變頻器在抽油機上應用的若干問(wèn)題探討

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

關(guān)鍵詞：抽油機；變頻器；直流母線(xiàn)；制動(dòng)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(lái)壓油入井，靠抽油機（磕頭機）把油從地層中提升上來(lái)。以水換油、以電換油是目前我國油田的現實(shí)，電費在我國的石油開(kāi)采成本中占了相當大的比例，所以，石油行業(yè)十分重視節約電能。

目前我國抽油機的保有量在10萬(wàn)臺以上，電動(dòng)機裝機總容量在3500MW，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、潛油泵等設備，總耗電量超過(guò)油田總用電量的80％，可見(jiàn)，石油行業(yè)也是推廣“電機系統節能”的重點(diǎn)行業(yè)。

抽油機節能，其首選方案是采用變頻器對其電機拖動(dòng)系統進(jìn)行改造，抽油機改用變頻器拖動(dòng)后有以下幾個(gè)好處：

1）大大提高了功率因數（可由原來(lái)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(xiàn)損，可省去大量的“增容”開(kāi)支;

2）可根據油井的實(shí)際供液能力，動(dòng)態(tài)調整抽取速度，一方面達到節能目的，同時(shí)還可以增加原油產(chǎn)量;

3）由于實(shí)現了真正的“軟起動(dòng)”，對電動(dòng)機、變速箱、抽油機都避免了過(guò)大的機械沖擊，大大延長(cháng)了設備的使用壽命，減少了停產(chǎn)時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。

但是，變頻器用于抽油機電機時(shí)，也有幾個(gè)問(wèn)題需要解決，主要是沖擊電流問(wèn)題和再生能量的處理問(wèn)題，下面分別加以分析。

2 沖擊電流問(wèn)題

如圖1所示，游梁式抽油機是一種變形的四連桿機構，其整機結構特點(diǎn)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(lái)說(shuō)，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(dòng)力就可以使抽油機連續不間斷地工作。也就是說(shuō)抽油機的節能技術(shù)取決于平衡的好壞。在平衡率為100％時(shí)電動(dòng)機提供的動(dòng)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(dòng)機提供的動(dòng)力越大。因為，抽油載荷是每時(shí)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能技術(shù)變得十分復雜。因此，可以說(shuō)游梁式抽油機的節能技術(shù)就是平衡技術(shù)。

圖1 常規曲柄平衡抽油機

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(xiāo)裝置；

10—曲柄裝置；11—減速器；12—剎車(chē)保險裝置；

13—剎車(chē)裝置；14—電動(dòng)機；15—配電箱。

對某油田18口井的調查顯示，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(guò)大的沖擊電流，沖擊電流與工作電流之比最大可超過(guò)5倍，甚至超過(guò)額定電流的3倍。不僅無(wú)謂浪費掉大量的電能，而且嚴重威脅到設備的安全。同時(shí)也給采用變頻器調速控制造成很大的困難：一般變頻器的容量是按電動(dòng)機的額定功率來(lái)選配的，過(guò)大的沖擊電流會(huì )引起變頻器的過(guò)載保護動(dòng)作而不能正常工作。

通過(guò)對抽油機曲柄配重塊的調整，都可以使沖擊電流降到電機額定電流之內，沖擊電流與正常工作電流之比在1.5倍以?xún)?。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(dòng)機的負載率而定）都可以長(cháng)期穩定運行。

由于抽油機的起動(dòng)扭矩往往很大，慣性也很大，所以要將變頻器的加減速時(shí)間設置得足夠長(cháng)，一般為30～50s，才不致在起動(dòng)時(shí)引起過(guò)載保護動(dòng)作。

3 再生能量的處理問(wèn)題

由于抽油機屬位能性負載，尤其當配重不平衡時(shí)，在抽油機工作的一個(gè)沖程周期中，會(huì )出現電動(dòng)機處于再生制動(dòng)工作狀態(tài)（發(fā)電狀態(tài)），電動(dòng)機由于位能或慣性，其轉速會(huì )超過(guò)同步轉速，再生能量通過(guò)與變頻器逆變橋開(kāi)關(guān)器件（IGBT）并聯(lián)的續流二極管的整流作用，反饋到直流母線(xiàn)。由于交－直－交變頻器的直流母線(xiàn)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(xiàn)的再生能量只能對濾波電容器充電而使直流母線(xiàn)電壓升高，稱(chēng)作“泵升電壓”。直流母線(xiàn)電壓過(guò)高時(shí)將會(huì )對濾波電容器和功率開(kāi)關(guān)器件構成威脅，為了保護電容器及功率開(kāi)關(guān)器件的安全，所以變頻器都設置了“OUD”保護——直流母線(xiàn)電壓高保護停機功能。

1）一種辦法是增大變頻器直流母線(xiàn)上濾波電容器的容量，將再生能量?jì)Υ嫫饋?lái)，等電動(dòng)狀態(tài)時(shí)再釋放給電動(dòng)機作功。這種方法對節能有利，但是電容器的儲能作用是有限的。譬如，某抽油機電動(dòng)機的平均功率以10kW計算，回饋功率以25％計算為2.5kW，在一個(gè)沖程周期中發(fā)電狀態(tài)為2～3s的話(huà)，則回饋能量E_d=6000J。若采用15kW的變頻器，其直流母線(xiàn)濾波電容的容量為2200μF，正常工作時(shí)直流母線(xiàn)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(lái)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中，不可能只靠濾波電容器來(lái)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(kāi)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，對節能不利。尤其是在大容量或者大慣量拖動(dòng)系統中，能量的損失較大。當然也可以采用現成的變頻器選件——制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻來(lái)實(shí)現，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的抽油機，為了在冬季增加原油的流動(dòng)性和防止結臘，對井口回油管進(jìn)行電加熱，如中頻電加熱裝置，這時(shí)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(xiàn)，這樣可將電動(dòng)機回饋到直流母線(xiàn)上的再生能量用于中頻加熱器，同時(shí)又防止了直流母線(xiàn)電壓的泵升。

4）對于同一井場(chǎng)上有多口油井的場(chǎng)所，可以采用共用直流母線(xiàn)系統方案,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(xiàn)聯(lián)結在一起，利用各變頻器的回饋能量不可能在同時(shí)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(dòng)力。這樣即節約了能量，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(xiàn)的多逆變器系統主電路