CT100 變頻器在懸梁式抽油機上的應用

傳統(tǒng)的懸梁式抽油機采用恒速運行加裝制動單元或能量回饋的方案，能耗和成本方面存在很大的弊端。

 

引言

我國的油田絕大部分為低能、低產(chǎn)油田，不像國外的油田有很強的自噴能力，大部分油要靠注水來壓油入井，靠抽油機(磕頭機)把油從地層中提升上來。在我國，以水換油、以電換油是目前油田的現(xiàn)實，耗電費用在我國的石油開采成本中占了相當大的比例。所以，石油行業(yè)十分重視節(jié)約電能，節(jié)省電耗就是直接降低石油的開采成本。

抽油機節(jié)能，其首選方案是采用變頻器對其電機拖動系統(tǒng)進行改造，抽油機改用變頻器拖動后有以下幾個好處：

(1)提高功率因數(shù)：輸入側功率因數(shù)可由原來的0.25～0.5提高到0.9以上，大大減小了供電電流，從而減輕了電網(wǎng)及變壓器的負擔，降低了線損，可省去大量的“增容”開支。

(2)提高運行效率：可根據(jù)油井的實際供液能力，動態(tài)調(diào)整抽取速度，一方面達到節(jié)能目的，同時還可以增加原油產(chǎn)量，系統(tǒng)效率大大提高。

(3)實現(xiàn)了真正的“軟起動”：對電動機、變速箱、抽油機都避免了過大的機械沖擊，大大延長了設備的使用壽命，減少了停產(chǎn)時間，提高了生產(chǎn)效率。

但是，變頻器用于抽油機電機時，也有幾個問題需要解決，主要是沖擊電流問題和再生能量的處理問題，下面分別加以分析。

 

懸梁式抽油機現(xiàn)狀介紹

懸梁式抽油機機械機構介紹

游梁式抽油機主要是由四大部分組成的：

(1)游梁部分：驢頭、游梁、橫梁、尾梁、連桿、平衡塊(復合平衡抽油機)

(2)支架部分：橫梁軸承座、工作梯、護圈、操作臺、支架。

(3)減速器部分：底座、減速器筒座、減速器、曲柄、配重塊、剎車等部件。

(4)配電部分：電機座、電機、配電箱等

 

1-底座;2-支架;3-懸繩器;4-驢頭;5-游梁;6-橫梁軸承座;7-橫梁;8-連桿;9-曲柄銷裝置;10-曲柄裝置;11-減速器;12-剎車保險裝置;13-剎車裝置;14-電動機;15-配電箱。

游梁式抽油機是一種變形的四連桿機構，其整機結構特點像一架天平，一端是抽油載荷，另一端是平衡配重載荷。對于支架來說，如果抽油載荷和平衡載荷形成的扭矩相等或變化一致，那么用很小的動力就可以使抽油機連續(xù)不間斷地工作。也就是說抽油機的節(jié)能技術取決于平衡的好壞。平衡率越低，則需要電動機提供的動力越大。因為抽油載荷是每時每刻都在變化的，而平衡配重不可能和抽油載荷作完全一致的變化，才使得游梁式抽油機的節(jié)能技術變得十分復雜。因此可以說： 游梁式抽油機的節(jié)能技術，就是平衡技術。

懸梁式變頻改造現(xiàn)狀介紹

就實際的變頻改造情況來看，絕大部分抽油機的配重實際上是嚴重不平衡的，從而造成過大的沖擊電流，不僅無謂浪費掉大量的電能，而且嚴重威脅到設備的安全。同時也給采用變頻器調(diào)速控制造成很大的困難：一般變頻器的容量是按電動機的額定功率來選配的，過大的沖擊電流會引起變頻器的過載保護，不能正常工作。

此外，在油井開采前期儲油量大，儲油量大，供液足，為提高才有效率可采用工頻運行，保證較高的產(chǎn)油量。但是在中、后期，由于石油儲油量減少，易造成供液不足，電機若仍然工作在工頻狀態(tài)勢必浪費電能造成不必要的損耗，這時需要考慮實際工作情況，適當降低電機轉速減少沖程有效提高充盈率。

 

傳統(tǒng)的變頻解決方案介紹

變頻技術引入到游梁式抽油機控制中去是大勢所趨。變頻調(diào)速屬于無極調(diào)速，根據(jù)電動機工作電流的大小確定電動機的工作頻率，這樣可以根據(jù)井況的變化，方便的調(diào)節(jié)抽油機的沖程，達到節(jié)能和提高電網(wǎng)功率因數(shù)的目的。而矢量變頻控制技術的應用可保證低速大轉矩輸出，轉速可以平滑地大范圍調(diào)節(jié)。同時，變頻器對電動機保護功能齊全，如短路、過載、過壓、欠壓及失速等，可有效地保護電機及機械設備，保證設備在安全的電壓下工作，具有運行平穩(wěn)、可靠，提高功率因數(shù)等諸多優(yōu)點，是采油設備改造的理想方案。目前主流的解決方案有以下幾種：

變頻器加能耗制動單元

這種方式比較簡單，但運行效率低。這主要是因為恒速運行時下沖程狀態(tài)下電機發(fā)電能量回饋導致的。在使用普通變頻器時，普通變頻器的輸入是二極管整流，能量不可反方向流動。上述這部分電能沒有流回電網(wǎng)的通路，必須用電阻來就地消耗，這就是必須使用能耗制動單元的原因，也直接導致了能耗較大，整體效率偏低。

缺點：能效偏低，且需加裝制動單元和制動電阻。

變頻器加回饋單元控制

為了回饋再生能量，提高效率，可以采用能量回饋裝置，將再生能量回饋電網(wǎng)。這樣一來，系統(tǒng)就更復雜，投資也更高了。所謂能量回饋裝置，其實就是一臺有源逆變器。加裝能量回饋單元的變頻器，用戶可根據(jù)油井的液位、壓力確定抽油機的沖機、速度和產(chǎn)液量，降耗節(jié)能，提高泵效；使設備減少磨損，延長使用壽命，高效節(jié)能低成本，實現(xiàn)在最大節(jié)能狀態(tài)下的自動化運行。但由于變頻器和回饋裝置的工作模式，使用能量回饋的方案對于電源端諧波污染很大，電網(wǎng)質量下降明顯。

缺點：需要加裝回饋裝置，成本較高，且對電網(wǎng)污染很大。

 

CT100系列變頻解決方案介紹

鑒于傳統(tǒng)的變頻改造方案的種種弊端，深圳市東力科創(chuàng)技術有限公司通過對懸梁式抽油機工藝的深入探究，采用基于懸梁式抽油機控制工藝的專用軟件邏輯，采用能量與功率的雙閉環(huán)控制，實現(xiàn)對輸出頻率的連續(xù)平滑調(diào)整，實現(xiàn)消除負轉矩控制，來避免電機動能的回饋、避免母線電壓過高。進而達到省去制動單元、省去能量回饋裝置的目的，避免了傳統(tǒng)變頻改造方案的種種弊端。

本方案的核心控制思想是恒輸出控制，變頻器基于輸出環(huán)恒定的PID控制模式，通過調(diào)整輸出頻率來實現(xiàn)恒輸出控制，可以在滿足沖次的前提下，有效降低平均輸出功率，實現(xiàn)有效節(jié)能，以及保護抽油機機構裝置。也就是說，變頻器不需要設定特定的運行頻率，實際輸出頻率通過PID閉環(huán)自動調(diào)節(jié)。下沖程時，由于負載由于慣量較大，同步轉速低于電機轉速時電機發(fā)電，變頻器輸出轉矩為負，此時變頻器自動提高輸出頻率消除負轉矩避免電機處于發(fā)電狀態(tài)。上沖程時，位能完全轉換成動能，此時轉速最高，慣量最大，電機減速進行上沖程動作，當轉速較低時，變頻器工作于恒輸出PID調(diào)節(jié)模式，此時變頻器自動提高上沖程轉速，完成上沖程動作。通過整個控制過程可知，電機一直沒有處于發(fā)電狀態(tài)，因此無需加裝制動單元和RBU回饋裝置。同時，整個沖程過程中，下沖程慢，可以浸入更多的油；上沖程快，減少漏油量：大大提高了產(chǎn)油量。

優(yōu)點：無需加裝能量消耗或回饋裝置，且優(yōu)化了采油工藝，整機效率大幅提高。

 

CT100系列變頻介紹

CT100變頻器以DSP控制系統(tǒng)為平臺，采用國內(nèi)技術領先的無PG矢量控制技術，并配合多種保護方式，可應用于異步電機，提供優(yōu)異的驅動性能。產(chǎn)品在風道設計，硬件配置，軟件功能方面都極大的提升了客戶易用性及環(huán)境適應性。

 

技術特點

◆ 行業(yè)專用：基于游梁式抽油機控制工藝的軟件邏輯，真正做到行業(yè)專用，方案領先。

◆ 高可靠性選型：關鍵器件均采用國內(nèi)外知名品牌，元器件穩(wěn)定性可靠有保障。

◆ 大冗余設計：通過嚴格計算與實驗驗證，關鍵元器件采用大裕量設計，以保證整機在油田惡

劣環(huán)境下的長期穩(wěn)定性。

◆ 優(yōu)化的矢量控制：國內(nèi)技術領先的無速度反饋矢量控制，低頻扭矩大，轉矩響應快。

◆ 軟件限流限壓功能：良好的電壓、電流限制，有效進行關鍵控制參數(shù)限幅以降低變頻器的故障風險。

◆ 環(huán)境適應性強：較高的整機過溫點，獨立的風道設計，加厚三防漆處理，更適合長期運行在油田戶外場合。

◆ 轉速追蹤再起動功能：實現(xiàn)對旋轉中的電機的無沖擊平滑起動

◆ 自動電壓調(diào)整功能：當電網(wǎng)電壓變化時，能自動保持輸出電壓恒

◆ 全面的故障保護：過流、過壓、欠壓、過溫、缺相、過載等保護功能

 

結束語

游梁式抽油機傳統(tǒng)的變頻應用模式因為種種弊端的存在，變頻改造控制方案持續(xù)改進在所難免。我們以其獨創(chuàng)性的控制方案必將引領行業(yè)方案的變革。同時，CT100系列變頻器可靠的軟硬件穩(wěn)定性也注定了其必將為客戶提供極具性價比的用戶體驗。