)的工作效率，需進(jìn)行變頻改造。
圖1游梁式抽油機(jī)
2.2方案介紹
為了回饋再生能量，提高效率，采用能量回饋裝置，將再生能量回饋電網(wǎng)。所謂能量回饋裝置，其實(shí)就是一臺有源逆變器。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)。
圖2變頻器+能量回饋單元
2.3方案特點(diǎn)
通過油田現(xiàn)場測試的抽油機(jī)的示功圖表明變頻器組成數(shù)字化抽油機(jī)運(yùn)行良好，抽油機(jī)工作在最佳的狀態(tài)。變頻器作為控制的解決方案在數(shù)字化抽油機(jī)應(yīng)用中有如下優(yōu)點(diǎn)：
（1）變頻解決方案，可以根據(jù)現(xiàn)場油井負(fù)荷大小使抽油機(jī)達(dá)到最佳的平衡狀態(tài)，根據(jù)油井的產(chǎn)液量使抽油機(jī)工作在合理的沖次，并根據(jù)油井工況對抽油機(jī)進(jìn)行有效的保護(hù)；從而最大限度的使抽油機(jī)的運(yùn)行參數(shù)與油井參數(shù)相一致，發(fā)揮抽油機(jī)的工作能力，實(shí)現(xiàn)低碳開發(fā)和節(jié)能開采；
（2）變頻器內(nèi)置的通訊功能，提供RS485通訊接口，使之與RTU控制模塊的通訊連接更加簡便；
（3）模塊化設(shè)計，系統(tǒng)的維護(hù)更加簡單；
（4）變頻器具有短路、過載、過壓、缺相、失速等多種保護(hù)和故障輸出功能，能有效保證系統(tǒng)安全高效的運(yùn)行；
（5）可以通過站控平臺有效實(shí)現(xiàn)變頻器的參數(shù)調(diào)整及管理要求，實(shí)現(xiàn)真正意義上的井場無人值守。
2.4客戶反饋
勝利油田某采油廠2012年使用能量回饋式電磁調(diào)速電動機(jī)135臺。經(jīng)測試其平均噸液有功節(jié)電率為32％，平均噸液無功節(jié)電率為43％，功率因數(shù)平均提高0.21，綜合節(jié)電率為35％。形成年節(jié)電能力456萬千瓦時，年節(jié)電效益320萬元。
3.塔式抽油機(jī)解決方案
3.1項(xiàng)目背景
塔式抽油機(jī)由動力傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、機(jī)架及移動裝置、平衡箱，平衡箱安全剎車系統(tǒng)，適用于普通油井的采油作業(yè)，尤其適用于長沖程、低沖次的采油工況使用。該系統(tǒng)核心在于永磁同步電動機(jī)。永磁同步電機(jī)具有低速啟動力矩大、寬調(diào)速、高效率和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速誤差小等特點(diǎn)。
塔式抽油機(jī)所帶為恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)負(fù)載，啟動時需要超過額定轉(zhuǎn)矩值的轉(zhuǎn)矩。工作狀態(tài)與電梯工作比較接近，分上升和下降兩個過程，支持懸停，對變頻器轉(zhuǎn)矩控制特性要求較高，由于永磁同步電機(jī)特性決定，在塔式抽油機(jī)配重不平衡時會出現(xiàn)能量回饋，因此需要通過反饋裝置反送給電網(wǎng)或者消耗在制動電阻上，以防止母線電壓過沖。
圖3塔式抽油機(jī)
3.2方案介紹
采用永磁同步電機(jī)帶動的螺桿式抽油機(jī)需要超過額定轉(zhuǎn)矩的啟動轉(zhuǎn)矩，要實(shí)現(xiàn)迅速的啟?？刂?，對控制精度的要求也較高，必須選用矢量控制型變頻器。螺桿式抽油機(jī)需滿足快速啟停，有效制動，這樣變頻器的制動單元應(yīng)有較大的制動電流，縮短制動過程，須搭配制動單元。整個變頻驅(qū)動系統(tǒng)如下圖所示：
圖4塔式抽油機(jī)變頻驅(qū)動系統(tǒng)
3.3方案特點(diǎn)
●高級矢量控制模式，優(yōu)異控制效果
--無論在加減速時間、力矩、轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)速度、運(yùn)行電流、電機(jī)噪聲、穩(wěn)速精度等方面均有出色表現(xiàn)，對變頻電機(jī)擁有優(yōu)異的控制性能；
●標(biāo)配內(nèi)置C3濾波器，有效濾除電源輸入側(cè)高次諧波，有效防止變頻器整流過程中產(chǎn)生諧波干擾控制部分及弱電信號，保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠；
●環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)
--完全獨(dú)立風(fēng)道設(shè)計加法蘭安裝模式可大幅提高抗擊油污、粉塵及濕熱等惡劣環(huán)境，有效降低變頻故障率，延長使用壽命；
●過載能力強(qiáng)
--優(yōu)異電流限幅特性，可有效降低變頻過載、過流保護(hù)，最大限度保障生產(chǎn)連續(xù)性；
●優(yōu)越的AVR功能，超強(qiáng)電網(wǎng)適應(yīng)性
●可用于電網(wǎng)長期偏低或電網(wǎng)波動等電源惡劣場合，保障輸出電壓、電流、速度穩(wěn)定性；
●變頻器內(nèi)部集成塔式抽油機(jī)專用工藝控制邏輯，結(jié)合人機(jī)界面，轉(zhuǎn)換成抽油機(jī)操控語言。
3.4客戶反饋
通過在長時間的運(yùn)行觀察和一線員工的反饋，塔式抽油機(jī)變頻器驅(qū)動性能良好，可很好的替代國外同類產(chǎn)品。
4.直線電機(jī)抽油機(jī)解決方案
4.1項(xiàng)目背景
直線電機(jī)抽油機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、體積小。動子（相當(dāng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子）是直線往復(fù)運(yùn)動，通過柔性連接件、鋼絲繩導(dǎo)向輪直接與抽油桿連接。動子的運(yùn)動與抽油泵柱塞上下運(yùn)動完全一致，其生產(chǎn)成本低、運(yùn)行效率高。它的沖程長度、上沖行程時間、下沖行程時間、分別連續(xù)可調(diào)，能很方便地實(shí)現(xiàn)：上快下慢、上慢下快、上下行程同速的三種作業(yè)方式。在工作過程中，直線電機(jī)抽油機(jī)有以下要求：
(1)動子運(yùn)動時頻繁換向,要求換向平穩(wěn)、無撞擊現(xiàn)象；
(2)動子頻繁切換于上升（重載）和下降（輕載）狀態(tài)，盡量保證負(fù)載變化時運(yùn)行電流保持較小值，保證系統(tǒng)效率；
(3)往復(fù)運(yùn)動行程可調(diào)，即調(diào)整沖程，根據(jù)出油量選擇行程；
(4)上行下行時間可調(diào)，上極限下極限停留時間可調(diào)，從而調(diào)整沖次；
(5)三相輸出電壓，額定值為660V，考慮長距離傳輸時的壓降；
(6)上行到上極限后保壓時間要長，保證較多的出油量。
圖5直線電機(jī)抽油機(jī)
4.2方案介紹
本方案采用Goodrive300系列變頻器，具有V/F和無PG矢量兩種控制模式，其中在突加減載荷的情況下，速度波動非常輕微；可支持永磁同步電機(jī)、變頻器電機(jī)、直驅(qū)電機(jī)等，可以為用戶減少庫存，不再需要為不同的電機(jī)備用不同變頻器的庫存；具有準(zhǔn)確的電機(jī)參數(shù)自學(xué)習(xí)功能，支持旋轉(zhuǎn)自學(xué)習(xí)與靜態(tài)自學(xué)習(xí)，其中靜態(tài)自學(xué)習(xí)可以在電機(jī)無法脫開負(fù)載的場合準(zhǔn)確的學(xué)習(xí)電機(jī)的參數(shù)；具有先進(jìn)的全程三相調(diào)制方式，使電機(jī)運(yùn)行更平穩(wěn)，噪音更小。
4.3客戶反饋
Goodrive300系列變頻器運(yùn)行平穩(wěn)，工作穩(wěn)定，能很好地滿足工況要求。
5.結(jié)束語
變頻器控制功能的日益完善，使得此類高性能變頻器將會在越來越多的工業(yè)場合中得到應(yīng)用。變頻器在性能優(yōu)異的基礎(chǔ)上價格上也有一定的優(yōu)勢，對于設(shè)備制造和使用者既可以降低成本還可以提高原有變頻傳動的性能，此外，使用變頻器大大降低能耗，既位企業(yè)節(jié)約了成本，節(jié)約了能源消耗，又保護(hù)了生態(tài)環(huán)境，在我國制造業(yè)升級的過程中，變頻器的應(yīng)用將會更加廣泛。
