進入(ru)21世(shi)紀，變頻調(diao)速技(ji)術得益于(yu)其(qi)優異的(de)(de)節能(neng)特(te)(te)性(xing)和調(diao)速特(te)(te)性(xing)，在(zai)我國油(you)(you)(you)(you)田(tian)中得到(dao)廣泛應(ying)用，中國產值能(neng)耗是世(shi)界上最高的(de)(de)國家之(zhi)一。要解決產品能(neng)耗問題，除其(qi)它相關的(de)(de)技(ji)術問題需要改進外，變頻調(diao)速技(ji)術已成為(wei)節能(neng)及提高產品質量的(de)(de)有(you)效(xiao)措(cuo)施。油(you)(you)(you)(you)田(tian)作為(wei)一個(ge)特(te)(te)殊(shu)行業，有(you)其(qi)獨特(te)(te)的(de)(de)背景，目(mu)前，抽油(you)(you)(you)(you)機(ji)是應(ying)用最普遍的(de)(de)石油(you)(you)(you)(you)開采機(ji)械之(zhi)一，也是油(you)(you)(you)(you)田(tian)耗電(dian)大(da)戶，其(qi)用電(dian)量約占(zhan)油(you)(you)(you)(you)田(tian)總(zong)用電(dian)量的(de)(de)40％，且(qie)總(zong)體效(xiao)率(lv)很低，據調(diao)查(cha)一般(ban)在(zai)30％左右(you)。油(you)(you)(you)(you)田(tian)抽油(you)(you)(you)(you)機(ji)負(fu)載(zai)是獨具特(te)(te)點的(de)(de)時變負(fu)載(zai)：有(you)動(dong)(dong)、靜負(fu)載(zai)特(te)(te)性(xing)之(zhi)分(fen)。起動(dong)(dong)初(chu)始(shi)狀(zhuang)態要求(qiu)拖動(dong)(dong)電(dian)機(ji)的(de)(de)起動(dong)(dong)力矩是抽油(you)(you)(you)(you)機(ji)實際負(fu)載(zai)的(de)(de)3－4倍，甚(shen)至更大(da)，起動(dong)(dong)力矩是抽油(you)(you)(you)(you)機(ji)選(xuan)配(pei)電(dian)機(ji)的(de)(de)第(di)一要素。當起動(dong)(dong)力矩適用則負(fu)載(zai)功(gong)率(lv)必然(ran)匹配(pei)不佳，運行負(fu)載(zai)功(gong)率(lv)都(dou)遠小(xiao)于(yu)電(dian)機(ji)的(de)(de)額定功(gong)率(lv)，即所謂“大(da)馬(ma)拉(la)小(xiao)車”現象(xiang)。過剩的(de)(de)抽油(you)(you)(you)(you)能(neng)力令(ling)抽油(you)(you)(you)(you)機(ji)的(de)(de)無(wu)功(gong)抽取時間增加，造成油(you)(you)(you)(you)井開采的(de)(de)電(dian)費成本居高不下，能(neng)源浪費十分(fen)嚴重。可見(jian)抽油(you)(you)(you)(you)機(ji)的(de)(de)節能(neng)潛力非常(chang)可觀。本文主要介(jie)紹普傳(chuan)科技(ji)變頻器(qi)在游梁(liang)式抽油(you)機(ji)上的應用(yong)。
1. 普傳科技變頻器在石化行業中的應用
1.1游梁式抽油機工(gong)作原理(li)
游(you)梁式抽油機結構簡圖如圖所示
游梁(liang)式抽(chou)(chou)(chou)油機(ji)是(shi)一(yi)(yi)(yi)種變形(xing)的(de)(de)四連(lian)桿機(ji)構(gou)，其(qi)整機(ji)結構(gou)特點像(xiang)一(yi)(yi)(yi)架天(tian)平(ping)：一(yi)(yi)(yi)端是(shi)抽(chou)(chou)(chou)油載(zai)荷(he)，另一(yi)(yi)(yi)端是(shi)平(ping)衡(heng)(heng)配重(zhong)載(zai)荷(he)。對于支架來說，如果(guo)抽(chou)(chou)(chou)油載(zai)荷(he)和(he)平(ping)衡(heng)(heng)載(zai)荷(he)形(xing)成的(de)(de)扭(niu)矩相等(deng)或(huo)變化(hua)(hua)一(yi)(yi)(yi)致(zhi)，那么(me)用很(hen)小的(de)(de)動(dong)(dong)力(li)(li)就可(ke)以使(shi)抽(chou)(chou)(chou)油機(ji)連(lian)續不間斷地工作(zuo)。也(ye)就是(shi)說抽(chou)(chou)(chou)油機(ji)的(de)(de)節能技術(shu)(shu)取決(jue)于平(ping)衡(heng)(heng)的(de)(de)好壞。在平(ping)衡(heng)(heng)率為(wei)100％時(shi)電(dian)動(dong)(dong)機(ji)提(ti)供的(de)(de)動(dong)(dong)力(li)(li)僅(jin)用于提(ti)起1/2液柱重(zhong)量和(he)克服摩擦力(li)(li)等(deng)，平(ping)衡(heng)(heng)率越(yue)低，則需要電(dian)動(dong)(dong)機(ji)提(ti)供的(de)(de)動(dong)(dong)力(li)(li)越(yue)大(da)。因為(wei)，抽(chou)(chou)(chou)油載(zai)荷(he)是(shi)每(mei)時(shi)每(mei)刻(ke)都在變化(hua)(hua)的(de)(de)，而平(ping)衡(heng)(heng)配重(zhong)不可(ke)能和(he)抽(chou)(chou)(chou)油載(zai)荷(he)作(zuo)完全一(yi)(yi)(yi)致(zhi)的(de)(de)變化(hua)(hua)，才使(shi)得(de)游梁(liang)式抽(chou)(chou)(chou)油機(ji)的(de)(de)節能技術(shu)(shu)變得(de)十分復雜(za)。因此，可(ke)以說游梁(liang)式抽(chou)(chou)(chou)油機(ji)的(de)(de)節能技術(shu)(shu)就是(shi)平(ping)衡(heng)(heng)技術(shu)(shu)。
工作(zuo)(zuo)時(shi)(shi)，驢頭(tou)懸(xuan)(xuan)點(dian)上(shang)作(zuo)(zuo)用(yong)的(de)(de)(de)(de)載(zai)荷(he)是變化的(de)(de)(de)(de)。上(shang)沖(chong)(chong)程(cheng)(cheng)時(shi)(shi)，驢頭(tou)懸(xuan)(xuan)點(dian)提起與懸(xuan)(xuan)繩(sheng)器相連的(de)(de)(de)(de)抽(chou)油(you)(you)桿柱和液(ye)柱，在(zai)抽(chou)油(you)(you)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)未進(jin)(jin)行(xing)平(ping)(ping)(ping)(ping)衡(heng)(heng)的(de)(de)(de)(de)條件下，電(dian)動(dong)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)就要(yao)付(fu)出很大(da)的(de)(de)(de)(de)能(neng)量(liang)。在(zai)下沖(chong)(chong)程(cheng)(cheng)時(shi)(shi)，抽(chou)油(you)(you)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)桿柱反轉而對(dui)電(dian)動(dong)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)做功，使(shi)(shi)電(dian)動(dong)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)處于(yu)發(fa)電(dian)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)運(yun)(yun)行(xing)狀態(tai)。抽(chou)油(you)(you)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)未進(jin)(jin)行(xing)平(ping)(ping)(ping)(ping)衡(heng)(heng)時(shi)(shi)，上(shang)、下沖(chong)(chong)程(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)載(zai)荷(he)極(ji)度不均(jun)勻(yun)，這(zhe)樣將嚴重(zhong)地影響抽(chou)油(you)(you)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)四(si)連桿機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)構、減速(su)箱和電(dian)動(dong)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)效率和壽命，惡化抽(chou)油(you)(you)桿的(de)(de)(de)(de)工作(zuo)(zuo)條件，增(zeng)(zeng)加它的(de)(de)(de)(de)斷(duan)裂次數(shu)。為了(le)消除這(zhe)些缺點(dian)，一般在(zai)抽(chou)油(you)(you)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)游梁尾(wei)部或曲柄上(shang)或兩處都加上(shang)了(le)平(ping)(ping)(ping)(ping)衡(heng)(heng)重(zhong)，這(zhe)樣一來，在(zai)懸(xuan)(xuan)點(dian)下沖(chong)(chong)程(cheng)(cheng)時(shi)(shi)，平(ping)(ping)(ping)(ping)衡(heng)(heng)重(zhong)從低(di)處上(shang)升(sheng)至高處，平(ping)(ping)(ping)(ping)衡(heng)(heng)重(zhong)位能(neng)增(zeng)(zeng)加。平(ping)(ping)(ping)(ping)衡(heng)(heng)重(zhong)所(suo)增(zeng)(zeng)加的(de)(de)(de)(de)位能(neng)由兩部分構成(cheng)：油(you)(you)桿柱下落(luo)所(suo)釋(shi)放(fang)的(de)(de)(de)(de)位能(neng)與電(dian)動(dong)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)產(chan)生的(de)(de)(de)(de)能(neng)量(liang)。在(zai)上(shang)沖(chong)(chong)程(cheng)(cheng)時(shi)(shi)，平(ping)(ping)(ping)(ping)衡(heng)(heng)重(zhong)由高處下落(luo)，把下沖(chong)(chong)程(cheng)(cheng)時(shi)(shi)儲存的(de)(de)(de)(de)位能(neng)釋(shi)放(fang)出來，幫助電(dian)動(dong)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)提升(sheng)抽(chou)油(you)(you)桿和液(ye)柱，減少電(dian)動(dong)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)在(zai)上(shang)沖(chong)(chong)程(cheng)(cheng)時(shi)(shi)所(suo)需給出的(de)(de)(de)(de)能(neng)量(liang)。目前使(shi)(shi)用(yong)較(jiao)多的(de)(de)(de)(de)游梁式(shi)抽(chou)油(you)(you)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)，都采用(yong)了(le)加平(ping)(ping)(ping)(ping)衡(heng)(heng)配重(zhong)的(de)(de)(de)(de)工作(zuo)(zuo)方式(shi)，因此(ci)在(zai)抽(chou)油(you)(you)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)一個工作(zuo)(zuo)循(xun)環中(zhong)，有兩個電(dian)動(dong)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)運(yun)(yun)行(xing)狀態(tai)和兩個發(fa)電(dian)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)運(yun)(yun)行(xing)狀態(tai)。當平(ping)(ping)(ping)(ping)衡(heng)(heng)配重(zhong)調節較(jiao)好時(shi)(shi)，其發(fa)電(dian)運(yun)(yun)行(xing)狀態(tai)的(de)(de)(de)(de)時(shi)(shi)間和產(chan)生的(de)(de)(de)(de)能(neng)量(liang)都較(jiao)小。
（1）無(wu)變頻改造(zao)。
此方案利用(yong)抽油機(ji)(ji)(ji)本身(shen)配置的(de)(de)(de)平衡裝置，實現電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)運行耗能(neng)最小化。由于原油的(de)(de)(de)稠度等是時(shi)(shi)刻變化的(de)(de)(de)，但是配置不能(neng)實時(shi)(shi)調(diao)節，所以勢必造成大部分能(neng)量(liang)的(de)(de)(de)浪(lang)費，及設(she)備壽(shou)命的(de)(de)(de)縮短。另外，上沖程時(shi)(shi)，電(dian)(dian)(dian)動(dong)(dong)機(ji)(ji)(ji)處(chu)于電(dian)(dian)(dian)動(dong)(dong)狀(zhuang)態(tai)時(shi)(shi)，從電(dian)(dian)(dian)網吸(xi)收電(dian)(dian)(dian)能(neng)；下沖程時(shi)(shi)，電(dian)(dian)(dian)動(dong)(dong)機(ji)(ji)(ji)處(chu)于發電(dian)(dian)(dian)狀(zhuang)態(tai)時(shi)(shi)，釋放能(neng)量(liang)，電(dian)(dian)(dian)能(neng)直接回饋給電(dian)(dian)(dian)網，造成抽油機(ji)(ji)(ji)供電(dian)(dian)(dian)系統功率因數降低，對電(dian)(dian)(dian)網質量(liang)影響較(jiao)大。
（2）變頻改(gai)造，加裝制(zhi)動單元(yuan)
在變頻器主(zhu)回路直流母(mu)線兩端加制動電阻和制動單(dan)元。在加裝變(bian)頻器后，電(dian)動機進入再生發電(dian)狀(zhuang)態時，其(qi)產生的電(dian)能(neng)沒(mei)有逆向流(liu)回(hui)電(dian)網的通路(lu)，所以勢必引起主變頻(pin)器(qi)主回(hui)路(lu)直(zhi)流(liu)母線電(dian)壓升高。此時必須用電(dian)阻來就(jiu)地消(xiao)耗(hao)，這(zhe)就(jiu)是我們在變頻(pin)器(qi)上(shang)必須使(shi)用制動單元(yuan)和制動電(dian)阻的原因。
對于變(bian)(bian)頻(pin)器(qi)(qi)加裝(zhuang)(zhuang)制動單元的(de)情況(kuang)，發電(dian)(dian)(dian)產(chan)生的(de)能(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)不能(neng)(neng)(neng)回(hui)饋至電(dian)(dian)(dian)網而是就地消(xiao)耗，所以還是會造成能(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)的(de)浪費。但加裝(zhuang)(zhuang)變(bian)(bian)頻(pin)裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)后，網側功率因數(shu)大大提高(gao)(gao)（由原(yuan)來(lai)的(de)0.25～0.5提高(gao)(gao)到0.9以上），大大減小(xiao)了(le)供電(dian)(dian)(dian)視在電(dian)(dian)(dian)流，從而減輕了(le)電(dian)(dian)(dian)網及變(bian)(bian)壓器(qi)(qi)的(de)負擔，降低了(le)線損，可省去(qu)大量(liang)(liang)(liang)的(de)“增容”開支。變(bian)(bian)頻(pin)器(qi)(qi)內(nei)置(zhi)的(de)AVR功能(neng)(neng)(neng)可根(gen)據負載(zai)特性(xing)，智(zhi)能(neng)(neng)(neng)調(diao)節輸出。一方(fang)面可達到節能(neng)(neng)(neng)目的(de)，同時(shi)還可以增加原(yuan)油產(chan)量(liang)(liang)(liang)。避(bi)免(mian)電(dian)(dian)(dian)網質量(liang)(liang)(liang)的(de)下(xia)降，減小(xiao)抽油機(ji)工作過程對電(dian)(dian)(dian)網的(de)影響。此方(fang)式(shi)的(de)缺(que)點是必須解決制動電(dian)(dian)(dian)阻散(san)熱及壽命(ming)問題(ti)。
（3）變頻改造(zao)，加裝能量回(hui)饋單元。
制動電(dian)阻的散熱壽命問題及節(jie)能(neng)效果不理想(xiang)成為方(fang)案（2）實際應用中的技術瓶頸。針(zhen)對(dui)上述情況，為實現節(jie)能(neng)優化，提高(gao)效率，可以采用變頻(pin)器加裝能(neng)量(liang)回饋(kui)裝置方(fang)案，將再生能(neng)量(liang)回饋(kui)給電(dian)網。
所謂能量(liang)回饋裝置，其實就是一臺有源逆變(bian)器。按采用的功率開關器件的不同(tong)又(you)可(ke)以(yi)分(fen)為晶閘管(guan)（SCR）有源逆變(bian)器及(ji)絕緣(yuan)柵雙極(ji)型晶體管(guan)（IGBT）逆變(bian)器兩種，它(ta)們的共同(tong)特(te)點是可(ke)以(yi)將變(bian)頻(pin)器直(zhi)流回路的電(dian)壓反饋到電(dian)網，如下圖3所示。
加裝能量回(hui)饋(kui)單元的變頻器適用(yong)于交流50HZ，額定(ding)電(dian)壓380V或660V的異步電(dian)動(dong)(dong)機和永磁同步電(dian)動(dong)(dong)機，實現軟起動(dong)(dong)，軟停(ting)車(che)及過程調速(su)控制功能。其具(ju)備起動(dong)(dong)電(dian)流小(xiao)、速(su)度(du)平穩(wen)、性(xing)能可(ke)靠、對電(dian)網沖擊小(xiao)等(deng)優點，避免對電(dian)動(dong)(dong)機、變速(su)箱(xiang)、抽油機造(zao)成機械沖擊，大大延長設備的使用(yong)壽命(ming)，減(jian)少(shao)停(ting)產時(shi)間，提(ti)高了(le)生產效率，提(ti)高了(le)電(dian)網質量。
（4）共(gong)直(zhi)流母(mu)線方式
對于(yu)同(tong)一(yi)井場上(shang)有多口油(you)井的場所，可以采用共(gong)用直(zhi)流母(mu)線系(xi)統方案,即(ji)若干(gan)臺抽油(you)機(ji)的變頻(pin)器(qi)(qi)將其(qi)直(zhi)流母(mu)線聯結在一(yi)起(qi)，利用各(ge)變頻(pin)器(qi)(qi)的回饋能(neng)量不(bu)可能(neng)在同(tong)時發(fa)生的原理(li)，將某一(yi)臺變頻(pin)器(qi)(qi)的回饋能(neng)量作為其(qi)它變頻(pin)器(qi)(qi)的動(dong)力。這樣即(ji)節約(yue)了能(neng)量，又(you)防止了泵(beng)升(sheng)電(dian)壓(ya)的產生。此方式可以搭配方式（2）或(huo)（3）使用，效果更佳。
此(ci)方案(an)參(can)數設置方面與(yu)（2）、（3）區(qu)別不大(da)。僅在接線圖上有(you)所區(qu)別，現(xian)將有(you)差異(yi)部分(fen)(fen)做(zuo)簡圖繪出，如圖6。其他控(kong)制(zhi)接線部分(fen)(fen)基(ji)本(ben)與(yu)上述兩方案(an)雷同。
由于油井分布地理(li)位置限制，此(ci)方案中大多(duo)為3臺～4臺變頻器(qi)共一組直流母線(xian)。
此方案應用情況良好，節(jie)能效果明(ming)顯，約為40%左右，且(qie)前期投入較適中。其必(bi)需(xu)條件是油井分布需(xu)在限制距離(li)以內。
1. 3節能原理與數據分(fen)析
根據電機學原理：
其中：
n=電(dian)機轉速
s=轉差率
p=電機(ji)極(ji)對數
以(yi)上(shang)可以(yi)看出(chu)，通(tong)過(guo)改變運(yun)行頻(pin)率(lv)，可以(yi)改變電(dian)機(ji)的運(yun)行轉速。根據(ju)負載特性，電(dian)機(ji)運(yun)行轉速下(xia)降，則電(dian)機(ji)軸功(gong)率(lv)下(xia)降。另通(tong)過(guo)變頻(pin)改造，能量回(hui)饋(kui)單元(yuan)將(jiang)下(xia)沖程時(shi)產(chan)生的能量回(hui)饋(kui)給電(dian)網。另外(wai)，電(dian)網功(gong)率(lv)因數的提高所產(chan)成的節能效果(guo)也是十分(fen)可觀的。通(tong)過(guo)變頻(pin)器在(zai)我國多個大型油田(tian)的實際使用數據測(ce)算可得，在(zai)油田(tian)游梁式抽(chou)油機的應用中(zhong)，變頻節能比可達30～50%，同(tong)時，產油量(liang)可增(zeng)加20～30%。
總之，變(bian)頻調速技(ji)術(shu)(shu)作為高新技(ji)術(shu)(shu)、基礎技(ji)術(shu)(shu)和節能技(ji)術(shu)(shu)，其應(ying)用(yong)已經滲透到石油(you)行(xing)業的(de)各個技(ji)術(shu)(shu)部門。在(zai)游梁式(shi)抽油(you)機控制應(ying)用(yong)還處(chu)于(yu)開始階段，在(zai)應(ying)用(yong)中也出現了許多問題，這(zhe)些都(dou)待于(yu)進(jin)步(bu)解決(jue)。只有(you)充分考慮油(you)田油(you)井的(de)實(shi)際情況(kuang)，才能促進(jin)變頻(pin)器(qi)技術在采油設備中的應用(yong)。
