康沃变频器在抽油机上的节能改造

一、游梁式抽油机概述

目前，陕北、甘肃，宁夏，新疆和华北等地区，油田采用的抽油机设备中，一部分为游梁式抽油机，数量也比较多。游梁式抽油机运动为反复的上下提升，一个冲程提升一次，其动力来自电动机拖动的两个质量很大的钢质滑块，当滑块提升时，类使于杠杆的作用，将采油机杆入井中，滑块下降时，采油杆提出带油至井口，当负荷不平衡时，在滑块下降时，电机进入再生发电状态，产生再生能量，再生能量反馈到到变频器的直流侧，引起主回路直流母线电压升高，这样危机变频器的安全，既不利于设备的安全运行。另一方面，游梁式抽油机引入两个大质量的钢质滑块，导致抽油机启动时冲击电流很大等问题。另外，油田的特殊地理环境，决定采油机自身运行的特点，在油井开采前期储油量大，供液足，为提高工效可采用工频运行，保证较高的产量；在中后期，由于储油量减少，已造成供液不足，电机仍工频运行，造成电能的浪费，这时应该考虑实际工作情况，适当降低电机的转速，减少冲击，有效提高效率，为了解决上述问题，可将变频技术引入到游梁式抽油机控制中去。根据电机理论，其转速公式为n=60f(1-s)/p;其中n为电机的实际转速，f为电源频率，s为转差率，p为电动机极对数。从公式可以看出，电机的转速和频率成正比，根据电动机工作电流的大小确定电动机的工作频率，这样根据井况的变化，方便调节抽油机的冲程，达到节能和提高电网功率因数的目的。

二、变频器的选型及注意事项

考虑到抽油机惯性力矩比较大，选择V/F通用变频器功率要比电机的实际功率放大一挡，也可以选择启动力矩较好的矢量控制变频器。只要变频器的额定电流大于电机的实际电流就行。另外，抽油机在工作过程中有再生能量产生，变频器容易出现过压保护，每台变频器应配相备适应的制动单元和制动电阻，能量消耗在制动电阻上，为了利用这些能量可以采用高品质能量反馈装置反馈到电网中，但是保证对电网的污染很小。由于油田地理环境比较恶劣，变频器在室外安装，注意防雨，防尘，夏季温度高，注意通风散热，室外容易打雷闪电，所以必须加装防雷电击保护装置。

三．抽油机负载分析 1. 国内应用最广泛的是游梁式竖井抽油机，它有三部分组成： 1) 地面部分：由电动机、减速器和四连杆构成； 2) 井下部分：抽油泵（吸入阀、泵筒、柱塞和排油阀），它悬挂在套管中的下端； 3) 抽油杆柱：连接地面抽油机和井下抽油泵的中间部分。           2. 抽油机的电机负荷是按周期变化的，开始起动时，负荷很大，要求启动转矩很大。正常运行时负荷率很低，一般在20%左右，高时负荷率只有30%。电机的负荷曲线有2个峰值，分别为抽油机上、下冲程的“死点”。     抽油机在未进行平衡的条件下，上、下冲程的负载极度不均衡，在上冲程时，需要提起抽油杆柱和液柱，电机需付出很大能量。在下冲程时，抽油杆柱对电机作功，使电机处于发电状态。通常在抽油机的曲柄上加上平衡块，消除上下冲程负载不平衡度。平衡块调节较好，其发电状态的时间和产生的能量就小，由于抽油载荷是每时每刻在变化，平衡配重，不可能随抽油负荷作完全一致的变化，绝大部分抽油机配重严重不平衡，从而造成过大的冲击电流，冲击电流最大可是5倍的工作电流，甚至达到额定电流的3倍。调整好平衡配重，可降低冲击电流是正常工作电流的1.5倍。     抽油机的负载特性：是恒速运行，由于配重，是变转矩，变功率负载在一个循环周期内有两次发电状态，起动力矩大、惯性大。在国内油田使用的抽油机普遍存在的问题：运行时间长，“大马拉小车”，效率低，耗能大，冲程和冲次调节不方便，有时空抽现象。

四．传统抽油机变频器改造的难点     国内对抽油机变频节能改造做了大量的尝试，但都不太成功，主要问题是： 1) 抽油机在一个工作循环中，有两次发电状态，尤其当配重不平衡时，产生的“泵升电压”很高，靠加大变频器直流侧电解电容和减小制动电阻值，不能完全解决问题，并且随着油层的变化，“泵升电压”也在变化。 2) 抽油机起动需要较大的起动转矩，如变频器参数设置不当，易造成过流或不能起动。 3) 以往的变频节能改造设计方案很少考虑油井的油面、油浓度的变化等情况。在提高产量方面，效果不佳。

五．解决方案     针对当前抽油机变频改造存在的问题，我公司司提出以下解决方案： 1) 采用变频调速技术，使电机转速与抽油机负载匹配。在前期井中由于刚开采，油量大，让变频器运行到65HZ，电机转速提高30%，采油率比工频提高20%，工效提高1.2倍。在中、后期井中，油量减小，降低转速，减少冲程，一般频率运行至35~40HZ之间，电机转速下降30%。节电率可达25%，而且提高了功率因数。 2) 动态调节抽油机的冲程频次，随着油井由浅入深的抽取，油量逐渐减小，出现泵充满度不足，泵效下降，当油井的供油能力小于抽油泵排量时，就造成泵抽空和液击现象。降低频率，电机转速下降，提高充满度，不仅节能而且增加原油产量。 3) 动态调节抽油机上下行程的速度，适当降低下行程速度，提高泵内的充满度，适当提高上行程速度，可减小提升中漏失系数，使抽油机工作在最佳运行状态，有效提高单位时间内原油产量。 4) 起动力矩大，运行中负荷低，冲击电流大 要从根本上解决问题，加大电动机极对数或增大减速箱速比，增大输出力矩。变频器正常运行80~90HZ。这也有利于减少发电状态的能量，减少“泵升电压”。 5) 再生能量的处理问题     *增大变频器直流侧滤波电容的容量；     *减少制动电阻值，提高制动系统的耗电能力，或直接使用回馈制动，减小能量损失；     *发电时，频率增大。 6） 防空抽，增产。动态调节抽油机冲程频次和上、下行程速度。设定电机的输出功率标准值，实时检测电机输出功率，控制电机转速，大于标准值，加速。反之减速，实现闭环控制。

六．抽油机实测数据     某油田82-X110抽油机是一台游梁式抽油机，电机功率为22KW，磁极数为8极。采用我公司生产的变频器节能改造。     在抽油机上行程运行时，设置变频输出频率为50Hz，下行程运行时，设置为30Hz。 抽油机工频运行参数： 运行一个周期电流变化：20.1A~30.7A 4小时平均耗电度数：4.7度/每小时

抽油机节能运行参数： 运行一个周期电流变化：4.9A~18.7A 4小时平均耗电度数：3.9度/每小时     由于油井的类型和工况千差万别，井下渗油和渗水量每时每刻都在变．抽油机的负载变化是无规律的，故采用变频调速技术，使抽油机的运动规律适应油井的变化工况，实现系统效率的提高，达到节能增产的目的。

七、抽油机变频改造的几个好处 1. 大大提高功率因数，（0.25~0.5提高0.9以上）。减小了供电电流，从而减小了电网及变压器的负荷。 2. 动态调整抽取速度，一方面节能，同时增加原油产量。 3. 实现真正“软起动”对电机变速箱抽油机，避免过大机械冲击，延长设备使用寿命。