抽油机专用变频器在抽油机节能改造中的应用
The Energy-saving Rebuild Application of Specific Inverter for Oil Pump in the Control System
山东新风光电子科技发展有限公司
摘 要：本文介绍了风光抽油机专用变频器在抽油机节能改造中的应用情况。通过改造，实现了抽油机高效运行，达到了节能降耗和提高产量的目的。
关键词：变频器 抽油机 节能
Abstract: The paper introduces the energy-saving rebuild application of fengguang specific inverter for oil pump in the control system. The reconstruction realizes high effect of oil pump ,achieves the purpose of retrenching energy, reducing energy consumption and improving output.
Key word: Inverter Oil pump Energy-saving
1.引言
我国的油田绝大部分要靠注水来压油入井，靠抽油机把油从地层提升上来。以水换油，以电换油是目前我国油田的现实。如何提高采油效率，降低采出液的吨液能耗，提高产量，使抽油机的参数更好的适应地上、地下工况，使现场抽油机调节更为方便，成为大家的焦点。
目前，在油田抽油机设备中，以游梁式抽油机使用方便、可靠，是目前油田采油生产中的主要设备，应用最为普遍，数量也最多。下面以游梁式抽油机为例，介绍风光抽油机专用变频器在其上面的应用。
2.游梁式抽油机工作原理
游梁式抽油机其工作过程为：用电机带动减速机，减速机带动皮带轮，皮带轮带动两个很重的钢质滑块的旋转往复运动，依靠杠杆的作用，将盛油器提上放下，而将油带出地面进入输油管道中或储油罐中，完成抽油过程。
抽油机电机的负荷是一周期性脉动负荷,并迭加有瞬间的冲击。为了减小抽油机上下冲程负荷的波动,一般都配有平衡块。为了保证足够大的启动转矩,抽油机电机正常运行时负荷率很低,一般在20%~30%。低负荷率运行，造成功率因数低,效率低,电能浪费大。
因此，在设计选配抽油机电机时，普遍的做法是令其抽取量大于实际负荷。它所带来的新问题是当抽油机排量过剩时，抽油机的运行会出现无功抽取，出现空抽或泵空状态，过剩的抽油能力令抽油机的无功抽取时间增加，造成油井开采的电费成本居高不下，能源浪费十分严重。因此，抽油机的节能潜力非常可观。
节能包括两个方面：一是从电动机本身考虑，提高电动机的负荷率和效率；二是从系统考虑，改变电动机的机械特性，使机、杆、泵整个系统达到较好的配合，提高系统效率。两者比较，后者的节能潜力比前者大得多。在游梁式抽油机上应用变频调速技术不仅机、杆、泵整个系统达到较好的配合,自动化程度提高，降低工人的劳动强度，减少工作量，而且节能效果明显，综合效益显著。
3.抽油机专用变频器工作原理
根据抽油机是交变工作载荷的特点，风光抽油机专用变频器内置了专用的运动控制程序。风光抽油机专用变频器，可以根据油井的实际情况，由操作设置油井工作参数和工作方式，经过运算处理后，变频器自行调整抽油井工作制度，改变抽油机的冲程频次，达到上、下冲程间的平稳过渡。变频器本身具有抽油机所需的各种保护功能及相应的放电回馈电路，而且风机可以有温度自动控制，也节约相应的能源消耗。
我们针对抽油机载荷的特殊性和野外工作特点，按照严格的工业标准设计、制造抽油机专用变频器，把制动电路、回馈电路、无线滤波器、线路电抗器和防雷击装置集成到专用变频器中，增强整机的可靠性。
变频器主电路原理如图1示:
4.风光抽油机专用变频器的节能原理
风光抽油机专用变频器可根据井下供液情况，自动调整抽油井工作制度，使游梁式抽油机的固定动态特性变为可根据油井开采情况自动调节的可变动态特性，提高泵充满系数及排量系数，达到节能，增产，无级调速的效果。
风光抽油机专用变频器采用动态调节抽油机的冲程频次和上、下行程的速度，达到节电又增产的目的。
(1)可以动态调节抽油机的冲程频次，节电。抽油机的冲程频次可以通过机械的方法调整，但是，一旦调整好之后，人是不可以经常改动的，并且通过皮带轮直径调整频次的方法是有限的，不能动态适应油井负荷的需要。而变频调速则能动态调整抽油机的转速，可无级调节抽油机冲次，从而调整泵的充满度，提高抽取效率，增加原油产量，减少了电机功率，实现了节能目的。
(2) 可以动态调节抽油机的上、下行程的速度实现节能增产的目的。由于采用变频调速技术，通过上、下死点位置传感器控制变频调速器上、下冲程输出不同频率的电源，从而使电动机上、下冲程转速不同，可无级调节抽油机上下冲程速比。还可以根据实际需要分别地调整每一冲程下行程的速度，可以提高原油在泵的充满度；而适当提高上行程的速度，则可以减少在提升过程中的漏失系数，有效地提高单位时间内的原油产量。节电，节能。
5.现场应用
由于应用变频调速技术对抽油机实行软启动，启动电流大幅度降低。功率因数由0.3~0.5上升到0.9以上。提高了功率因数，减少了无功损耗。
风光抽油机专用变频器可根据油井工况对冲程频次和上下冲程的速度进行调节，使油井供排系统达到动态协调，在青海油田30口油井上，由实验前后的数据表明，单井的平均增产20%，单井的平均节电率为20%左右。
我们分别选前期井、中后期进行了变频改造。
在前期井中，由于井刚开采，储油量大，为提高功效，我们采用提高抽油机的冲程频次的方式，让变频器运行至65HZ，频率提高了1/3，相应地电机转速提高了30%，其采油量也相应提高，其综合采油率可比工频情况下多采油20%，工效提高了1.2倍，很受油田采油工的欢迎。
在中、后期井中，由于井储量减少，供液不足，电机若仍工颇运行，势必浪费电能，造成不必要的损耗，因而我们采用调整抽油机的冲程频次和选用上快下慢的开采工艺，一般将变频器的频率运行至35~45HZ之间，这样电机平均转速下降了20%，加之采油设备一般负荷较轻，其节电率可达25%左右。还有另外在开采稠油井的中后期，因原油黏度上升，经常发生驴头和光杆“打架”现象，通过调节冲程频次和选用上快下慢的开采工艺，避免了“打架”，延长了开采时间，提高了原油产量。
6.应用注意事项
(1)由于抽油机的起动转矩大，所以设置合适的转矩提升曲线，不合适转矩提升曲线(电压不足或过高)都会使电流增大。
(2)在抽油机滑块下降过程中，负荷减轻，电机进入再生发电状态，其再生能量将传人变频器，通过逆变回路的续流二极管整流而变成直流加在主电路上，造成主电路母线电压升高，频繁的高压会损坏变频器的主器件，包括电解电容及功率模快，因此需加制动回路，让再生电压能及时地释放掉，保证主回路器件在安全的电压下工作。再生制动电路原理如图2示
7.结束语
变频器具有软起、停功能，减少了对抽油机杆的机械冲击，保护了电机及机械设备，减少维修量，变频器对过压、欠压、过载、短路及电路失速都能可靠地保护。总之，变频控制技术在抽油机上应用，对抽油生产设备来说是一个很大进步，它从根本上改变了抽油机的运动特性和动力特性，使抽油机—抽油杆—抽油泵达到动态协调，使有杆抽油系统和油井供液系统达到动态协调。抽油机应用变频器，即可以提高工效，增加采油量，又可以节约电能，保护电机及设备，其应用前景是十分广泛的。在能源日益紧张的今天，相信变频器在抽油机这方面可以大有作为的。
参考文献
[1]周佳胜.变频调速器在油田设备上的应用.变频器世界，2003(3)
[2]赵来军，倪振文，职黎光，黎若鹏.游梁式抽油机的智能化改造.石油机械，1999，27(4)
