变频器在油田抽油机节能应用问题探讨
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作者: 吴永波
摘要：变频控制技术在抽油机上应用，能使抽油机－抽油杆－抽油泵达到动态协调，使有杆抽油系统和油井供液系统达到动态协调。随着现代电力电子技术的发展，在抽油机上大量推广变频调速节能改造已经成为可能。
关键词：变频器；抽油机；节能
中图分类号：TN77文献标识码：A
目前，抽油机是应用最普遍的石油开采机械之一，也是油田耗电大户，其用电量约占油田总用电量的40％，且总体效率很低，据调查一般在30％左右。油田抽油机负载是独具特点的时变负载：有动、静负载特性之分。起动初始状态要求拖动电机的起动力矩是抽油机实际负载的3－4倍，甚至更大，起动力矩是抽油机选配电机的第一要素。当起动力矩适用则负载功率必然匹配不佳，运行负载功率都远小于电机的额定功率，即所谓"大马拉小车"现象。过剩的抽油能力令抽油机的无功抽取时间增加，造成油井开采的电费成本居高不下，能源浪费十分严重。
变频调速器具有低速软启动，转速可以平滑地大范围调节，对电动机保护功能齐全，如短路、过载、过压、欠压及失速等，可有效地保护电机及机械设备，具有运行平稳、可靠，提高功效等诸多优点，是抽油设备改造的理想方案。但是，将变频器用于抽油机拖动时，也有几个问题需要解决，主要是冲击电流问题和再生能量的处理问题，以下加以分析。
1.闭环控制的采样问题
抽油机利用变频器调速，使之动态适应油井负荷的变化，达到节电的目的，必须要加外部传感器，否则无法实现闭环智能控制，只能实现人工定值控制。所采用的传感器的类型，与间抽控制器大体相同，但是在要求上是有差别的。流量检测是最直观、最准确的方法，如果能实现小流量检测并解决防堵问题，应尽量采用流量传感器。光杆载荷传感器也能用来检测井下液量的多少，与间抽控制不同的是，闭环调速控制只要求载荷的变化趋势，不需要标定空抽设定值。光杆的平均载荷大，说明井下液量少，应减速运行，反之则可加速运行。电流控制不可取，因为这里除了配重的影响外，当电机调速时，电流也是随着变化的，因此不能将电流信号用作控制依据。
2、再生能量的处理问题
由于抽油机属位能性负载，尤其当配重不平衡时，在抽油机工作的一个冲程中，会出现电动机处于再生制动工作状态（发电状态），电动机由于位能或惯性，其转速会超过同步速，再生能量通过与变频器逆变桥开关器件（IGBT）并联的续流二极管的整流作用，反馈到直流母线。由于交-直-交变频器的直流母线采用普通二级管整流桥供电，不能向电网回馈电能，所以反馈到直流母线的再生能量只能对滤波电容器充电而使直流母线电压升高，称作"泵升电压"。直流母线电压过高时将会对滤波电容器和功率开关器件构成威胁，为了保护电容器及功率开关器件的安全，所以，变频器都设置了直流母线电压高保护停机功能。
2.1增大变频器直流母线上滤波电容器的容量，将再生能量储存起来，等电动状态时再释放给电动机作功。这种方法对节能有利，但是电容器的储能作用是有限的，在大容量或者负载惯量大的系统中，不可能只靠滤波电容器来限制泵升电压。
2.2采用"放"的办法，可以采用由分流电阻器Rp和开关管S11组成的泵升电压限制电路。也就是将回馈能量消耗在电阻上，这是一种耗能的方法，对节能不利。尤其是在大容量或者大惯量拖动系统中，能量的损失较大。
2.3对于地处北方寒冷地区的抽油机，为了在冬季增加原油的流动性和防止结蜡，而对井口回油管进行电加热，如采用中频加热装置。这时也可将变频器与中频电加热装置共用整流电路及直流母线，这样可将电动机回馈到直流母线上的再生能量用于中频加热器，同时又防止了直流母线电压的泵升。
2.4对于同一井场上有多口油井的场所，可以采用共用直流母线系统方案，即若干台抽油机的变频器可共用一台整流器，将其直流母线联结在一起，利用各变频器的回馈能量不可能在同时发生的原理，将某一台变频器的回馈能量作为其他变频器的动力。这样即节约了能量，又防止了泵升电压的产生。
2.5对于更大功率的系统，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，当然这样一来，系统就更复杂，投资也就更高了。所谓的能量回馈装置，其实就是一台有源逆变器
3.冲击电流问题
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，才使得游梁式抽油机的节能技术变得十分复杂。因此，可以说游梁式抽油机的节能技术就是平衡技术。
据笔者对某油田18口井的调查，有6口井配重偏大，从而造成过大的冲击电流，冲击电流与工作电流之比最大可超过5倍，甚至超过额定电流的3倍！不仅浪费掉大量的电能，而且严重威胁到设备的安全。同时，也给采用变频器调速控制造成很大的困难，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，不能正常工作。
通过对抽油机曲柄配重块的调整，可以使冲击电流降到电机额定电流之内，冲击电流与正常工作电流之比在1.5倍以内。这样，选用与电机额定功率同容量的变频器，甚至略小于电机额定功率的变频器（要视抽油机电动机的负载率而定）都可以长期稳定运行。由于抽油机的起动扭矩往往很大，惯性也很大，所以要将变频器的加减速时间设置得足够长，一般为30～50s，才不致在起动时引起过载保护。
4.电磁兼容性问题
这里主要讲电磁干扰（EMI）问题，即变频器对微电脑控制器，传感（变送）器及通信设备的干扰问题。变频器是一个很强的电磁骚扰源，变频器中的开关器件，以及SPWM电压波形，会对控制及通信系统造成很大的干扰。干扰的途径，除了感应、辐射之外，还包括传导干扰，即通过连接导线传导的干扰。在控制系统中，变频器只是一个执行机构，它的运行频率（速度）指令由控制器通过对油井液量等信号的控制运算后给予，变频器就通过控制信号线，给微电脑控制器造成了很大的干扰，以致使控制器无法正常工作。因为是传导性干扰，采用屏蔽线是不解决问题的，要从信号线上的共模及差模干扰入手，采用共模与差模滤波器，才能解决干扰问题。
5.结语
抽油机在油田的使用量大，而负载率普遍偏低，功率因数则更低，电能的无谓浪费严重，节能降耗潜力巨大。变频调速系统，使抽油机动态适应油井负荷变化，也可方便地进行调参。配以流量、载荷等传感器，可实现最经济的控制。同时其软起动性能好，对延长抽油机寿命，减少维护费用有利。能耗基本上与转速成正比，在部分可以降速的场合可以节能。因此，应通过加大科研开发和应用力度，提高油田管理水平，提高油田技术人员和工人的文化素质，使变频控制技术广泛应用在我国各大油田抽油生产中，使我国在抽油机变频控制技术方面继续保持世界领先地位.
参考文献
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[2]邓素玉，郭春生.节能降耗技术在抽油机井上的应用[J]，中外能源，2008，2
[3]赵鹏飞，油田抽油机节能方式综述及解决方案[J]，科技资讯，2007，6
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