【摘 要】本文结合游梁式抽油机生产应用的实际情况，介绍了变频调速设备在该类负载的应用情况。详细分析变频改造原理及应用可行性。
【关键词】变频 抽油机 节能
Abstract：The paper introduce a real application of variable frequency speed regulation with load oil beam pumping unit, Detailed analyse the frequency inverter restructure principle and applicational feasibility.
key words：variable frequency、 oil pump、energy saving
1 引言
进入21世纪，变频调速技术得益于其优异的节能特性和调速特性，在我国油田中得到广泛应用，中国产值能耗是世界上最高的国家之一。要解决产品能耗问题，除其它相关的技术问题需要改进外，变频调速技术已成为节能及提高产品质量的有效措施。油田作为一个特殊行业，有其独特的背景，目前，抽油机是应用最普遍的石油开采机械之一，也是油田耗电大户，其用电量约占油田总用电量的40％，且总体效率很低，据调查一般在30％左右。油田抽油机负载是独具特点的时变负载：有动、静负载特性之分。起动初始状态要求拖动电机的起动力矩是抽油机实际负载的3－4倍，甚至更大，起动力矩是抽油机选配电机的第一要素。当起动力矩适用则负载功率必然匹配不佳，运行负载功率都远小于电机的额定功率，即所谓“大马拉小车”现象。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。可见抽油机的节能潜力非常可观。本文主要介绍变频器在游梁式抽油机上的应用。
2 CHV100变频器在石化行业中的应用
2.1游梁式抽油机工作原理
游梁式抽油机结构简图如图1所示
游梁式抽油机是一种变形的四连杆机构，其整机结构特点像一架天平：一端是抽油载荷，另一端是平衡配重载荷。对于支架来说，如果抽油载荷和平衡载荷形成的扭矩相等或变化一致，那么用很小的动力就可以使抽油机连续不间断地工作。也就是说抽油机的节能技术取决于平衡的好坏。在平衡率为100％时电动机提供的动力仅用于提起1/2液柱重量和克服摩擦力等，平衡率越低，则需要电动机提供的动力越大。因为，抽油载荷是每时每刻都在变化的，而平衡配重不可能和抽油载荷作完全一致的变化，才使得游梁式抽油机的节能技术变得十分复杂。因此，可以说游梁式抽油机的节能技术就是平衡技术。
工作时，驴头悬点上作用的载荷是变化的。上冲程时，驴头悬点提起与悬绳器相连的抽油杆柱和液柱，在抽油机未进行平衡的条件下，电动机就要付出很大的能量。在下冲程时，抽油机杆柱反转而对电动机做功，使电动机处于发电机的运行状态。抽油机未进行平衡时，上、下冲程的载荷极度不均匀，这样将严重地影响抽油机的四连杆机构、减速箱和电动机的效率和寿命，恶化抽油杆的工作条件，增加它的断裂次数。为了消除这些缺点，一般在抽油机的游梁尾部或曲柄上或两处都加上了平衡重，这样一来，在悬点下冲程时，平衡重从低处上升至高处，平衡重位能增加。平衡重所增加的位能由两部分构成：油杆柱下落所释放的位能与电动机产生的能量。在上冲程时，平衡重由高处下落，把下冲程时储存的位能释放出来，帮助电动机提升抽油杆和液柱，减少电动机在上冲程时所需给出的能量。目前使用较多的游梁式抽油机，都采用了加平衡配重的工作方式，因此在抽油机的一个工作循环中，有两个电动机运行状态和两个发电机运行状态。当平衡配重调节较好时，其发电运行状态的时间和产生的能量都较小。
2.2改造方案对比
（1）无变频改造。
此方案利用抽油机本身配置的平衡装置，实现电机的运行耗能最小化。由于原油的稠度等是时刻变化的，但是配置不能实时调节，所以势 必造成大部分能量的浪费，及设备寿命的缩短。另外，上冲程时，电动机处于电动状态时，从电网吸收电能；下冲程时，电动机处于发电状态时，释放能量，电能直接回馈给电网，造成抽油机供电系统功率因数降低，对电网质量影响较大。
（2）变频改造，加装制动单元
如图2所示。在变频器主回路直流母线两端加制动电阻和制动单元。在加装变频器后，电动机进入再生发电状态时，其产生的电能没有逆向流回电网的通路，所以势必引起主变频器主回路直流母线电压升高。此时必须用电阻来就地消耗，这就是我们在变频器上必须使用制动单元和制动电阻的原因，。CHV100（18.5KW以下机型内置制动单元）系列可以选配制动单元，完全可以达到理想中的控制效果。
对于变频器加装制动单元的情况，发电产生的能量不能回馈至电网而是就地消耗，所以还是会造成能量的浪费。但加装变频装置后，网侧功率因数大大提高（由原来的0.25～0.5提高到0.9以上），大大减小了供电视在电流，从而减轻了电网及变压器的负担，降低了线损，可省去大量的“增容”开支。CHV100内置的AVR功能可根据负载特性，智能调节输出。一方面可达到节能目的，同时还可以增加原油产量。避免电网质量的下降，减小抽油机工作过程对电网的影响。此方式的缺点是必须解决制动电阻散热及寿命问题。
应用实例：
CHV100-055G-6在江汉油田游梁式抽油机上成功应用。
根据江汉油田采油工况，采用变频器加装制动单元对其部分油井抽油机进行变频节能改造。江汉油田原油稠度不大，负载率比较低。采用再生能量就地耗散方案方能达到预期效果。且制动电阻散热问题仅通过加装柜顶风扇便可顺利解决。
其接线图如图3所示：
配置表
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电机参数
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变频器型号
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制动单元型号
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制动电阻参数
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55KW/690V
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CHV100-055G-4
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DBU-B5-064
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10Ώ/12000W
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主要参数表
对于变频器加装制动单元的情况，发电产生的能量不能回馈至电网而是就地消耗，所以还是会造成能量的浪费。但加装变频装置后，网侧功率因数大大提高（由原来的0.25～0.5提高到0.9以上），大大减小了供电视在电流，从而减轻了电网及变压器的负担，降低了线损，可省去大量的“增容”开支。CHV100内置的AVR功能可根据负载特性，智能调节输出。一方面可达到节能目的，同时还可以增加原油产量。避免电网质量的下降，减小抽油机工作过程对电网的影响。此方式的缺点是必须解决制动电阻散热及寿命问题。
应用实例：
CHV100-055G-6在江汉油田游梁式抽油机上成功应用。
根据江汉油田采油工况，采用变频器加装制动单元对其部分油井抽油机进行变频节能改造。江汉油田原油稠度不大，负载率比较低。采用再生能量就地耗散方案方能达到预期效果。且制动电阻散热问题仅通过加装柜顶风扇便可顺利解决。
其接线图如图3所示：
配置表
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电机参数
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变频器型号
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制动单元型号
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制动电阻参数
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55KW/690V
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CHV100-055G-4
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DBU-B5-064
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10Ώ/12000W
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主要参数表
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功能码
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数值
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描述
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P0.00
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0
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需正确设置P2组参数，进行电机自学习，以提高低频输出转矩
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P0.01
|
1
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端子运行指令，通过外部端子控制启停等
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P0.03
|
1
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通过外部电位器调节变频器输出频率
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P0.07～P0.09
|
——
|
根据实际需要设置
|
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P0.11～P0.12
|
——
|
根据实际需要设置
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P1.00
|
1
|
无
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P2.00～P2.05
|
——
|
根据电机铭牌设置
|
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P4.10
|
1
|
智能节能
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|
P4.11
|
1
|
自动节能运行
|
|
P5.02
|
1
|
正转运行
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|
P6.04
|
1
|
正转运行中
|
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P6.05
|
3
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故障输出
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P6.07
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3
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运行电流显示
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P8.32
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缺省
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出厂内置，无需更改。
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上述电路接线图可实现工变频转换，其中K1与K2互锁。K1与K3导通，变频运行；K2导通工频运行。制动率由制动单元控制板拨码开关确定。
该套系统经过调试，运行正常，经检测，网侧功率因素有大幅提高。跟踪后期使用情况，与无变频时比较，节能约30%左右。符合预期。
（3）变频改造，加装能量回馈单元。
制动电阻的散热寿命问题及节能效果不理想成为方案（2）实际应用中的技术瓶颈。针对上述情况，为实现节能优化，提高效率，可以采用变频器加装能量回馈装置方案，将再生能量回馈给电网。
所谓能量回馈装置，其实就是一台有源逆变器。按采用的功率开关器件的不同又可以分为晶闸管（SCR）有源逆变器及绝缘栅双极型晶体管（IGBT）逆变器两种，它们的共同特点是可以将变频器直流回路的电压反馈到电网，如下图3所示。
上述电路接线图可实现工变频转换，其中K1与K2互锁。K1与K3导通，变频运行；K2导通工频运行。制动率由制动单元控制板拨码开关确定。
该套系统经过调试，运行正常，经检测，网侧功率因素有大幅提高。跟踪后期使用情况，与无变频时比较，节能约30%左右。符合预期。
（3）变频改造，加装能量回馈单元。
制动电阻的散热寿命问题及节能效果不理想成为方案（2）实际应用中的技术瓶颈。针对上述情况，为实现节能优化，提高效率，可以采用变频器加装能量回馈装置方案，将再生能量回馈给电网。
所谓能量回馈装置，其实就是一台有源逆变器。按采用的功率开关器件的不同又可以分为晶闸管（SCR）有源逆变器及绝缘栅双极型晶体管（IGBT）逆变器两种，它们的共同特点是可以将变频器直流回路的电压反馈到电网，如下图3所示。
加装能量回馈单元的变频器适用于交流50HZ，额定电压380V或660V的异步电动机和永磁同步电动机，实现软起动，软停车及过程调速控制功能。其具备起动电流小、速度平稳、性能可靠、对电网冲击小等优点，避免对电动机、变速箱、抽油机造成机械冲击，大大延长设备的使用寿命，减少停产时间，提高了生产效率，提高了电网质量。
应用案例
CHV100-075G-4在胜利油田游梁式抽油机上成功应用。
胜利油田的工况与江汉油田有所不同，其原油稠度大，电机的负载率大。为实现节能最大化，此方案采用变频器加装能量回馈单元的方式。基本接线图如图4所示。其工/变频转换电路与图3中类似，不再画出。回馈单元型号为：RBU-075G-4
主要参数表【变频器部分】
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功能码
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数值
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描述
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P0.00
|
0
|
需正确设置P2组参数，进行电机自学习，以提高低频输出转矩
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|
P0.01
|
1
|
端子运行指令，通过外部端子控制启停等
|
|
P0.03
|
1
|
通过外部电位器调节变频器输出频率
|
|
P0.07～P0.09
|
——
|
根据实际需要设置
|
|
P0.11～P0.12
|
——
|
根据实际需要设置
|
|
P1.00
|
1
|
无
|
|
P2.00～P2.05
|
——
|
根据电机铭牌设置
|
|
P4.10
|
1
|
智能节能
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|
P4.11
|
1
|
自动节能运行
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|
P5.02
|
1
|
正转运行
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|
P6.04
|
1
|
正转运行中
|
|
P6.05
|
3
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故障输出
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P6.07
|
3
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运行电流显示
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主要参数表【回馈单元部分】
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功能码
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数值
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描述
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P0.00
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1
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1：端子控制：
端子S1有效：自动模式；端子S2有效：手动模式
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P0.01
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0
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键盘控制，手动模式
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P0.04
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650
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设置回馈开始电压阀值
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P0.05
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12
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回馈电压滞环（容差）
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P0.06
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2
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无
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P2.00～P2.05
|
——
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根据电机铭牌设置
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P0.11
|
0
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AO输出直流母线电压
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P0.16
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0
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启动即运行
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P0.19
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350
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欠压保护值
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P0.18
|
2
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回馈运行中
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手动模式
当运行指令给定时，回馈单元一直回馈。
回馈模式：
自动模式
自动运行时，回馈单元检测母线电压，自动执行运行停止。
当母线电压大于P0.04开始回馈电压时，回馈开始。
当母线电压小于P0.04－P0.05电压值时，回馈停止。
手动模式
当运行指令给定时，回馈单元一直回馈。
由于变频器安装在野外，胜利油田当地的气候因素，昼夜温差大，易结露。为解决此问题，需在柜体内安装加热与抽湿装置。
经过较长时间的应用比较，多套设备均运行稳定，且节能效果十分明显，节能率达到了40%～50%。电网质量显著提高。
（4）共直流母线方式
对于同一井场上有多口油井的场所，可以采用共用直流母线系统方案,即若干台抽油机的变频器将其直流母线联结在一起，利用各变频器的回馈能量不可能在同时发生的原理，将某一台变频器的回馈能量作为其它变频器的动力。这样即节约了能量，又防止了泵升电压的产生。此方式可以搭配方式（2）或（3）使用，效果更佳。
应用案例
CHV100-055G-4在中原油田应用成功
此方案参数设置方面与（2）、（3）区别不大。仅在接线图上有所区别，现将有差异部分做简图绘出，如图6。其他控制接线部分基本与上述两方案雷同。
由于油井分布地理位置限制，此方案中大多为3台～4台变频器共一组直流母线。
此方案应用情况良好，节能效果明显，约为40%左右，且前期投入较适中。其必需条件是油井分布需在限制距离以内。
2. 3节能原理与数据分析
根据电机学原理：
其中：
n=电机转速
s=转差率
p=电机极对数
以上可以看出，通过改变运行频率，可以改变电机的运行转速。根据负载特性，电机运行转速下降，则电机轴功率下降。另通过变频改造，能量回馈单元将下冲程时产生的能量回馈给电网。另外，电网功率因数的提高所产成的节能效果也是十分可观的。通过INVT多个系列变频器在我国多个大型油田的实际使用数据测算可得，在油田游梁式抽油机的应用中，变频节能比可达30～50%，同时，产油量可增加20～30%。
结束语
总之，变频调速技术作为高新技术、基础技术和节能技术，其应用已经渗透到石油行业的各个技术部门。在游梁式抽油机控制应用还处于开始阶段，在应用中也出现了许多问题，这些都待于进步解决。只有充分考虑油田油井的实际情况，才能促进变频技术在采油设备中的应用。
参考文献
[1] 深圳英威腾电气股份有限公司.《INVT中压系列变频器说明书》.[M],2009
[2] 深圳英威腾电气股份有限公司.《CHV100矢量变频器说明书》. [M],2009
[3] 石油工业出版社 《游梁式抽油机设计计算》 .[M],2005