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(diào)節(jié)不方便等明顯的缺點。本文主要介紹滿毅（USFULL）變頻器在游梁式抽油機上的應(yīng)用。

一、 磕頭機的工作原理

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圖1 游梁式抽油機實物圖

磕頭機即游梁式抽油機是油田廣泛應(yīng)用的傳統(tǒng)抽油設(shè)備，通常由普通交流異步電動機直接拖動。其曲柄帶以配重平衡塊帶動抽油桿，驅(qū)動井下抽油泵做固定周期的上下往復(fù)運動，把井下的油送到地面。在一個沖次內(nèi)，隨著抽油桿的上升/下降，而使電機工作在電動/發(fā)電狀態(tài)。上升過程電機從電網(wǎng)吸收能量電動運行；下降過程電機的負(fù)載性質(zhì)為位勢負(fù)載，加之井下負(fù)壓等使電動機處于發(fā)電狀態(tài)，把機械能量轉(zhuǎn)換成電能回饋到電網(wǎng)。

如圖1,游梁式抽油機實物圖所示，當(dāng)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(zhuǎn)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(yán)重地影響抽油機的四連桿機構(gòu)、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。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(dāng)平衡配重調(diào)節(jié)較好時，其發(fā)電機運行狀態(tài)的時間和產(chǎn)生的能量都較小。

二、 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(shè)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(fù)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(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(zhuǎn)速一定，滑塊下降過程中，負(fù)荷減輕，電動機拖動產(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)致電動機進入再生發(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，造成生產(chǎn)效率降低、維護量加大，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)濟損失。

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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(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(fù)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)。

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)降低電動機轉(zhuǎn)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(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，油田抽油機為克服大的起動轉(zhuǎn)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。

（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。以提高電網(wǎng)質(zhì)量和節(jié)能為目的的變頻改造。

三、 抽油機的技術(shù)發(fā)展

抽油機的發(fā)展方向

1.朝著大型化方向發(fā)展

隨著世界油氣資源的不斷開發(fā)，開采油層深度逐年增加，石油含水量也在不斷增多，采用大泵提液采油工藝和開采稠油等，都要求采用大型抽油機，所以近年來，國外出現(xiàn)了許多大載荷抽油機，如前置式氣平衡抽油機最大載荷213kN，氣囊平衡抽油機最大載荷227kN等。還會出現(xiàn)更大載荷新型抽油機。

采用長沖程抽油方式，抽油效率高，抽油機壽命長，動載荷小，排量穩(wěn)定，具有較好的采油經(jīng)濟效益，所以近年來國外出現(xiàn)了許多長沖程抽油機，如法國Mape公司抽油機，最大沖程10m；美國WGCO公司抽油機最大沖程24.38m，NSCO公司抽油機最大沖程27.48m；原蘇聯(lián)鋼帶式超長沖程抽油機最大沖程1500m。長沖程抽油機全部采用低沖次抽油方式，Mape公司抽油機最大沖次5min-1，GDCO公司抽油機最大沖次為3min-1。

2.朝著低能耗方向發(fā)展

為了減少能耗，提高采油經(jīng)濟效益，近年來國外研制與應(yīng)用了許多節(jié)能型抽油機。例如異相型抽油機節(jié)電15%～35%；前置式抽油機節(jié)電36.8%；前置式氣平衡抽油機節(jié)電35%；輪式抽油機節(jié)電50%～80%；大圈式抽油機節(jié)電30%；自動平衡抽油機節(jié)電30%～50%；低矮型抽油機節(jié)電5%～20%；ROTAFLEX抽油機節(jié)電25%；智能抽油機節(jié)電17.4%；螺桿泵采油系統(tǒng)節(jié)電40%～50%。

3.朝著精確平衡方向發(fā)展

近年來國外很重視改進和提高抽油機的平衡效果，使抽油機得到更精確平衡。例如變平衡力矩抽油機，可使上沖程平衡力矩大于下沖程力矩。前置式氣平衡抽油機，由于可在動態(tài)下調(diào)節(jié)氣平衡，平衡效果較好。氣囊平衡抽油機有90%以上載荷得到平衡。雙井抽油機可利用兩口油井抽油桿柱合理設(shè)計得到更精確的平衡。自動平衡抽油機可保證在上下沖程每一瞬間得到較精確的平衡效果。

4.朝著高適應(yīng)性方向發(fā)展

現(xiàn)代抽油機應(yīng)具有較高的適應(yīng)性，以便拓寬使用范圍。例如適應(yīng)各種自然地理和地質(zhì)構(gòu)造條件抽油的需要；適應(yīng)各種成分石油抽汲的需要；適應(yīng)各種類型油井抽汲的需要；適應(yīng)深井抽油需要；適應(yīng)長沖程抽油的需要；適應(yīng)節(jié)電的需要；適應(yīng)精確平衡的需要；適應(yīng)無電源和間歇抽油的需要；適應(yīng)優(yōu)化抽油的需要等。

5.朝著長沖程無游梁方向發(fā)展

近年來國外研制與應(yīng)用了多種類型長沖程抽油機，其中包括增大沖程游梁抽油機、增大沖程無游梁抽油機和長沖程無游梁抽油機。實踐與理論分析表明，增大沖程游梁抽油機是常規(guī)游梁抽油機的發(fā)展方向；增大沖程無游梁抽油機是增大沖程抽油機的發(fā)展方向；長沖程無游梁抽油機是長沖程抽油機的發(fā)展方向。

6.朝著自動化和智能化方向發(fā)展

近年來抽油機技術(shù)發(fā)展的顯著標(biāo)志是自動化和智能化。美國Baker提升系統(tǒng)公司、Delta-X公司、APS公司等均研制了自動化抽油機，具有保護和報警功能，實時測得油井運行參數(shù)，及時顯示與記錄并通過計算機進行綜合計算分析，推出最優(yōu)工況參數(shù)，進一步指導(dǎo)抽油機以最優(yōu)工況抽油。美國NSCO公司智能抽油機，采用微處理機和自適應(yīng)電子控制器進行控制與監(jiān)測，具有抽油效率高、節(jié)電、功能多、安全可靠、自動化程度高、經(jīng)濟性好、適應(yīng)性強等優(yōu)點。

四、 變頻技術(shù)在抽油機的應(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(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)致電動機進入再生發(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 處于電動狀態(tài)時，從電網(wǎng)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(wǎng)的，并未在本地設(shè)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(wǎng)質(zhì)量影響較大。

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