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摘要：傳統(tǒng)的懸梁式抽油機(jī)采用恒速運(yùn)行加裝制動(dòng)單元或能量回饋的方案，能耗和成本方面存在很大的弊端。本文介紹了以抽油機(jī)專用變頻器為核心的電控系統(tǒng)在油田抽油機(jī)上的應(yīng)用，提出了能量和功率雙閉環(huán)控制的全新方案，效率更高，成本更低。

 關(guān)鍵詞：  變頻器   懸梁式抽油機(jī)   雙閉環(huán)

一、引言
   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，大部分油要靠注水來壓油入井，靠磕頭機(jī)把油從地層中提升上來。在我國(guó)，以水換油、以電換油是目前油田的現(xiàn)實(shí)，耗電費(fèi)用在我國(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，節(jié)省電耗就是直接降低石油的開采成本。 

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) 提高功率因數(shù)：輸入側(cè)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) 提高運(yùn)行效率：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，系統(tǒng)效率大大提高。 

(3) 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。

二、懸梁式抽油機(jī)現(xiàn)狀介紹

2.1 懸梁式抽油機(jī)機(jī)械機(jī)構(gòu)介紹

游梁式抽油機(jī)主要是由四大部分組成的：

(1)游梁部分：驢頭、游梁、橫梁、尾梁、連桿、平衡塊(復(fù)合平衡抽油機(jī))

(2)支架部分：橫梁軸承座、工作梯、護(hù)圈、操作臺(tái)、支架

(3)減速器部分：底座、減速器筒座、減速器、曲柄、配重塊、剎車等部件

(4)配電部分：電機(jī)座、電機(jī)、配電箱等

2.2 懸梁式變頻改造現(xiàn)狀介紹

就實(shí)際的變頻改造情況來看，絕大部分抽油機(jī)的配重實(shí)際上是嚴(yán)重不平衡的，從而造成過大的沖擊電流，不僅無(wú)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)，不能正常工作。 

此外，在油井開采前期儲(chǔ)油量大，儲(chǔ)油量大，供液足，為提高才有效率可采用固定頻率運(yùn)行，保證較高的產(chǎn)油量。但是在中、后期，由于石油儲(chǔ)油量減少，易造成供液不足，電機(jī)若仍然工作在當(dāng)前頻率狀態(tài)勢(shì)必浪費(fèi)電能造成不必要的損耗，這時(shí)需要考慮實(shí)際工作情況，適當(dāng)降低電機(jī)轉(zhuǎn)速減少?zèng)_程有效提高充盈率。

三、傳統(tǒng)的變頻解決方案介紹

變頻技術(shù)引入到游梁式抽油機(jī)控制中去是大勢(shì)所趨。變頻調(diào)速屬于無(wú)極調(diào)速，根據(jù)電動(dòng)機(jī)工作電流的大小確定電動(dòng)機(jī)的工作頻率，這樣可以根據(jù)井況的變化，方便的調(diào)節(jié)抽油機(jī)的沖程，達(dá)到節(jié)能和提高電網(wǎng)功率因數(shù)的目的。而矢量變頻控制技術(shù)的應(yīng)用可保證低速大轉(zhuǎn)矩輸出，轉(zhuǎn)速可以平滑地大范圍調(diào)節(jié)。同時(shí)，變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)保護(hù)功能齊全，如短路、過載、過壓、欠壓及失速等，可有效地保護(hù)電機(jī)及機(jī)械設(shè)備，保證設(shè)備在安全的電壓下工作，具有運(yùn)行平穩(wěn)、可靠，提高功率因數(shù)等諸多優(yōu)點(diǎn)，是采油設(shè)備改造的理想方案。目前主流的解決方案有以下幾種：

方案1：變頻器加能耗制動(dòng)單元

這種方式比較簡(jiǎn)單，但運(yùn)行效率低。這主要是因?yàn)楹闼龠\(yùn)行時(shí)下沖程狀態(tài)下電機(jī)發(fā)電能量回饋導(dǎo)致的。在使用普通變頻器時(shí)，普通變頻器的輸入是二極管整流，能量不可反方向流動(dòng)。上述這部分電能沒有流回電網(wǎng)的通路，必須用電阻來就地消耗，這就是必須使用能耗制動(dòng)單元的原因，也直接導(dǎo)致了能耗較大，整體效率偏低。

缺點(diǎn)：能效偏低，且需加裝制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻。

方案2：變頻器加回饋單元控制

為了回饋再生能量，提高效率，可以采用能量回饋裝置，將再生能量回饋電網(wǎng)。這樣一來，系統(tǒng)就更復(fù)雜，投資也更高了。所謂能量回饋裝置，其實(shí)就是一臺(tái)有源逆變器。加裝能量回饋單元的變頻器，用戶可根據(jù)油井的液位、壓力確定抽油機(jī)的沖機(jī)、速度和產(chǎn)液量，降耗節(jié)能，提高泵效；使設(shè)備減少磨損，延長(zhǎng)使用壽命，高效節(jié)能低成本，實(shí)現(xiàn)在最大節(jié)能狀態(tài)下的自動(dòng)化運(yùn)行。但由于變頻器和回饋裝置的工作模式，使用能量回饋的方案對(duì)于電源端諧波污染很大，電網(wǎng)質(zhì)量下降明顯。

缺點(diǎn)：需要加裝回饋裝置，成本較高，且對(duì)電網(wǎng)污染很大。

四、高效節(jié)能型抽油機(jī)專用變頻解決方案介紹

鑒于傳統(tǒng)的變頻改造方案的種種弊端，科泰電氣公司通過對(duì)懸梁式抽油機(jī)工藝的深入探究，采用基于懸梁式抽油機(jī)控制工藝的專用軟件邏輯，采用能量與功率的雙閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出頻率的連續(xù)平滑調(diào)整，實(shí)現(xiàn)消除負(fù)轉(zhuǎn)矩控制，來避免電機(jī)動(dòng)能的回饋、避免母線電壓過高。進(jìn)而達(dá)到省去制動(dòng)單元、省去能量回饋裝置的目的，避免了傳統(tǒng)變頻改造方案的種種弊端。

本方案的核心控制思想是恒輸出功率控制，變頻器基于輸出功率環(huán)恒定的PID控制模式，通過調(diào)整輸出頻率來實(shí)現(xiàn)恒輸出功率控制，可以在滿足沖次的前提下，有效降低平均輸出功率，實(shí)現(xiàn)有效節(jié)能，以及保護(hù)抽油機(jī)機(jī)構(gòu)裝置。也就是說，變頻器不需要設(shè)定特定的運(yùn)行頻率，實(shí)際輸出頻率通過PID閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)。下沖程時(shí)，由于負(fù)載由于慣量較大，同步轉(zhuǎn)速低于電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)電機(jī)發(fā)電，變頻器輸出轉(zhuǎn)矩為負(fù)，此時(shí)變頻器自動(dòng)提高輸出頻率消除負(fù)轉(zhuǎn)矩避免電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)。上沖程時(shí)，位能完全轉(zhuǎn)換成動(dòng)能，此時(shí)轉(zhuǎn)速最高，慣量最大，電機(jī)減速進(jìn)行上沖程動(dòng)作，當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，變頻器工作于恒輸出功率的PID調(diào)節(jié)模式，此時(shí)變頻器自動(dòng)提高上沖程轉(zhuǎn)速，完成上沖程動(dòng)作。

通過整個(gè)控制過程可知，電機(jī)一直沒有處于發(fā)電狀態(tài)，因此無(wú)需加裝制動(dòng)單元和RBU回饋裝置。同時(shí)，整個(gè)沖程過程中，下沖程慢，可以浸入更多的油；上沖程快，減少漏油量：大大提高了產(chǎn)油量。

優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需加裝能量消耗或回饋裝置，成本更低；且優(yōu)化了采油工藝，整機(jī)效率大幅提高；變頻器母線電壓穩(wěn)定，整機(jī)熱耗低，整機(jī)穩(wěn)定性更好。

五、結(jié)束語(yǔ)

游梁式抽油機(jī)傳統(tǒng)的變頻應(yīng)用模式因?yàn)榉N種弊端的存在，變頻改造控制方案持續(xù)改進(jìn)在所難免。陜西科泰電氣設(shè)備有限公司以其獨(dú)創(chuàng)性的控制方案必將引領(lǐng)行業(yè)方案的變革。同時(shí)，抽油專用變頻器可靠的軟硬件穩(wěn)定性也注定了其必將為客戶提供極具性價(jià)比的用戶體驗(yàn)。