變頻器在抽油機(jī)上應(yīng)用的若干問題探討

摘要：就變頻器在抽油機(jī)上應(yīng)用中出現(xiàn)的幾個(gè)問題進(jìn)行了分析探討，揭示出一些深層次的問題，并提出了相應(yīng)的節(jié)能解決方案。同時(shí)介紹了IMOC2000系列智能抽油機(jī)節(jié)能增產(chǎn)控制裝置。

關(guān)鍵詞：抽油機(jī)；變頻器；直流母線；制動(dòng)單元；有源逆變；能量回饋

1 前言

我國(guó)的油田絕大部分為低能、低產(chǎn)油田，不像國(guó)外的油田有很強(qiáng)的自噴能力，大部分油田要靠注水來壓油入井，靠抽油機(jī)（磕頭機(jī)）把油從地層中提升上來。以水換油、以電換油是目前我國(guó)油田的現(xiàn)實(shí)，電費(fèi)在我國(guó)的石油開采成本中占了相當(dāng)大的比例，所以，石油行業(yè)十分重視節(jié)約電能。

目前我國(guó)抽油機(jī)的保有量在10萬臺(tái)以上，電動(dòng)機(jī)裝機(jī)總?cè)萘吭?500MW，年耗電逾百億kW·h。抽油機(jī)的運(yùn)行效率特別低，在我國(guó)平均運(yùn)行效率為25.96％，國(guó)外平均水平為30.05％，年節(jié)能潛力可達(dá)幾十億kW·h。除了抽油機(jī)之外，油田還有大量的注水泵、輸油泵、潛油泵等設(shè)備，總耗電量超過油田總用電量的80％，可見，石油行業(yè)也是推廣“電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能”的重點(diǎn)行業(yè)。

抽油機(jī)節(jié)能，其首選方案是采用變頻器對(duì)其電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改造，抽油機(jī)改用變頻器拖動(dòng)后有以下幾個(gè)好處：

1）大大提高了功率因數(shù)（可由原來的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;

2）可根據(jù)油井的實(shí)際供液能力，動(dòng)態(tài)調(diào)整抽取速度，一方面達(dá)到節(jié)能目的，同時(shí)還可以增加原油產(chǎn)量;

3）由于實(shí)現(xiàn)了真正的“軟起動(dòng)”，對(duì)電動(dòng)機(jī)、變速箱、抽油機(jī)都避免了過大的機(jī)械沖擊，大大延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，減少了停產(chǎn)時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。

但是，變頻器用于抽油機(jī)電機(jī)時(shí)，也有幾個(gè)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，下面分別加以分析。

2 沖擊電流問題

如圖1所示，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(duì)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)?，抽油載荷是每時(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)。

圖1 常規(guī)曲柄平衡抽油機(jī)

1—底座；2—支架；3—懸繩器；4—驢頭；5—游梁；

6—橫梁軸承座；7—橫梁；8—連桿；9—曲柄銷裝置；

10—曲柄裝置；11—減速器；12—剎車保險(xiǎn)裝置；

13—剎車裝置；14—電動(dòng)機(jī)；15—配電箱。

對(duì)某油田18口井的調(diào)查顯示，只有1～2口井的配重平衡較好，絕大部分抽油機(jī)的配重嚴(yán)重不平衡，其中有10口井的配重偏小，另有6口井配重又偏大，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。不僅無謂浪費(fèi)掉大量的電能，而且嚴(yán)重威脅到設(shè)備的安全。同時(shí)也給采用變頻器調(diào)速控制造成很大的困難：一般變頻器的容量是按電動(dòng)機(jī)的額定功率來選配的，過大的沖擊電流會(huì)引起變頻器的過載保護(hù)動(dòng)作而不能正常工作。

通過對(duì)抽油機(jī)曲柄配重塊的調(diào)整，都可以使沖擊電流降到電機(jī)額定電流之內(nèi)，沖擊電流與正常工作電流之比在1.5倍以內(nèi)。這樣，選用與電機(jī)額定功率同容量的變頻器，甚至略小于電機(jī)額定功率的變頻器（要視抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率而定）都可以長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

由于抽油機(jī)的起動(dòng)扭矩往往很大，慣性也很大，所以要將變頻器的加減速時(shí)間設(shè)置得足夠長(zhǎng)，一般為30～50s，才不致在起動(dòng)時(shí)引起過載保護(hù)動(dòng)作。

3 再生能量的處理問題

由于抽油機(jī)屬位能性負(fù)載，尤其當(dāng)配重不平衡時(shí)，在抽油機(jī)工作的一個(gè)沖程周期中，會(huì)出現(xiàn)電動(dòng)機(jī)處于再生制動(dòng)工作狀態(tài)（發(fā)電狀態(tài)），電動(dòng)機(jī)由于位能或慣性，其轉(zhuǎn)速會(huì)超過同步轉(zhuǎn)速，再生能量通過與變頻器逆變橋開關(guān)器件（IGBT）并聯(lián)的續(xù)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(jí)管整流橋供電，不能向電網(wǎng)回饋電能，所以反饋到直流母線的再生能量只能對(duì)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(shí)將會(huì)對(duì)濾波電容器和功率開關(guān)器件構(gòu)成威脅，為了保護(hù)電容器及功率開關(guān)器件的安全，所以變頻器都設(shè)置了“OUD”保護(hù)——直流母線電壓高保護(hù)停機(jī)功能。

1）一種辦法是增大變頻器直流母線上濾波電容器的容量，將再生能量?jī)?chǔ)存起來，等電動(dòng)狀態(tài)時(shí)再釋放給電動(dòng)機(jī)作功。這種方法對(duì)節(jié)能有利，但是電容器的儲(chǔ)能作用是有限的。譬如，某抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)的平均功率以10kW計(jì)算，回饋功率以25％計(jì)算為2.5kW，在一個(gè)沖程周期中發(fā)電狀態(tài)為2～3s的話，則回饋能量E_d=6000J。若采用15kW的變頻器，其直流母線濾波電容的容量為2200μF，正常工作時(shí)直流母線電壓（U_s）小于600V，“OUD”保護(hù)電壓（U_sm）為800V，那么E_s=CU_sm²－CU_s²=×2200×10^－6×(640000－360000)=308J，比起6000J的回饋能量來小得多了。即使再增加10000μF的濾波電容，也只能儲(chǔ)能1400J，因此在大容量或者負(fù)載慣量大的系統(tǒng)中，不可能只靠濾波電容器來限制泵升電壓。

2）第二種辦法是采用“放”的辦法，可以采用由分流電阻器Rp和開關(guān)管SB組成的泵升電壓限制電路，如圖2所示。

圖2 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(duì)節(jié)能不利。尤其是在大容量或者大慣量拖動(dòng)系統(tǒng)中，能量的損失較大。當(dāng)然也可以采用現(xiàn)成的變頻器選件——制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻來實(shí)現(xiàn)，其原理與圖2是一樣的，只是投資更大，耗能也更大而已。

3）對(duì)于地處北方寒冷地區(qū)的抽油機(jī)，為了在冬季增加原油的流動(dòng)性和防止結(jié)臘，對(duì)井口回油管進(jìn)行電加熱，如中頻電加熱裝置，這時(shí)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(dòng)機(jī)回饋到直流母線上的再生能量用于中頻加熱器，同時(shí)又防止了直流母線電壓的泵升。

4）對(duì)于同一井場(chǎng)上有多口油井的場(chǎng)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)的變頻器可共用一臺(tái)整流器，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。如圖3所示。

圖3 采用公用直流母線的多逆變器系統(tǒng)主電路