油田抽油机案例

海利普变频器在油田抽油机上的应用

进入21世纪，变频调速技术得益于其优异的节能特性和调速特性，在

我国油田中得到广泛应用，中国产值能耗是世界上最高的国家之一。要解决产品能耗问题，除其它相关的技术问题需要改进外，变频调速技术已成为节能及提高产品质量的有效措施。油田作为一个特殊行业，有其独特的背景，油田中变频器的应用主要集中在游梁式抽油机控制、电潜泵控制、注水井控制和油气集输控制等几个场合。游梁式抽油机俗称“磕头机”，是目前各个油田所普遍采用的抽油机，但是目前的抽油机系统普遍存在着效率低、能耗大、冲程和冲次调节不方便等明显的缺点。

一、磕头机的工作原理：

图1 磕头机

如图1游梁式抽油机实物图所示,当磕头机工作时，驴头悬点上作用的载荷是变化的。上冲程时，驴头悬点需提起抽油杆柱和液柱，在抽油机未进行平衡的条件下，电动机就要付出很大的能量。在下冲程时，抽油机杆柱转而对电动机做功，使电动机处于发电机的运行状态。抽油机未进行平衡时，上、下冲程的载荷极度不均匀，这样将严重地影响抽油机的四连杆机构、减速箱和电动机的效率和寿命，恶化抽油杆的工作条件，增加它的断裂次数。为了消除这些缺点，一般在抽油机的游梁尾部或曲柄上或两处都加上了平衡重，如图1所示。这样一来，在悬点下冲程时，要把平衡重从低处抬到高处，增加平衡重的位能。为了抬高平衡配重，除了依靠抽油杆柱下落所释放的位能外，还要电动机付出部分能量。

在

上冲程时，平衡重由高处下落，把下冲程时储存的位能释放出来，帮助电动机提升抽油杆和液柱，减少了电动机在上冲程时所需给出的能量。目前使用较多的游梁式抽油机，都采用了加平衡配重的工作方式，因此在抽油机的一个工作循环中，有两个电动机运行状态和两个发电机运行状态。当平衡配重调节较好时，其发电机运行状态的时间和产生的能量都较小。

二、变频器在抽油机的应用控制问题：

我国大部分油田采用的抽油设备中，以游梁式抽油机最为普遍，数量也最多。但是游梁式抽油机运行效率非常低，电能浪费大。因此，抽油机节能潜力非常巨大。

1. 变频器在抽油机的控制问题主要体现在如下几个方面：

（1）再生能量的处理问题,

游梁式抽油机运动为反复上下提升，一个冲程提升一次，其动力来自电动机带动的两个重量相当大的钢质滑块，当滑块提升时，类似杠杆作用，将采油机杆送入井中；滑块下降时，将采油杆提出带油至井口，由于电动机转速一定，滑块下降过程中，负荷减轻，电动机拖动产生的能量无法被负载吸引，势必会寻找能量消耗的渠道，导致电动机进入再生发电状态，将多余能量反馈到电网，引起主回路母线电压升高，势必会对整个电网产生冲击，导致电网供电质量下降，功率因数降低的危险；频繁的高压冲击会损坏电动机，造成生产效率降低、维护量加大，极不利于抽油设备的节能降耗，给企业造成较大经济损失

（2）冲击电流问题

如图1所示游梁式抽油机是一种变形的四连杆机构，其整机结构特点像一架天平，一端是抽油载荷，另一端是平衡配重载荷。对于支架来说，如果抽油载荷和平衡载荷形成的扭矩相等或变化一致，那么用很小的动力就可以使抽油机连续不间断地工作。也就是说抽油机的节能技术取决于平衡的好坏。在平衡率为100％时电动机提供的动力仅用于提起1/2液柱重量和克服摩擦力等，平衡率越低，则需要电动机提供的动力越大。因为，抽油载荷是每时每刻都在变化的，而平衡配重不可能和抽油载荷作完全一致的变化，从而造成过大的冲击电流，冲击电流不仅无谓浪费掉大量的电能，而且严重威胁到设备的安全，同时也给变频器调速控制带来很大的困难：一般变频器的容量是按电动机的额定功率来选配的，过大的冲击电流会引起变频器的过载保护动作而不能正常工作。

除上述两方面问题外，油田采油的特殊地理环境决定了采油设备有其独特的运行特点：在油井开采前期储油量大，供液足，为提高功效可采用工频运行，保证较高产油量；在中后期，由于石油储量减少，易造成供液不足，电动机若仍工

频运行，势必浪费电能，造成不必要损耗，这时须考虑实际工作情况，适当降低电动机转速，减少冲程，有效提高充盈率。

2. 游梁式抽油机在使用海利普变频器后主要有以下3个方面的优点：

（1）提高功率因数：

大大提高了功率因数（可由原来的0.25～0.5提高到0.9以上），大大减小了供电（视在）电流，从而减轻了电网及变压器的负担，降低了线损，可省去大量的“增容”开支。这主要集中在供电企业对电网质量要求较高的场合，为避免电网质量的下降，需引入变频控制，其主要目的就是减小抽油机工作过程对电网的影响。

（2）节能：

这点较普遍，一方面，油田抽油机为克服大的起动转矩，采用的电动机远远大于实际所需功率，工作时电动机利用率一般为20%～30%，最高不会超过50%，电动机常处于轻载状态，造成资源浪费。另一方面，抽油机工作情况的连续变化，取决于地底下的状态，若始终处于工频运行，也会造成电能浪费。

（3）对机械设备的保护：

由于实现了真正的“软起动”，对电动机、变速箱、抽油机都避免了过大的机械冲击，大大延长了设备的使用寿命，减少了停产时间，提高了生产效率

三、海利普变频器在抽油机上的应用方案介绍：

1. 海利普变频器的性能介绍：

（1）有响应速度快、转矩特性好和抗干扰能力强等特点；

（2）采用连续的位相控制，实现无冲击的换向过程；

（3）连续的直流制动。保证任何位置时都能平稳停机而不滑动；

（4）可以实现初始电压任意调整并从停止位置平稳启动；

（5）自动节能，根据负载的变化自动调节输出电压，以达到最大限度的节能效果。

2. 控制方法及思想：

通过S7-200的A/D模块接收抽油机每个周期抽取的油量信号，根据每个周期抽取的油量大小（可安装流量计），来调整变频器的运行频率。当每个周期的抽油量小于预定抽油量时，根据比例关系降低变频器的运行频率，保证没有周期的抽油量稳定在预定目标值左右，节省电能。

频率的改变量=运行频率*（1-周期抽油量/预定抽油量）

海利普变频器的基本参数设定：

控制原理图如下所示：

（1）变频器加制动单元控制，如图2所示：

图2 变频器加制动单元

在变频器主回路直流母线两端加制动单元和制动电阻，由于抽油机在下降

段电机处在发电状态，将多余能量反馈到变频器，引起主变频器主回路直流母线电压升高，而电能没有流回电网的通路，必须用电阻来就地消耗，这就是我们在变频器上必须使用制动单元和制动电阻的原因。

（2）变频器加能量回馈单元控制，如图3所示：

图3 变频器加能量回馈单元

因为制动电阻的散热比较难解决，而且接通制动电阻的开关管的寿命会在频繁的长时间的开起过程中缩短。钟对上述情况，为了回馈再生能量，提高效率，可以采用能量回馈装置，将再生能量回馈电网，达到节能的目的。

四 能量回馈单元简介

所谓能量回馈装置，其实就是一台有源逆变器。采用的功率开关器件变器逆变将变频器直流回路的电压反馈到电网。

（1） 能量回馈单元原理图，如图4：

图4 能量回馈单元主回路原理

三电平电路，每一相桥臂4个开关元件有三种正常的开关模式。以A相为例：Ug1和Ug2导通时，A相输出+U0/2；Ug2和Ug3导通时，A相输出零电平；Ug3和Ug4导通时，A相输出-U0/2。如果用Sa、Sb、Sc分别表示各桥臂的开关状态，每一桥臂都有三种开关状态，如下表所列：

（2）能量回馈单元的逻辑控制图

能源回馈单元的控制方块图如图6所示：

图5系统控制方块图

整个装置的控制系统是电压外环与电流内环的双闭环控制控制。在图5中，1-系统母线给定值，2-电压调节器，3-电流调节器，4-PWM信号生成部分，5-主功率器件电路，6-均流与环流抑制电路，7-交流电网，8-相电流检测电路，9-相电压检测、同步信号生成及母线电压采集电路。

首先装置的控制系统实时检测

系统母线，当高于某一设定值时，系统投入工作，母线检测值与母线设定值做差，其值输入电压调节器经过一定控制运算，完成电压外环的控制功能，电压调节器的输出便是电压外环的输出信号，同时也是电流内环的给定信号，其值与系统检测到的实时电流做差，再经过电流调节器的控制运算，完成电流内环的控制功能。此方块的输出直接送给PWM信号生成部分，其生成的PWM波送给主功率器件电路，最后多个主功率器件单元电路并联，经过均流与环流抑制电路直接连到交流电网上。整个大电流再生能源回馈装置控制系统就是这样电压外环与电流内环相互作用的双闭环控制系统。

（3）使用能量会快单元的优点：

A 回馈效率高达97%，热损小，仅为能耗制动的1%左右；

B 功率因数高，约等于1；

C 高次谐波电流小，对电网的污染较小；

D 易于控制电源侧的谐波分量和无功分量；

F 具有较好的节能效果。

五、总结

海利普变频器应用于油田抽油机，实现软起动，软停车和调速运行过程控制。具有起动电流小、速度平稳、性能可靠、对电网冲击小等优点，可实现上下速度任意调节和闭环控制运行；用户可根据油井的液位、压力确定抽油机的冲机、速度和产液量，降耗节能，提高泵效；使设备减少磨损，延长使用寿命，高效节能，实现在最大节能状态下的自动化运行。

根据海利普变频器在国内各大油田的使用情况看，运行稳定，节能效果显著，大约在20%~30%之间，而且大大节省了设备的维护费用，降低了运营成本，深受用户好评！