变频器在游梁式抽油机控制中的应用

　　提要：本文主要介绍变频器在油田的重要生产设备之一－游梁式抽油机节能改造的应用，通过分析设备和工艺对节能和提高工艺水平做了说明，并对改造方案和应用中应该注意的问题做了简单介绍。
　　前言:
　　我国的油田多为低渗透的低能、低产油田，不像中东的油田那样具有很强的自喷能力，大部分油田要靠注水压油入井，再靠抽油机把油从地层中提升上来。以水换油、以电换油是我国油田的现实，电费在我国的石油开采成本中占了很大比例。因此，石油行业十分重视节约电能。
　　在我国的石油开采中，机械采油井占绝大多数，其中有杆采油（有杆抽油井）占总机械采油的90%以上。全国产油量70%以上靠有杆抽油机来完成。其能耗已占油田能耗的三分之一。全国每年耗电约四十二亿人民币。由于各油田每年要有几千口新井投入生产，　连同原有设备更新，每年要新增几千台抽油机。抽油机在我国石油开采有重要的地位。
目前，在油田采用的抽油设备中，以游梁式抽油机为普遍，数量也多。2003年，胜利油田某采油厂采用变频器对抽油机实施改造油井泵效率显著提高，日均增油2吨，节电率达到30％以上，下面简单介绍节能改造的原理和操作方案。
游梁式抽油机工作原理
　　它的动作原理是由交流电动机恒速运转拖动抽油泵，沿着重力作用方向进行往复运动，从而把原油从数百至数千米的井下抽到地面。分析其负载特性可知其惯量较大，而不同的油井的粘度大小又很不同，当油的粘度较大时，泵的效率也变低，往往启动也很困难。该负载又是周期负载，上升、下降行程负载性质亦不同，下降时尚带有位势负载性质。为适应这些复杂的工况，抽油机的配置及其实际工作状态往往只能是大马拉小车。游梁式抽油机运动为反复上下提升，一个冲程提升，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，由于电动机转速一定，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，势必会寻找能量消耗的渠道，导致电动机进入再生发电状态，将多余能量反馈到电网，引起主回路母线电压升高，势必会对整个电网产生冲击，导致电网供电质量下降，功率因数降低的危险；频繁的高压冲击会损坏电动机，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。游梁式抽油机引入两个大质量的钢质滑块，导致抽油机的起动冲击大等诸多问题。
　　除上述两方面问题外，油田采油的特殊地理环境决定了采油设备有其独特的运行特点：在油井开采前期储油量大，供液足，为提高功效可采用工频运行，保证较高产油量；在中后期，由于石油储量减少，易造成供液不足，电动机若仍工频运行，势必浪费电能，造成不必要损耗，这时须考虑实际工作情况，适当降低电动机转速，减少冲程，有效提高充盈率。
　　目前，对游梁式抽油机的交流变频调速技术改造主要有以下两个方面的优点：
　　(1)提高电网质量，减小对电网影响。这主要集中在供电企业对电网质量要求较高的场合，为避免电网质量的下降，需引入变频控制，其主要目的就是减小抽油机工作过程对电网的影响。
　　(2)节能。一方面，油田抽油机为克服大的起动转矩，采用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%，不会超过50%，电动机常处于轻载状态，造成资源浪费。另一方面，抽油机工作情况的连续变化，取决于地下的状态，若始终处于工频运行，也会造成电能浪费。为了节能，提高电动机工作效率，需进行变频改造。
节能改造的实施方案
（一）、简单降速方式：直接加装变频器并将电动机运行频率降下来，降低电机转速，增加每个冲程的时间，达到节能效果。实际应用中能达到15％－30％的节电效果。
（二）、变化冲程方式：经过实测井况和油水比例，根据游梁式抽油机的运行特性，对每个冲程中下降和提升设置不同的频率，随时调整电动机的转速，抽油杆慢速下降快速提升，不仅达到节电效果，而且能够有效地调整油水比例，提高产量。实际应用中对近40台改造后的游梁式抽油机现场实测，较工频运行时平均节电38％，如果再计算产油量的提高，综合效益非常可观。
　　实际应用中容易出现的问题及解决方法
在实际应用过程中出现了许多问题，主要集中在游梁式抽油机发电状态产生能量的处理上。对于上述种情况，采用变频器加能耗制动单元可较方便实现，这是以多耗电能为代价的，主要因为发电能量不能回馈电网造成。在未采用变频器时，电动机处于电动状态时，从电网吸收电能；电动机处于发电状态时，释放能量，电能直接回馈电网的，并未在本地设备上耗费掉。综合表现为抽油机供电系统的功率因数较低，对电网质量影响较大。但在使用普通变频器时，情况发生了变化。普通变频器输入是二极管整流，能量不可反方向流动。上述这部分电能没有流回电网的通路，须用电阻就地消耗，这是必须使用能耗制动单元的原因。
　　使用环境对变频调速系统的影响不容忽视，变频调速系统安装位置大多数是野外的抽油机附近，降雨、结露、潮湿、冰冻、灰尘、昆虫、小动物都会对变频器造成严重损害，同时还要防盗。这些情况要在安装之初就充分解决，目前大多数现场采用的办法是双层、防水防尘配电柜来解决上述问题。这样基本上能解决野外作业的环境影响，但是同时造成散热不良的问题，为保证正常工作，需要在变频器容量的选择上充分考虑。
电网质量对变频器的影响也很大，游梁式抽油机的供电线路较远，电网容易产生波动，很多对电网稳定要求高的变频器会经常出现过电压或者欠电压保护，因为变频器具备适应电网波动较大场合使用的特性，所以应用变频器以来，虽然电网有较大波动（310V――430V）之间，一直能够正常运行。
野外安装，防雷击也是重要方面，在安装时要注意设置避雷装置。
　　【结论】：变频技术因其节能、利于提高工艺水平、方便构成自控系统的优势，在各个行业得到越来越过广泛的应用。应用变频调速是企业提高工艺水平、节能挖潜、增加效益的重要途径，今后必将得到更广泛的应用，为企业创造巨大的效益。