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    前言
      
    進入21世紀，變頻調速技術得益于其優(yōu)異的節(jié)能特性和調速特性，在我國油田中得到廣泛應用，中國產值能耗是世界上最高的國家之一。要解決產品能耗問題，除其它相關的技術問題需要改進外，變頻調速技術已成為節(jié)能及提高產品質量的有效措施。油田作為一個特殊行業(yè)，有其獨特的背景，油田中變頻器的應用主要集中在游梁式抽油機控制、電潛泵控制、注水井控制和油氣集輸控制等幾個場合。游梁式抽油機俗稱“磕頭機”，是目前各個油田所普遍采用的抽油機，但是目前的抽油機系統(tǒng)普遍存在著效率低、能耗大、沖程和沖次調節(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上的應用。

    1 磕頭機的工作原理

                
 
                                    圖1 游梁式抽油機實物圖

    如圖1,游梁式抽油機實物圖所示,當磕頭機工作時，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，在抽油機未進行平衡的條件下，電動機就要付出很大的能量。在下沖程時，抽油機桿柱轉而對電動機做功，使電動機處于發(fā)電機的運行狀態(tài)。抽油機未進行平衡時，上、下沖程的載荷極度不均勻，這樣將嚴重地影響抽油機的四連桿機構、減速箱和電動機的效率和壽命，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，幫助電動機提升抽油桿和液柱，減少了電動機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，都采用了加平衡配重的工作方式，因此在抽油機的一個工作循環(huán)中，有兩個電動機運行狀態(tài)和兩個發(fā)電機運行狀態(tài)。當平衡配重調節(jié)較好時，其發(fā)電機運行狀態(tài)的時間和產生的能量都較小。

    2 變頻器在抽油機的控制問題
       
    目前，在勝利油田采用的抽油設備中，以游梁式抽油機最為普遍，數(shù)量也最多。其數(shù)量達十萬臺以上。抽油機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，抽油機節(jié)能潛力非常巨大，石油行業(yè)也是推廣“電機系統(tǒng)節(jié)能”的重點行業(yè)。

    2.1變頻器在抽油機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，游梁式抽油機運動為反復上下提升，一個沖程提升一次，其動力來自電動機帶動的兩個重量相當大的鋼質滑塊，當滑塊提升時，類似杠桿作用，將采油機桿送入井中；滑塊下降時，采油桿提出帶油至井口，由于電動機轉速一定，滑塊下降過程中，負荷減輕，電動機拖動產生的能量無法被負載吸引，勢必會尋找能量消耗的渠道，導致電動機進入再生發(fā)電狀態(tài)，將多余能量反饋到電網，引起主回路母線電壓升高，勢必會對整個電網產生沖擊，導致電網供電質量下降，功率因數(shù)降低的危險；頻繁的高壓沖擊會損壞電動機，造成生產效率降低、維護量加大，極不利于抽油設備的節(jié)能降耗，給企業(yè)造成較大經濟損失。

                   
 
                                 圖2 常規(guī)曲柄平衡抽油機
       
    另一方面是沖擊電流問題，如圖二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)能技術變得十分復雜。因此，可以說游梁式抽油機的節(jié)能技術就是平衡技術。

    對長慶油田幾十口油井的調查顯示，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，而且嚴重威脅到設備的安全。同時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。
      
    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，保證較高產油量；在中后期，由于石油儲量減少，易造成供液不足，電動機若仍工頻運行，勢必浪費電能，造成不必要損耗，這時須考慮實際工作情況，適當降低電動機轉速，減少沖程，有效提高充盈率。

    2.2游梁式抽油機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，從而減輕了電網及變壓器的負擔，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)對電網質量要求較高的場合，為避免電網質量的下降，需引入變頻控制，其主要目的就是減小抽油機工作過程對電網的影響。

    (2) 以節(jié)能為第一目標的變頻改造。這點較普遍，一方面，油田抽油機為克服大的起動轉矩，采用的電動機遠遠大于實際所需功率，工作時電動機利用率一般為20%～30%，最高不會超過50%，電動機常處于輕載狀態(tài)，造成資源浪費。另一方面，抽油機工作情況的連續(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，提高電動機工作效率，需進行變頻改造。

    (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，大大延長了設備的使用壽命，減少了停產時間，提高了生產效率。以提高電網質量和節(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，是應用中的一個重要發(fā)展方向。

    3 抽油機的技術發(fā)展
       
    第一代：最先的抽油機主馬達主要是采用三相異步電機啟動，三相異步電動機啟動運行缺點就是沒有調速功能，只能保持一個恒速，嚴重影響產油量。這種不帶保護的抽油機電機控制方式已經退出了歷史舞臺。
       
    第二代：由于直流電動機（俗稱滑差電機）的面世，也加快了直流電機在抽油機上的應用，從而替代了異步電機的使用。采用直流調速的方法明顯的優(yōu)勝三相異步電機，產油量也高了許多；但直流電動機成本比較高，電磁調速頭也容易損壞，其調速性能也不是很理想。
       
    第三代：采用變級電機調速，就是改變電機極對數(shù)來達到調速的目的，常采用4／8／32極多速電機實現(xiàn)。但其裝置比較復雜，占用空間也比較大，設備壽命短，穩(wěn)定性不太好。
       
    第四代：變頻調速技術，由于變頻調速技術已成為節(jié)能及提高產品效益質量的有效措施，油田中變頻器應用在游梁式抽油機已經非常廣泛。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．抽油機的負載變化是無規(guī)律的，故采用變頻調速技術，使抽油機的運動規(guī)律適應油井的變化工況，實現(xiàn)抽油系統(tǒng)效率的提高，達到節(jié)能增產的目的。下面鐘對變頻器在油田嗑頭機中的應用，例出幾個應用方案做簡要論述。

    4 變頻技術在抽油機的應用方案介紹

    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，由于抽油機起動時需要大力矩，上升段也需要大力矩，而在下降段電機處在發(fā)電狀態(tài)。最關建的就是下降段，這個過程是連續(xù)運轉的，同時隨油的稠度，井深，產量調節(jié)往復運動次數(shù)/MIN，導致電動機進入再生發(fā)電狀態(tài)，將多余能量反饋到電網，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造成。在未采用變頻器時，電動機處于電動狀態(tài)時，從電網吸收電能；電動機處于發(fā)電狀態(tài)時，釋放能量，電能直接回饋電網的，并未在本地設備上耗費掉。綜合表現(xiàn)為抽油機供電系統(tǒng)的功率因數(shù)較低，對電網質量影響較大。

                 

                                       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，變頻控制柜殼的散熱都要解決何況發(fā)熱的電阻，變頻器發(fā)熱。接通制動電阻的開關管的壽命會在頻繁的長時間的開起過程中損壞。鐘對第上述情況，為了回饋再生能量，提高效率，可以采用能量回饋裝置，將再生能量回饋電網，當然這樣一來，系統(tǒng)就更復雜，投資也就更高了。
       
    所謂能量回饋裝置，其實就是一臺有源逆變器。按采用的功率開關器件的不同又可以分為晶閘管（SCR）有源逆變器及絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）逆變器兩種，它們的共同特點是可以將變頻器直流回路的電壓反饋到電網，如下圖4所示。
       
    加裝能量回饋單元的變頻器適用于交流50HZ，額定電壓380V或660V的異步電動機和永磁同步電動機，實現(xiàn)軟起動，軟停車和調速運行過程控制。具有起動電流小、速度平穩(wěn)、性能可靠、對電網沖擊小等優(yōu)點，可實現(xiàn)上下速度任意調節(jié)和閉環(huán)控制運行；用戶可根據(jù)油井的液位、壓力確定抽油機的沖機、速度和產液量，降耗節(jié)能，是高泵效；使設備減少磨損，延長使用壽命，高效節(jié)能低成本，實現(xiàn)在最大節(jié)能狀態(tài)下的自動化運行。

              
 
                                     圖4  變頻器加回饋單元

    4.3 四象限變頻器技術控制
       
    對于第一種情況和第二種情況，必須妥善的處理電動機發(fā)電狀態(tài)產生的電能，必須將其反饋到電網，否則通過調節(jié)抽油機的沖程節(jié)省的電能可能不能抵消變頻器制動單元消耗的電能，造成變頻運行時反而耗能，與節(jié)能的目標背道而馳。為了解決這個問題，有必要對普通變頻器進行改造，在結構上引入雙PWM結構的變頻器如下圖5所示，保證發(fā)電狀態(tài)產生的電能回饋電網;在控制方法引入自適應控制以適應游梁式抽油機多變的工作環(huán)境。

                  

                                  圖5 四象限運行變頻器主電路

    4.3.1 四象限變頻器工作原理
       
    當電機工作在電動狀態(tài)的時候，整流控制單元的DSP產生6路高頻的PWM脈沖控制整流側的6個IGBT的開通和關斷。IGBT的開通和關斷與輸入電抗器共同作用產生了與輸入電壓相位一致的正弦電流波形，這樣就消除了二極管整流橋產生的6K±1諧波。功率因數(shù)高達99%。消除了對電網的諧波污染。此時能量從電網經由整流回路和逆變回路流向電機，變頻器工作在第一、第三象限。
        
    當電動機工作在發(fā)電狀態(tài)的時候，電機產生的能量通過逆變側的二極管回饋到直流母線，當直流母線電壓超過一定的值，整流側能量回饋控制部分啟動，將直流逆變成交流，通過控制逆變電壓相位和幅值將能量回饋到電網，達到節(jié)能的效果。
       
    采用帶有PWM控制整流器變頻器具有四象限運行的功能，能滿足各種位勢負載的調速要求，可就電機的再生能量轉化為電能送回電網，達到最大限度的節(jié)能的目的。不僅如此，它還可減少電源的諧波污染，功率因數(shù)可接近于1，是一種真正的“綠色”變頻器。整流器變頻器

    5 總結
       
    總之，變頻調速技術作為高新技術、基礎技術和節(jié)能技術，其應用已經滲透到石油行業(yè)的各個技術部門。在游梁式抽油機控制和電潛泵控制中的應用還處于開始階段，在應用中也出現(xiàn)了許多問題，這些都待于進步解決。只有充分考慮油田油井的實際情況，才能促進變頻技術在采油設備中的應用。在油田注水和油氣集輸中的應用與生活中的恒壓供水類似，其應用技術已經成熟，應用也十分普遍。