0 前言
       進(jìn)入21世紀(jì)，變頻調(diào)速技術(shù)得益于其優(yōu)異的節(jié)能特性和調(diào)速特性，在我國油田中得到廣泛應(yīng)用，中國產(chǎn)值能耗是世界上最高的國家之一。要解決產(chǎn)品能耗問題，除其它相關(guān)的技術(shù)問題需要改進(jìn)外，變頻調(diào)速技術(shù)已成為節(jié)能及提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效措施。油田作為一個特殊行業(yè)，有其獨特的背景，油田中變頻器的應(yīng)用主要集中在游梁式抽油機(jī)控制、電潛泵控制、注水井控制和油氣集輸控制等幾個場合。游梁式抽油機(jī)俗稱“磕頭機(jī)”，是目前各個油田所普遍采用的抽油機(jī)，但是目前的抽油機(jī)系統(tǒng)普遍存在著效率低、能耗大、沖程和沖次調(diào)節(jié)不方便等明顯的缺點。本文主要介紹變頻器在游梁式抽油機(jī)上的應(yīng)用。

1 磕頭機(jī)的工作原理
 

圖1 游梁式抽油機(jī)實物圖
        如圖1,游梁式抽油機(jī)實物圖所示,當(dāng)磕頭機(jī)工作時，驢頭懸點上作用的載荷是變化的。上沖程時，驢頭懸點需提起抽油桿柱和液柱，在抽油機(jī)未進(jìn)行平衡的條件下，電動機(jī)就要付出很大的能量。在下沖程時，抽油機(jī)桿柱轉(zhuǎn)而對電動機(jī)做功，使電動機(jī)處于發(fā)電機(jī)的運行狀態(tài)。抽油機(jī)未進(jìn)行平衡時，上、下沖程的載荷極度不均勻，這樣將嚴(yán)重地影響抽油機(jī)的四連桿機(jī)構(gòu)、減速箱和電動機(jī)的效率和壽命，惡化抽油桿的工作條件，增加它的斷裂次數(shù)。為了消除這些缺點，一般在抽油機(jī)的游梁尾部或曲柄上或兩處都加上了平衡重，如圖1所示。這樣一來，在懸點下沖程時，要把平衡重從低處抬到高處，增加平衡重的位能。為了抬高平衡配重，除了依靠抽油桿柱下落所釋放的位能外，還要電動機(jī)付出部分能量。在上沖程時，平衡重由高處下落，把下沖程時儲存的位能釋放出來，幫助電動機(jī)提升抽油桿和液柱，減少了電動機(jī)在上沖程時所需給出的能量。目前使用較多的游梁式抽油機(jī)，都采用了加平衡配重的工作方式，因此在抽油機(jī)的一個工作循環(huán)中，有兩個電動機(jī)運行狀態(tài)和兩個發(fā)電機(jī)運行狀態(tài)。當(dāng)平衡配重調(diào)節(jié)較好時，其發(fā)電機(jī)運行狀態(tài)的時間和產(chǎn)生的能量都較小。

2 變頻器在抽油機(jī)的控制問題
        目前，在勝利油田采用的抽油設(shè)備中，以游梁式抽油機(jī)最為普遍，數(shù)量也最多。其數(shù)量達(dá)十萬臺以上。抽油機(jī)用電量約占油田總用電量的40%，運行效率非常低，平均運行效率只有25%，功率因數(shù)低，電能浪費大。因此，抽油機(jī)節(jié)能潛力非常巨大，石油行業(yè)也是推廣“電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能”的重點行業(yè)。
2.1變頻器在抽油機(jī)的控制問題主要體現(xiàn)在如下幾個方面
        一方面是再生能量的處理問題,如圖2所示，游梁式抽油機(jī)運動為反復(fù)上下提升，一個沖程提升一次，其動力來自電動機(jī)帶動的兩個重量相當(dāng)大的鋼質(zhì)滑塊，當(dāng)滑塊提升時，類似杠桿作用，將采油機(jī)桿送入井中；滑塊下降時，采油桿提出帶油至井口，由于電動機(jī)轉(zhuǎn)速一定，滑塊下降過程中，負(fù)荷減輕，電動機(jī)拖動產(chǎn)生的能量無法被負(fù)載吸引，勢必會尋找能量消耗的渠道，導(dǎo)致電動機(jī)進(jìn)入再生發(fā)電狀態(tài)，將多余能量反饋到電網(wǎng)，引起主回路母線電壓升高，勢必會對整個電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，導(dǎo)致電網(wǎng)供電質(zhì)量下降，功率因數(shù)降低的危險；頻繁的高壓沖擊會損壞電動機(jī)，造成生產(chǎn)效率降低、維護(hù)量加大，極不利于抽油設(shè)備的節(jié)能降耗，給企業(yè)造成較大經(jīng)濟(jì)損失。

 圖2 常規(guī)曲柄平衡抽油機(jī)
        另一方面是沖擊電流問題，如圖二所示游梁式抽油機(jī)是一種變形的四連桿機(jī)構(gòu)，其整機(jī)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(jī)連續(xù)不間斷地工作。也就是說抽油機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)的節(jié)能技術(shù)變得十分復(fù)雜。因此，可以說游梁式抽油機(jī)的節(jié)能技術(shù)就是平衡技術(shù)。
對長慶油田幾十口油井的調(diào)查顯示，只有1～2口井的配重平衡較好，絕大部分抽油機(jī)的配重嚴(yán)重不平衡，其中有一半以上口井的配重偏小，另有幾口井配重又偏大，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(yán)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(jī)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(hù)動作而不能正常工作。
       除上述兩方面問題外，油田采油的特殊地理環(huán)境決定了采油設(shè)備有其獨特的運行特點：在油井開采前期儲油量大，供液足，為提高功效可采用工頻運行，保證較高產(chǎn)油量；在中后期，由于石油儲量減少，易造成供液不足，電動機(jī)若仍工頻運行，勢必浪費電能，造成不必要損耗，這時須考慮實際工作情況，適當(dāng)降低電動機(jī)轉(zhuǎn)速，減少沖程，有效提高充盈率。
2.2游梁式抽油機(jī)的變頻改造主要有以下3個方面
(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(fù)擔(dān)，降低了線損，可省去大量的“增容”開支.這主要集中在供電企業(yè)對電網(wǎng)質(zhì)量要求較高的場合，為避免電網(wǎng)質(zhì)量的下降，需引入變頻控制，其主要目的就是減小抽油機(jī)工作過程對電網(wǎng)的影響。
(2) 以節(jié)能為第一目標(biāo)的變頻改造。這點較普遍，一方面，油田抽油機(jī)為克服大的起動轉(zhuǎn)矩，采用的電動機(jī)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實際所需功率，工作時電動機(jī)利用率一般為20%～30%，最高不會超過50%，電動機(jī)常處于輕載狀態(tài)，造成資源浪費。另一方面，抽油機(jī)工作情況的連續(xù)變化，取決于地底下的狀態(tài)，若始終處于工頻運行，也會造成電能浪費。為了節(jié)能，提高電動機(jī)工作效率，需進(jìn)行變頻改造。
(3) 由于實現(xiàn)了真正的“軟起動”，對電動機(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。以提高電網(wǎng)質(zhì)量和節(jié)能為目的的變頻改造。這種情況綜合了上面兩種改造的優(yōu)點，是應(yīng)用中的一個重要發(fā)展方向。

3 抽油機(jī)的技術(shù)發(fā)展
        第一代：最先的抽油機(jī)主馬達(dá)主要是采用三相異步電機(jī)啟動，三相異步電動機(jī)啟動運行缺點就是沒有調(diào)速功能，只能保持一個恒速，嚴(yán)重影響產(chǎn)油量。這種不帶保護(hù)的抽油機(jī)電機(jī)控制方式已經(jīng)退出了歷史舞臺。
        第二代：由于直流電動機(jī)（俗稱滑差電機(jī)）的面世，也加快了直流電機(jī)在抽油機(jī)上的應(yīng)用，從而替代了異步電機(jī)的使用。采用直流調(diào)速的方法明顯的優(yōu)勝三相異步電機(jī)，產(chǎn)油量也高了許多；但直流電動機(jī)成本比較高，電磁調(diào)速頭也容易損壞，其調(diào)速性能也不是很理想。
        第三代：采用變級電機(jī)調(diào)速，就是改變電機(jī)極對數(shù)來達(dá)到調(diào)速的目的，常采用4／8／32極多速電機(jī)實現(xiàn)。但其裝置比較復(fù)雜，占用空間也比較大，設(shè)備壽命短，穩(wěn)定性不太好。
        第四代：變頻調(diào)速技術(shù)，由于變頻調(diào)速技術(shù)已成為節(jié)能及提高產(chǎn)品效益質(zhì)量的有效措施，油田中變頻器應(yīng)用在游梁式抽油機(jī)已經(jīng)非常廣泛。由于油井的類型和工況千差萬別，井下滲油和滲水量每時每刻都在變．抽油機(jī)的負(fù)載變化是無規(guī)律的，故采用變頻調(diào)速技術(shù)，使抽油機(jī)的運動規(guī)律適應(yīng)油井的變化工況，實現(xiàn)抽油系統(tǒng)效率的提高，達(dá)到節(jié)能增產(chǎn)的目的。下面鐘對變頻器在油田嗑頭機(jī)中的應(yīng)用，例出幾個應(yīng)用方案做簡要論述。

4 變頻技術(shù)在抽油機(jī)的應(yīng)用方案介紹
4.1 變頻器加制動單元控制
        如下圖3所示：在變頻器主回路直流母線兩端加制動電阻和制動單元，由于抽油機(jī)起動時需要大力矩，上升段也需要大力矩，而在下降段電機(jī)處在發(fā)電狀態(tài)。最關(guān)建的就是下降段，這個過程是連續(xù)運轉(zhuǎn)的，同時隨油的稠度，井深，產(chǎn)量調(diào)節(jié)往復(fù)運動次數(shù)/MIN，導(dǎo)致電動機(jī)進(jìn)入再生發(fā)電狀態(tài)，將多余能量反饋到電網(wǎng)，引起主變頻器主回路直流母線電壓升高（此問題在文章第2節(jié)提到過），而電能沒有流回電網(wǎng)的通路，必須用電阻來就地消耗，這就是我們在變頻器上必須使用制動單元和制動電阻的原因，現(xiàn)在大功率變頻器一般都可以定制動單元，完全可以達(dá)到理想中的控制效果。
        對于上述第一種情況，采用普通變頻器加能耗制動單元可較方便實現(xiàn)，這是以多耗電能為代價的，主要因為發(fā)電能量不能回饋電網(wǎng)造成。在未采用變頻器時，電動機(jī)處于電動狀態(tài)時，從電網(wǎng)吸收電能；電動機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時，釋放能量，電能直接回饋電網(wǎng)的，并未在本地設(shè)備上耗費掉。綜合表現(xiàn)為抽油機(jī)供電系統(tǒng)的功率因數(shù)較低，對電網(wǎng)質(zhì)量影響較大。
 

圖3 變頻器加制動電阻
4.2 變頻器加回饋單元控制
        由于在變頻器的直流上加制動電阻解決不了實際問題，因為制動電阻的散熱解決不了<