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案例頻道1 前言
游梁式抽油機，俗稱磕頭機，在油田上有著廣泛的應用。變頻器應用于游梁式抽油機，是一種油田節能改造的嘗試。本文將施耐德電氣ATV340系列變頻器在新疆克拉瑪依石西油田作業區游梁式抽油機上的應用做簡單介紹。
2 抽油機運行原理
抽油機是一個往復式運行的負載，電機轉向不變，但是隨著電機的旋轉，抽油機“驢頭”處的懸繩器呈現往復運動，實現采油動作。常規型游梁式抽油機結構示意圖如圖1所示。
圖1 常規型游梁式抽油機結構示意圖
在這個過程中，電機的轉速并不能實現勻速。在驢頭往復運動的后期，由于懸繩器的運動方向和曲柄運動方向在空間矢量上有偏差，因此這個時候電機會被加速，存在發電狀態。如圖2、圖3、圖4所示。
圖2 在上升（下降同）中期，曲柄運動方向基本與懸繩器運動方向相同
圖3 在上升后期，曲柄運動方向與懸繩器運動方向存在一個越來越大的夾角
圖4 在下降后期，曲柄運動方向與懸繩器運動方向存在一個越來越大的夾角
當曲柄做旋轉運動時，曲柄在垂直方向上的速度分量就應該和懸繩器在垂直運動方向上的速度分量（按比例）一致。由此得知，隨著曲柄的運動越來越偏離垂直方向，曲柄在運動方向上的速度會有一個被慣性加速的過程，這是游梁式抽油機發電狀態出現的原因。
理想狀態下，抽油機的配重和負載一致時，考慮到阻力，發電狀態會比較微弱。但是抽油機在運行時，會受到各種因素的影響，例如油層的溫度、壓力發生變化，結蠟現象，配重不合理等，使抽油機在一個不穩定的狀態下運轉。按照油田的操作規程，一般每個月都會對油井進行一次熱洗，然后重新調整配重。
本次調試的MB5032井，出現了配重嚴重過輕的現象，變頻器在驢頭下降階段長期處于發電狀態。如果配重過重，則容易在上升后期出現發電狀態。
3 變頻器現場應用情況
克拉瑪依油田第一批采購了約200套施耐德電氣ATV340系列變頻器用于抽油機改造，功率范圍從11~45kW不等。本文以這次測試的MB5032井為例。變頻器參數如下：
電機額定功率：37kW；
電機額定電壓：380V；
變頻器型號：ATV340D37N4E；
變頻器重載37kW，內置制動單元，制動電阻為適合中等制動循環的3.4kW。
3.1 ENA功能
對于抽油機應用，有一個理想功能是ENA。在變頻器相關手冊中，對于ENA功能的描述是“為帶有不平衡載荷的旋轉機械設計的控制曲線”，其目的是“允許不帶制動電阻器運行”，并“減小連桿上的機械應力”。用一句話概括，即變頻器檢測到負載處于發電狀態時，它給電機定子一個加速旋轉的磁場，從而迫使電機回到電動機狀態，避開發電機狀態。
ATV340變頻器可以非常方便地實現ENA功能，只需調整以下參數：
（1）最大頻率（tFr）
位于“簡單啟動”菜單。該參數出廠設置為60Hz，一般情況我們會將其設置為高速頻率，但是這里必須將其設置更高值，否則在ENA功能加速電機時，變頻器會報“電機過速”。在本次測試中，電機最大速度達到94Hz，所以我們設置其為100~120Hz。
（2）減速自適應（brA）
位于“完整設置”菜單里，“通用功能”的“斜坡”子菜單。該參數出廠設置為“是”，這里需要設置為“否”。
（3）發電轉矩限幅（tLiG）
位于“完整設置”菜單里，“通用功能”的“轉矩限幅”子菜單。需要設置以下參數：
· 轉矩限幅激活（tLA），設置為“是”；
· 發電轉矩限幅（tLiG），設置為“0”。
3.2 “液擊”現象
ENA功能雖然能夠理想地躲開發電狀態，但用在抽油機的變頻器改造時，必須注意“液擊”現象。
當抽油機采油的活塞在做往復運動時，假如地下的油位正好處于上止點和下止點之間，那么下行時，活塞就會和油層發生撞擊。最壞的情況下，撞擊產生的沖力會將油桿撞彎，造成事故。對于配重過輕的油井，ENA功能加速下降時，會加重這種現象。所以需要特別注意，確認油位完全淹沒上止點、加大配重都可以有效地避開這種現象。如圖5所示。
圖5 抽油機采油的活塞做往復運動示意圖
3.3 調試過程
在沒有激活ENA功能時，變頻器的電流及功率曲線如圖6所示。
圖6 沒有激活ENA功能時，變頻器的電流及功率曲線
可以看到，一個循環周期為18秒，發電狀態占了7秒。發電狀態占比較大，且峰值發電功率占電機額定功率的30%。
經過上述調整后，變頻器的電流及功率曲線如圖7所示。
圖7 激活ENA功能時，變頻器的電流及功率曲線
可以看到，電機功率不再出現負值，即不再發電。但是設置50Hz時，電機頻率最高達到94Hz。由于速度的提升，循環周期從18秒變成了14秒，提升了采油效率。
由于沒有了發電狀態，制動電阻徹底不再發熱，客戶對測試結果非常滿意。從電流上看，也沒有出現液擊現象。
4 結語
對于抽油機的變頻器改造，不少油田還處于觀望狀態，甚至存在否定態度。這是因為普通的變頻器改造，是用制動電阻加制動單元的方案實現的，發電狀態發出的電能會被制動電阻轉化成熱量浪費掉。而原先沒有變頻器時，一旦電動機處于發電狀態，發出來的電會回饋電網，被其它抽油機應用。所以這種改造反而造成了能源的浪費。
變頻器激活ENA功能后，不再需要制動電阻，電能也不會被轉化成熱量，不存在能量浪費的現象，這個問題就得到了很好的解決。
此外，對于電機直接工頻驅動的油井，不僅存在啟動沖擊的現象，而且整個電機的功率因數非常低，存在大量的無功功率，用戶往往因此收到供電局的大筆罰款。利用變頻器改造后，能夠從根本上解決這一現象。綜上所述，采用施耐德電氣帶有ENA功能的變頻器后，游梁式抽油機不僅能夠提高生產效率，而且能夠真正實現節能，具有廣闊的應用前景。
摘自《自動化博覽》2021年6月刊
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號