1． 前言
變頻器從上個世紀80年代在中國推出以后，在國民經(jīng)濟和日常生活中發(fā)揮著日益重要作用，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于企業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)以及人們的日常生活中。變頻器廣泛應(yīng)用,主要得益于其優(yōu)良的節(jié)能特性和調(diào)速特性。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)問題需要改進外，變頻調(diào)速已成為節(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，在油田中以風(fēng)機、泵類負載為主，因而決定了變頻器在油田中的應(yīng)用，以節(jié)能為第一目標。油田中變頻器的應(yīng)用主要集中在游梁式抽油機控制、潛泵控制、注水井控制和油氣集輸控制等幾個場合。下面從這個方面對變頻器在油田中應(yīng)用情況進行簡單的說明。
2 變頻器在游梁式抽油機控制中的應(yīng)用
目前，在陜北、甘肅和寧夏等地，油田采用的抽油設(shè)備中，有一部分為游梁式抽油機，數(shù)量也比較多。一方面，游梁式抽油機運動為反復(fù)地上下提升，一個沖程提升一次，其動力來自于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，類似于杠桿的作用，將采油機桿送入井中，滑塊下降時，采油桿提出帶油至井口，由于電機轉(zhuǎn)速一定，在滑塊下降過程中，負荷減輕，電機拖動產(chǎn)生的能量無法被負載吸引，勢必會尋找能量消耗的渠道，導(dǎo)致電機進入再生發(fā)電狀態(tài)，將多余的能量反饋到電網(wǎng)，引起主回路母線電壓的升高，這樣會對整個電網(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，為了不被供電企業(yè)罰款的危險;頻繁的高壓沖擊會損壞電機，對電動機沒有可靠的保護功能，一旦電機損害，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)造成較大的經(jīng)濟損失。另一方面，游梁式抽油機引入兩個大質(zhì)量的鋼質(zhì)滑塊，導(dǎo)致抽油機的起動沖擊大等諸多問題。除了上述兩方面問題之外，油田采油的特殊地理環(huán)境決定了采油設(shè)備有其自有的運行特點，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，保證較高的產(chǎn)油量;在中、后期，由于石油儲量減少，易造成供液不足，電機若仍工頻運行，勢必浪費電能，造成不必要的損耗，這時須考慮實際工作情況，適當(dāng)降低電機轉(zhuǎn)速，減少沖程，有效提高充盈率。為了解決上述問題，可將變頻技術(shù)引入到游梁式抽油機控制中去。根據(jù)電機理論可知，其轉(zhuǎn)速公式為:
其中:p為電動機的極對數(shù)，s為轉(zhuǎn)差率，f為供電電源頻率，n為電動機的實際轉(zhuǎn)速。從式可以看出，電機轉(zhuǎn)速與頻率近似成正比，改變頻率即可以平滑地調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，從而可以連續(xù)地改變提油機的抽油速度。根據(jù)電動機工作電流的大小確定電動機的工作頻率，這樣可以根據(jù)井況的變化，方便的調(diào)節(jié)抽油機的沖程，達到節(jié)能和提高電網(wǎng)功率因數(shù)的目的。同時變頻調(diào)速器具有低速軟啟動，轉(zhuǎn)速可以平滑地大范圍調(diào)節(jié)，對電動機保護功能齊全，如短路、過載、過壓、欠壓及失速等，可有效地保護電機及機械設(shè)備，保證設(shè)備在安全的電壓下工作，具有運行平穩(wěn)、可靠，提高功率因數(shù)等諸多優(yōu)點，是采油設(shè)備改造的理想方案。
目前，對此抽油機的變頻器改造主要有以下幾個方面:
（1） 以提高電網(wǎng)質(zhì)量，減小對電網(wǎng)影響為目標的變頻改造。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，為了避免電網(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。這種應(yīng)用在勝利油田的臨盤采油廠已經(jīng)提上應(yīng)用日程。
（2） 以節(jié)能為第一目標的變頻改造。這一點比較普遍，一方面，油田的抽油機為了克服大的起動轉(zhuǎn)矩，采用的電動機遠遠大于實際所需功率，工作時電動機的利用率一般在20%-30%之間，最高不會超過50%，電動機常常處于輕載狀態(tài)，造成了電動機資源的浪費。另一方面，抽油機的工作情況是連續(xù)變化的，這些都取決于地底下的狀態(tài)，若始終處于工頻運行，勢必也會造成電能的浪費。為了節(jié)能，提高電動機的工作效率，需進行變頻改造。
（3） 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。
在實際的應(yīng)用過程中卻出現(xiàn)了許多問題，這些問題主要集中在游梁式抽油機的發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生的能量的處理上。對于第一種情況，采用普通變頻器加能耗制動單元可比較方便的實現(xiàn)，這是以多耗電能為代價的，這主要是因為發(fā)電能量不能回饋電網(wǎng)造成的。在未采用變頻器時，電動機處于電動狀態(tài)時，電動機從電網(wǎng)吸收電能（電表正轉(zhuǎn)）;電動機處于發(fā)電狀態(tài)時，電動機釋放能量（電表反轉(zhuǎn)），電能直接回饋電網(wǎng)的，并沒有在本地設(shè)備上耗費掉。綜合表現(xiàn)為抽油機的供電系統(tǒng)的功率因數(shù)較低，對電網(wǎng)質(zhì)量影響較大。但是在使用普通變頻器時，情況發(fā)生了變化。普通變頻器的輸入是二極管整流，能量不可反方向流動。上述這部分電能沒有流回電網(wǎng)的通路，必須用電阻來就地消耗，這就是必須使用能耗制動單元的原因。對于第二種情況和第三種情況，必須妥善的處理電動機發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生的電能，必須將其反饋到電網(wǎng)，否則通過調(diào)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。在控制方法引入自適應(yīng)控制以適應(yīng)游梁式抽油機多變的工作環(huán)境。
目前我公司已在陜北、甘肅和寧夏等地油田上成功的將變頻器應(yīng)用在此設(shè)備上，得到很好的使用效果。
