進(jin)入(ru)21世紀(ji)，變(bian)頻調(diao)速技(ji)(ji)(ji)術得益于(yu)其(qi)優異的(de)(de)(de)(de)(de)節(jie)能(neng)(neng)特(te)性和(he)調(diao)速特(te)性，在(zai)(zai)我國(guo)油(you)田(tian)(tian)中得到廣泛應用(yong)(yong)(yong)，中國(guo)產值(zhi)能(neng)(neng)耗(hao)是(shi)世界上(shang)最高的(de)(de)(de)(de)(de)國(guo)家之一。要(yao)(yao)(yao)解決產品能(neng)(neng)耗(hao)問題，除其(qi)它相關的(de)(de)(de)(de)(de)技(ji)(ji)(ji)術問題需要(yao)(yao)(yao)改進(jin)外(wai)，變(bian)頻調(diao)速技(ji)(ji)(ji)術已成(cheng)為節(jie)能(neng)(neng)及提高產品質量(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)有(you)效措施。油(you)田(tian)(tian)作為一個特(te)殊(shu)行(xing)業，有(you)其(qi)獨(du)特(te)的(de)(de)(de)(de)(de)背景，目前，抽油(you)機是(shi)應用(yong)(yong)(yong)最普(pu)(pu)遍的(de)(de)(de)(de)(de)石油(you)開采(cai)機械之一，也是(shi)油(you)田(tian)(tian)耗(hao)電(dian)大戶(hu)，其(qi)用(yong)(yong)(yong)電(dian)量(liang)約占(zhan)油(you)田(tian)(tian)總用(yong)(yong)(yong)電(dian)量(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)40％，且總體效率很低，據(ju)調(diao)查一般(ban)在(zai)(zai)30％左(zuo)右(you)。油(you)田(tian)(tian)抽油(you)機負(fu)(fu)(fu)載是(shi)獨(du)具特(te)點的(de)(de)(de)(de)(de)時(shi)變(bian)負(fu)(fu)(fu)載：有(you)動(dong)(dong)、靜(jing)負(fu)(fu)(fu)載特(te)性之分。起(qi)動(dong)(dong)初始狀態要(yao)(yao)(yao)求拖(tuo)動(dong)(dong)電(dian)機的(de)(de)(de)(de)(de)起(qi)動(dong)(dong)力(li)矩是(shi)抽油(you)機實際負(fu)(fu)(fu)載的(de)(de)(de)(de)(de)3－4倍，甚(shen)至更大，起(qi)動(dong)(dong)力(li)矩是(shi)抽油(you)機選配(pei)電(dian)機的(de)(de)(de)(de)(de)第一要(yao)(yao)(yao)素。當起(qi)動(dong)(dong)力(li)矩適用(yong)(yong)(yong)則負(fu)(fu)(fu)載功率必然匹(pi)配(pei)不佳，運行(xing)負(fu)(fu)(fu)載功率都遠(yuan)小于(yu)電(dian)機的(de)(de)(de)(de)(de)額定功率，即(ji)所謂“大馬(ma)拉小車”現象。過剩的(de)(de)(de)(de)(de)抽油(you)能(neng)(neng)力(li)令抽油(you)機的(de)(de)(de)(de)(de)無功抽取時(shi)間(jian)增(zeng)加，造成(cheng)油(you)井開采(cai)的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)費成(cheng)本居高不下，能(neng)(neng)源浪費十分嚴重。可見(jian)抽油(you)機的(de)(de)(de)(de)(de)節(jie)能(neng)(neng)潛力(li)非常可觀。本文主要(yao)(yao)(yao)介紹普(pu)(pu)傳科技(ji)(ji)(ji)變頻器在游梁式抽(chou)油(you)機(ji)上的應用。
1. 普傳科技變頻器(qi)在石化行業中的應(ying)用
1.1游梁式(shi)抽油機工作(zuo)原理
游梁(liang)式(shi)抽(chou)油機結構簡(jian)圖如圖所(suo)示
游梁式(shi)抽(chou)油(you)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)是一種變(bian)形的(de)(de)四連(lian)桿機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)構，其整機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)結構特(te)點(dian)像(xiang)一架(jia)天(tian)平：一端(duan)是抽(chou)油(you)載(zai)(zai)(zai)荷(he)(he)(he)，另一端(duan)是平衡(heng)配重(zhong)載(zai)(zai)(zai)荷(he)(he)(he)。對(dui)于(yu)支架(jia)來說(shuo)，如果抽(chou)油(you)載(zai)(zai)(zai)荷(he)(he)(he)和平衡(heng)載(zai)(zai)(zai)荷(he)(he)(he)形成的(de)(de)扭矩相等或變(bian)化(hua)(hua)一致，那么用很小的(de)(de)動(dong)(dong)力(li)就(jiu)可以使(shi)抽(chou)油(you)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)連(lian)續不(bu)間斷地工作(zuo)(zuo)。也(ye)就(jiu)是說(shuo)抽(chou)油(you)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)(de)節能技術(shu)取(qu)決(jue)于(yu)平衡(heng)的(de)(de)好壞。在平衡(heng)率為100％時電(dian)動(dong)(dong)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)提供(gong)的(de)(de)動(dong)(dong)力(li)僅用于(yu)提起1/2液柱重(zhong)量和克服摩擦力(li)等，平衡(heng)率越(yue)低，則需要電(dian)動(dong)(dong)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)提供(gong)的(de)(de)動(dong)(dong)力(li)越(yue)大。因為，抽(chou)油(you)載(zai)(zai)(zai)荷(he)(he)(he)是每(mei)時每(mei)刻都在變(bian)化(hua)(hua)的(de)(de)，而(er)平衡(heng)配重(zhong)不(bu)可能和抽(chou)油(you)載(zai)(zai)(zai)荷(he)(he)(he)作(zuo)(zuo)完全一致的(de)(de)變(bian)化(hua)(hua)，才使(shi)得游梁式(shi)抽(chou)油(you)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)(de)節能技術(shu)變(bian)得十分復雜(za)。因此，可以說(shuo)游梁式(shi)抽(chou)油(you)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)(de)節能技術(shu)就(jiu)是平衡(heng)技術(shu)。
工(gong)作(zuo)(zuo)時，驢頭(tou)懸(xuan)點(dian)(dian)(dian)上作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)的(de)(de)(de)載(zai)荷是變(bian)化的(de)(de)(de)。上沖(chong)程(cheng)時，驢頭(tou)懸(xuan)點(dian)(dian)(dian)提(ti)起與(yu)懸(xuan)繩器相連(lian)的(de)(de)(de)抽(chou)(chou)(chou)(chou)油(you)(you)桿柱(zhu)(zhu)(zhu)和(he)(he)液柱(zhu)(zhu)(zhu)，在抽(chou)(chou)(chou)(chou)油(you)(you)機(ji)(ji)(ji)(ji)未(wei)進行(xing)平(ping)衡(heng)(heng)(heng)的(de)(de)(de)條件下(xia)，電(dian)動(dong)(dong)(dong)機(ji)(ji)(ji)(ji)就要付出很大的(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)量(liang)。在下(xia)沖(chong)程(cheng)時，抽(chou)(chou)(chou)(chou)油(you)(you)機(ji)(ji)(ji)(ji)桿柱(zhu)(zhu)(zhu)反轉而對(dui)電(dian)動(dong)(dong)(dong)機(ji)(ji)(ji)(ji)做功，使(shi)電(dian)動(dong)(dong)(dong)機(ji)(ji)(ji)(ji)處于(yu)發電(dian)機(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)運(yun)(yun)行(xing)狀(zhuang)態。抽(chou)(chou)(chou)(chou)油(you)(you)機(ji)(ji)(ji)(ji)未(wei)進行(xing)平(ping)衡(heng)(heng)(heng)時，上、下(xia)沖(chong)程(cheng)的(de)(de)(de)載(zai)荷極度不(bu)均勻，這樣將嚴重(zhong)(zhong)地影響抽(chou)(chou)(chou)(chou)油(you)(you)機(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)四連(lian)桿機(ji)(ji)(ji)(ji)構(gou)、減速箱和(he)(he)電(dian)動(dong)(dong)(dong)機(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)效率(lv)和(he)(he)壽(shou)命，惡(e)化抽(chou)(chou)(chou)(chou)油(you)(you)桿的(de)(de)(de)工(gong)作(zuo)(zuo)條件，增(zeng)(zeng)加(jia)它的(de)(de)(de)斷裂次數(shu)。為了(le)消除這些缺點(dian)(dian)(dian)，一(yi)(yi)般在抽(chou)(chou)(chou)(chou)油(you)(you)機(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)游(you)梁尾部或曲柄上或兩處都(dou)加(jia)上了(le)平(ping)衡(heng)(heng)(heng)重(zhong)(zhong)，這樣一(yi)(yi)來，在懸(xuan)點(dian)(dian)(dian)下(xia)沖(chong)程(cheng)時，平(ping)衡(heng)(heng)(heng)重(zhong)(zhong)從低處上升至高處，平(ping)衡(heng)(heng)(heng)重(zhong)(zhong)位(wei)(wei)能(neng)(neng)(neng)增(zeng)(zeng)加(jia)。平(ping)衡(heng)(heng)(heng)重(zhong)(zhong)所(suo)(suo)增(zeng)(zeng)加(jia)的(de)(de)(de)位(wei)(wei)能(neng)(neng)(neng)由兩部分構(gou)成：油(you)(you)桿柱(zhu)(zhu)(zhu)下(xia)落所(suo)(suo)釋放的(de)(de)(de)位(wei)(wei)能(neng)(neng)(neng)與(yu)電(dian)動(dong)(dong)(dong)機(ji)(ji)(ji)(ji)產生的(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)量(liang)。在上沖(chong)程(cheng)時，平(ping)衡(heng)(heng)(heng)重(zhong)(zhong)由高處下(xia)落，把下(xia)沖(chong)程(cheng)時儲存的(de)(de)(de)位(wei)(wei)能(neng)(neng)(neng)釋放出來，幫助電(dian)動(dong)(dong)(dong)機(ji)(ji)(ji)(ji)提(ti)升抽(chou)(chou)(chou)(chou)油(you)(you)桿和(he)(he)液柱(zhu)(zhu)(zhu)，減少電(dian)動(dong)(dong)(dong)機(ji)(ji)(ji)(ji)在上沖(chong)程(cheng)時所(suo)(suo)需給出的(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)量(liang)。目前(qian)使(shi)用(yong)(yong)較(jiao)多的(de)(de)(de)游(you)梁式抽(chou)(chou)(chou)(chou)油(you)(you)機(ji)(ji)(ji)(ji)，都(dou)采用(yong)(yong)了(le)加(jia)平(ping)衡(heng)(heng)(heng)配(pei)重(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)工(gong)作(zuo)(zuo)方式，因此在抽(chou)(chou)(chou)(chou)油(you)(you)機(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)一(yi)(yi)個工(gong)作(zuo)(zuo)循環中，有兩個電(dian)動(dong)(dong)(dong)機(ji)(ji)(ji)(ji)運(yun)(yun)行(xing)狀(zhuang)態和(he)(he)兩個發電(dian)機(ji)(ji)(ji)(ji)運(yun)(yun)行(xing)狀(zhuang)態。當平(ping)衡(heng)(heng)(heng)配(pei)重(zhong)(zhong)調節(jie)較(jiao)好時，其發電(dian)運(yun)(yun)行(xing)狀(zhuang)態的(de)(de)(de)時間和(he)(he)產生的(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)量(liang)都(dou)較(jiao)小。
（1）無(wu)變頻(pin)改造。
此方(fang)案(an)利用(yong)抽油(you)(you)機(ji)本身配置(zhi)(zhi)的(de)平衡裝置(zhi)(zhi)，實現電(dian)機(ji)的(de)運行耗能(neng)(neng)(neng)最(zui)小化(hua)。由于(yu)原油(you)(you)的(de)稠度等是(shi)時刻變化(hua)的(de)，但是(shi)配置(zhi)(zhi)不能(neng)(neng)(neng)實時調節，所以勢(shi)必(bi)造成(cheng)大(da)部分(fen)能(neng)(neng)(neng)量的(de)浪(lang)費(fei)，及設(she)備壽命的(de)縮短。另外，上沖程時，電(dian)動機(ji)處于(yu)電(dian)動狀(zhuang)(zhuang)態時，從電(dian)網(wang)吸收電(dian)能(neng)(neng)(neng)；下(xia)沖程時，電(dian)動機(ji)處于(yu)發電(dian)狀(zhuang)(zhuang)態時，釋(shi)放能(neng)(neng)(neng)量，電(dian)能(neng)(neng)(neng)直接回(hui)饋給(gei)電(dian)網(wang)，造成(cheng)抽油(you)(you)機(ji)供電(dian)系(xi)統功(gong)率(lv)因數降低(di)，對電(dian)網(wang)質量影(ying)響較大(da)。
（2）變頻改(gai)造，加裝(zhuang)制(zhi)動單元
在變頻器主(zhu)回路直(zhi)流母線兩端(duan)加制動電阻(zu)和制動單元。在加裝(zhuang)變頻器后，電(dian)(dian)(dian)動(dong)(dong)機進入再生(sheng)發電(dian)(dian)(dian)狀態(tai)時，其產生(sheng)的(de)電(dian)(dian)(dian)能(neng)沒有逆向流回(hui)電(dian)(dian)(dian)網的(de)通(tong)路，所以勢必引起(qi)主(zhu)變(bian)頻器主(zhu)回(hui)路直流母線電(dian)(dian)(dian)壓升高。此時必須(xu)用(yong)電(dian)(dian)(dian)阻來就地(di)消耗，這就是我們在變(bian)頻器上必須(xu)使用(yong)制動(dong)(dong)單元和制動(dong)(dong)電(dian)(dian)(dian)阻的(de)原因。
對于變(bian)頻(pin)器加裝制(zhi)動單元的(de)情況，發電產生的(de)能(neng)量不能(neng)回饋(kui)至電網(wang)而是就地(di)消耗，所(suo)以(yi)(yi)還(huan)是會造成(cheng)能(neng)量的(de)浪費。但加裝變(bian)頻(pin)裝置后(hou)，網(wang)側功(gong)率因數(shu)大(da)(da)大(da)(da)提高（由原來的(de)0.25～0.5提高到(dao)0.9以(yi)(yi)上），大(da)(da)大(da)(da)減小了(le)供電視在電流，從而減輕(qing)了(le)電網(wang)及(ji)(ji)變(bian)壓(ya)器的(de)負(fu)擔，降(jiang)低了(le)線損，可(ke)(ke)省去大(da)(da)量的(de)“增(zeng)容(rong)”開(kai)支。變(bian)頻(pin)器內置的(de)AVR功(gong)能(neng)可(ke)(ke)根據(ju)負(fu)載(zai)特性，智能(neng)調節(jie)輸出。一方面可(ke)(ke)達到(dao)節(jie)能(neng)目的(de)，同時還(huan)可(ke)(ke)以(yi)(yi)增(zeng)加原油(you)產量。避免電網(wang)質量的(de)下降(jiang)，減小抽油(you)機(ji)工作(zuo)過程對電網(wang)的(de)影響(xiang)。此方式的(de)缺點是必須解決制(zhi)動電阻散(san)熱及(ji)(ji)壽命(ming)問(wen)題。
（3）變頻改造(zao)，加(jia)裝能量(liang)回饋單元。
制動電(dian)阻的散(san)熱壽命問題及節能(neng)效(xiao)果不理想成為方案（2）實(shi)際(ji)應(ying)用中的技術瓶頸。針對上(shang)述情(qing)況，為實(shi)現(xian)節能(neng)優化，提高(gao)效(xiao)率(lv)，可以采用變頻器(qi)加裝(zhuang)能(neng)量(liang)回(hui)(hui)饋(kui)(kui)裝(zhuang)置(zhi)方案，將再生能(neng)量(liang)回(hui)(hui)饋(kui)(kui)給(gei)電(dian)網。
所謂能量回饋裝置，其實就是一(yi)臺有(you)源(yuan)逆(ni)變(bian)器(qi)。按采(cai)用的功率開關器(qi)件的不同(tong)又可以分為晶(jing)(jing)閘管（SCR）有(you)源(yuan)逆(ni)變(bian)器(qi)及絕緣柵(zha)雙極型晶(jing)(jing)體管（IGBT）逆(ni)變(bian)器(qi)兩種，它們的共同(tong)特點是可以將變(bian)頻(pin)器(qi)直流回路的電(dian)壓反饋到電(dian)網，如下圖(tu)3所示(shi)。
; 加(jia)裝能(neng)量回(hui)饋(kui)單(dan)元的變頻器(qi)適用(yong)于交流50HZ，額定(ding)電(dian)壓380V或(huo)660V的異(yi)步電(dian)動(dong)(dong)機(ji)和(he)永(yong)磁同(tong)步電(dian)動(dong)(dong)機(ji)，實現軟起動(dong)(dong)，軟停車及過程調速控(kong)制功能(neng)。其具備起動(dong)(dong)電(dian)流小、速度(du)平穩、性能(neng)可(ke)靠、對(dui)電(dian)網沖擊(ji)小等優點(dian)，避免對(dui)電(dian)動(dong)(dong)機(ji)、變速箱、抽油機(ji)造成機(ji)械沖擊(ji)，大大延(yan)長設備的使用(yong)壽命，減少停產時間，提高了生產效(xiao)率，提高了電(dian)網質(zhi)量。
（4）共直流(liu)母線方式
對于(yu)同(tong)一井場(chang)上(shang)有多口(kou)油井的(de)(de)場(chang)所，可(ke)以(yi)采用(yong)共用(yong)直流母線系統方案,即若干臺抽油機的(de)(de)變頻(pin)器(qi)將其直流母線聯結(jie)在一起，利(li)用(yong)各變頻(pin)器(qi)的(de)(de)回(hui)饋能(neng)(neng)量不可(ke)能(neng)(neng)在同(tong)時發生的(de)(de)原理，將某一臺變頻(pin)器(qi)的(de)(de)回(hui)饋能(neng)(neng)量作為其它變頻(pin)器(qi)的(de)(de)動力。這樣即節約了(le)能(neng)(neng)量，又防止(zhi)了(le)泵(beng)升(sheng)電壓的(de)(de)產生。此方式可(ke)以(yi)搭(da)配方式（2）或（3）使用(yong)，效果更佳。
此(ci)方案參數設置方面與（2）、（3）區別不大。僅在接線圖(tu)上有(you)所區別，現將有(you)差異(yi)部(bu)分做簡圖(tu)繪(hui)出，如(ru)圖(tu)6。其他控制接線部(bu)分基(ji)本與上述兩方案雷同。
由于(yu)油井分布地理位置限制，此方案(an)中大(da)多為(wei)3臺～4臺變頻器(qi)共(gong)一(yi)組直流母線。
此(ci)方(fang)案應(ying)用(yong)情況良好，節能效果明(ming)顯(xian)，約(yue)為40%左右，且前期投入較(jiao)適中。其必需條件是油(you)井分(fen)布需在限制距離以內。
1. 3節能原理(li)與(yu)數據分析
根據電機(ji)學原理：
其中(zhong)：
n=電機轉速
s=轉(zhuan)差率
p=電機極對(dui)數
以上可(ke)以看出，通過(guo)(guo)改(gai)變運(yun)(yun)(yun)行頻率(lv)，可(ke)以改(gai)變電(dian)機的(de)運(yun)(yun)(yun)行轉速。根據負(fu)載特性(xing)，電(dian)機運(yun)(yun)(yun)行轉速下(xia)(xia)降(jiang)，則電(dian)機軸功率(lv)下(xia)(xia)降(jiang)。另(ling)(ling)通過(guo)(guo)變頻改(gai)造，能量回饋(kui)單元(yuan)將下(xia)(xia)沖程(cheng)時產(chan)生(sheng)的(de)能量回饋(kui)給電(dian)網。另(ling)(ling)外，電(dian)網功率(lv)因(yin)數的(de)提(ti)高(gao)所產(chan)成的(de)節能效果(guo)也是十分可(ke)觀的(de)。通過(guo)(guo)變(bian)頻(pin)器在(zai)(zai)我國多(duo)個大(da)型油田的實際(ji)使用(yong)數(shu)據測算可得，在(zai)(zai)油田游梁(liang)式抽(chou)油機(ji)的應用(yong)中(zhong)，變(bian)頻(pin)節(jie)能比可達(da)30～50%，同時，產油量可增加20～30%。
總之，變頻調速技(ji)(ji)術(shu)(shu)作為高(gao)新技(ji)(ji)術(shu)(shu)、基礎技(ji)(ji)術(shu)(shu)和(he)節(jie)能(neng)技(ji)(ji)術(shu)(shu)，其應(ying)用(yong)(yong)已經滲透到(dao)石油行業的各個技(ji)(ji)術(shu)(shu)部門。在游梁式抽油機控制應(ying)用(yong)(yong)還處于開(kai)始(shi)階段，在應(ying)用(yong)(yong)中也出現了許多問題，這些都待(dai)于進(jin)步解(jie)決。只有充分(fen)考慮油田油井的實際情況(kuang)，才能(neng)促進(jin)變頻器(qi)技術在采油設(she)備(bei)中的應用。
