變頻器在抽油機上應用的若干問題探討

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

關(guān)鍵詞：抽油機；變頻器；直流母線；制動單元；有源逆變；能量回饋

1 前言

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

目前我國抽油機的保有量在10萬臺以上，電動機裝機總?cè)萘吭?500MW，年耗電逾百億kW·h。抽油機的運行效率特別低，在我國平均運行效率為25.96％，國外平均水平為30.05％，年節(jié)能潛力可達幾十億kW·h。除了抽油機之外，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“電機系統(tǒng)節(jié)能”的重點行業(yè)。

抽油機節(jié)能，其首選方案是采用變頻器對其電機拖動系統(tǒng)進行改造，抽油機改用變頻器拖動后有以下幾個好處：

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)及變壓器的負擔，降低了線損，可省去大量的“增容”開支;

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

3）由于實現(xiàn)了真正的“軟起動”，對電動機、變速箱、抽油機都避免了過大的機械沖擊，大大延長了設(shè)備的使用壽命，減少了停產(chǎn)時間，提高了生產(chǎn)效率。

但是，變頻器用于抽油機電機時，也有幾個問題需要解決，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，游梁式抽油機是一種變形的四連桿機構(gòu)，其整機結(jié)構(gòu)特點像一架天平，一端是抽油載荷，另一端是平衡配重載荷。對于支架來說，如果抽油載荷和平衡載荷形成的扭矩相等或變化一致，那么用很小的動力就可以使抽油機連續(xù)不間斷地工作。也就是說抽油機的節(jié)能技術(shù)取決于平衡的好壞。在平衡率為100％時電動機提供的動力僅用于提起1/2液柱重量和克服摩擦力等，平衡率越低，則需要電動機提供的動力越大。因為，抽油載荷是每時每刻都在變化的，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的節(jié)能技術(shù)變得十分復雜。因此，可以說游梁式抽油機的節(jié)能技術(shù)就是平衡技術(shù)。

圖1 常規(guī)曲柄平衡抽油機

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—剎車保險裝置；

13—剎車裝置；14—電動機；15—配電箱。

對某油田18口井的調(diào)查顯示，只有1～2口井的配重平衡較好，絕大部分抽油機的配重嚴重不平衡，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。不僅無謂浪費掉大量的電能，而且嚴重威脅到設(shè)備的安全。同時也給采用變頻器調(diào)速控制造成很大的困難：一般變頻器的容量是按電動機的額定功率來選配的，過大的沖擊電流會引起變頻器的過載保護動作而不能正常工作。

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

由于抽油機的起動扭矩往往很大，慣性也很大，所以要將變頻器的加減速時間設(shè)置得足夠長，一般為30～50s，才不致在起動時引起過載保護動作。

3 再生能量的處理問題

由于抽油機屬位能性負載，尤其當配重不平衡時，在抽油機工作的一個沖程周期中，會出現(xiàn)電動機處于再生制動工作狀態(tài)（發(fā)電狀態(tài)），電動機由于位能或慣性，其轉(zhuǎn)速會超過同步轉(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將會對濾波電容器和功率開關(guān)器件構(gòu)成威脅，為了保護電容器及功率開關(guān)器件的安全，所以變頻器都設(shè)置了“OUD”保護——直流母線電壓高保護停機功能。

1）一種辦法是增大變頻器直流母線上濾波電容器的容量，將再生能量儲存起來，等電動狀態(tài)時再釋放給電動機作功。這種方法對節(jié)能有利，但是電容器的儲能作用是有限的。譬如，某抽油機電動機的平均功率以10kW計算，回饋功率以25％計算為2.5kW，在一個沖程周期中發(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，正常工作時直流母線電壓（U_s）小于600V，“OUD”保護電壓（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，也只能儲能1400J，因此在大容量或者負載慣量大的系統(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，對節(jié)能不利。尤其是在大容量或者大慣量拖動系統(tǒng)中，能量的損失較大。當然也可以采用現(xiàn)成的變頻器選件——制動單元和制動電阻來實現(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）對于地處北方寒冷地區(qū)的抽油機，為了在冬季增加原油的流動性和防止結(jié)臘，對井口回油管進行電加熱，如中頻電加熱裝置，這時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，這樣可將電動機回饋到直流母線上的再生能量用于中頻加熱器，同時又防止了直流母線電壓的泵升。

4）對于同一井場上有多口油井的場所，可以采用共用直流母線系統(tǒng)方案,即若干臺抽油機的變頻器可共用一臺整流器，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發(fā)生的原理，將某一臺變頻器的回饋能量作為其它變頻器的動力。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