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）