一、引言

我國的油田絕大部分為低能、低產油田，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，為進一步提高抽油機采油系統(tǒng)效率，節(jié)約能源，降低開采成本，研制開發(fā)數(shù)字化抽油機就顯得尤為重要。游梁式抽油機作為油田開發(fā)的主要設備，往往在現(xiàn)場應用中，還存在抽油機運行參數(shù)與油井參數(shù)相差較大，抽油機的平衡狀態(tài)和工作沖次與油井參數(shù)不匹配，致使抽油機的工作狀態(tài)不良、系統(tǒng)效率低下等弊病。數(shù)字化抽油機的研制開發(fā)可以根據油井負荷大小使抽油機達到最佳的平衡狀態(tài)，根據油井的產液量使抽油機工作在合理的沖次，并根據油井工況對抽油機進行有效的保護；從而最大限度的使抽油機的運行參數(shù)與油井參數(shù)相一致，發(fā)揮抽油機的工作能力，達到低碳開發(fā)和節(jié)能開采的目的。數(shù)字化抽油機除了具備井口數(shù)據采集、傳輸和遠程啟停外，還需實現(xiàn)抽油機的自動調參目的，實現(xiàn)真正意義的數(shù)字化管理和智能控制。

二、油梁抽油機工作特點

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：中央軸承座、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

游梁式抽油機運動為反復地上下提升，一個沖程提升一次，其動力來自于電動機帶動的兩個重量相當大的平衡塊，當平衡塊提升時，將采油機桿送入井中，平衡塊下降時，采油桿提出帶油至井口。由于電機轉速一定，在滑塊下降過程中，負荷減輕，電機拖動產生的能量無法被負載吸引，導致電機進入再生發(fā)電狀態(tài)，將多余的能量反饋到電網，引起主回路母線電壓的升高，勢必會對整個電網產生沖擊，導致電網供電質量下降，功率因數(shù)降低，頻繁的高壓沖擊會損壞電機，縮短電機壽命、維護量加大。

另一方面游梁式抽油機為了克服大的起動轉矩，采用的電動機遠遠大于實際所需功率，工作時電動機的利用率一般在20%~30%之間，最高不會超過50%，電動機經常處于輕載狀態(tài)，造成了電動機資源的浪費。并且抽油機的工作情況是連續(xù)變化的，這些都取決于地底下的狀態(tài)，若始終處于工頻運行，勢必也會造成電能的浪費。為了節(jié)能，提高電動機的工作效率，需進行變頻改造。

三、抽油機變頻調速特點

3.1 變頻器調速原理

為了解決上述問題，可將變頻技術引入到游梁式抽油機控制中去。根據電機理論可知，其轉速公式為：n=60f（1-s）/P 其中：P為電動機的極對數(shù)，s為轉差率，f為供電電源頻率，n為電動機的實際轉速。從式可以看出，電機轉速與頻率近似成正比，改變頻率即可以平滑地調節(jié)電機轉速，從而可以連續(xù)地改變提油機的抽油速度。根據電動機工作電流的大小確定電動機的工作頻率，這樣可以根據井況的變化，方便的調節(jié)抽油機的沖程，達到節(jié)能和提高電網功率因數(shù)的目的。同時變頻調速器具有低速軟啟動，轉速可以平滑地大范圍調節(jié)，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。

抽油機節(jié)能目前來說比較成熟的方案就是采用變頻器對其電機拖動系統(tǒng)進行改造，抽油機用變頻器拖動有如下三個優(yōu)點：

（1）大大提高了功率因數(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，從而減輕了電網及變壓器的負擔，降低了線損。以提高電網質量，減小對電網影響為目標的變頻改造。這主要集中在供電企業(yè)對電網質量要求較高的場合，為了避免電網質量的下降，需引入變頻控制，其主要目的就是減小抽油機工作過程對電網的影響。

（2）可根據油井的實際供液能力，動態(tài)調整抽取速度，一方面達到節(jié)能目的，同時還可以增加原油產量。

（3）實現(xiàn)了的“軟起動”，對電動機、變速箱、抽油機都避免了過大的機械沖擊，延長了設備的使用壽命，提高了生產效率。

3.2 英威騰Goodrive200A變頻器性能介紹

Goodrive200A變頻器是我司開發(fā)的新一代開環(huán)矢量型變頻器，可用來控制異步交流感應電機。產品采用國際領先的無速度傳感器矢量控制技術，運用DSP控制系統(tǒng)，并且強化產品的可靠性和環(huán)境的適應性以及客戶化的設計，功能更優(yōu)化，應用更靈活，性能更穩(wěn)定。

Goodrive200A開環(huán)矢量型變頻器具有優(yōu)異的空間電壓控制性能，能滿足不同客戶多種應用需求。同時，Goodrive200A開環(huán)矢量型變頻器具有超出同類產品的防跳閘性能和適應惡劣電網、溫度、濕度和粉塵能力，極大提高產品可靠性。

Goodrive200A開環(huán)矢量型變頻器采用模塊化設計，在滿足客戶通用需求的前提下，通過擴展設計可以靈活地滿足客戶個性化需求。強大的速度控制、簡易PLC、靈活的輸入輸出端子、脈沖頻率給定、擺頻控制等，滿足各種復雜傳動的要求，同時為設備制造業(yè)客戶提供高集成度的一體化解決方案，對降低系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)可靠性具有極大價值。

Goodrive200A開環(huán)矢量型變頻器通過電磁兼容性整體設計，滿足用戶對應用場所的低噪音、低電磁干擾的環(huán)保要求。

四、油梁式抽油機的變頻拖動及系統(tǒng)應用方案

在游梁式抽油機變頻拖動的實際應用過程中出現(xiàn)了許多問題，這些問題主要集中在游梁式抽油機的發(fā)電狀態(tài)產生的能量的處理上。

4.1 采用普通變頻器加能耗制動單元

這種方式可比較方便的實現(xiàn)，但是以多耗電能為代價，這主要是因為發(fā)電能量不能回饋電網造成的。在未采用變頻器時，電動機處于電動狀態(tài)時，電動機從電網吸收電能（電表正轉）；電動機處于發(fā)電狀態(tài)時，電動機釋放能量（電表反轉），電能直接回饋電網的，并沒有在本地設備上耗費掉。綜合表現(xiàn)為抽油機的供電系統(tǒng)的功率因數(shù)較低，對電網質量影響較大。但是在使用普通變頻器時，情況發(fā)生了變化。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。

4.2 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，當然這樣一來，系統(tǒng)就更復雜，投資也就更高了。所謂能量回饋裝置，其實就是一臺有源逆變器。按采用的功率開關器件的不同又可以分為晶閘管（SCR）有源逆變器及絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）逆變器兩種，它們的共同特點是可以將變頻器直流回路的電壓反饋到電網，如圖1所示。加裝能量回饋單元的變頻器適用于交流50Hz，額定電壓380V的異步電動機，實現(xiàn)軟起動、軟停車和調速運行過程控制。具有起動電流小、速度平穩(wěn)、性能可靠、對電網沖擊小等優(yōu)點，可實現(xiàn)上下速度任意調節(jié)和閉環(huán)控制運行；用戶可根據油井的液位、壓力確定抽油機的沖機、速度和產液量，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。

變頻器加回饋單元接線圖

五、客戶收益

通過油田現(xiàn)場測試的抽油機的示功圖表明由Goodrive200A變頻器組成數(shù)字化抽油機運行良好，抽油機工作在最佳的狀態(tài)。采用英威騰Goodrive200A變頻器作為控制的解決方案在數(shù)字化抽油機應用中有如下優(yōu)點：（1）變頻解決方案，可以根據現(xiàn)場油井負荷大小使抽油機達到最佳的平衡狀態(tài)，根據油井的產液量使抽油機工作在合理的沖次，并根據油井工況對抽油機進行有效的保護；從而最大限度的使抽油機的運行參數(shù)與油井參數(shù)相一致，發(fā)揮抽油機的工作能力，實現(xiàn)低碳開發(fā)和節(jié)能開采。（2）變頻器內置的通訊功能，提供RS485通訊接口，使之與RTU控制模塊的通訊連接更加簡便。（3）模塊化設計，系統(tǒng)的維護更加簡單。（4）變頻器具有短路、過載、過壓、缺相、失速等多種保護和故障輸出功能，能有效保證系統(tǒng)安全高效的運行。（5）可以通過站控平臺有效實現(xiàn)變頻器的參數(shù)調整及管理要求，實現(xiàn)真正意義上的井場無人值守。勝利油田某采油廠2012年使用能量回饋式電磁調速電動機135臺。經測試其平均噸液有功節(jié)電率為32％，平均噸液無功節(jié)電率為43％，功率因數(shù)平均提高0.21，綜合節(jié)電率為35％。形成年節(jié)電能力456萬千瓦時，年節(jié)電效益320萬元。下圖為現(xiàn)場抽油機變頻器系統(tǒng)圖片。

六、結束語

數(shù)字化抽油機除了具備井口數(shù)據采集、傳輸和遠程啟停外，還實現(xiàn)了抽油機的自動調參，最大限度地降低一線員工的勞動強度和減少一線員工的用工總量，使井場設備達到無人值守。英威騰Goodrive200A變頻器作為數(shù)字化抽油機的動力驅動設備，以其高效、低噪聲、大啟動轉矩、高可靠性、良好的調速性能、免維護等優(yōu)越性在數(shù)字化抽油機中有著良好的應用，經實際運行證明：此控制系統(tǒng)穩(wěn)定、進一步提高抽油機采油系統(tǒng)效率，節(jié)約能源，降低開采成本，實現(xiàn)油田經濟有效開發(fā)，實現(xiàn)真正意義上的數(shù)字化管理和智能控制。

編輯：黃飛

?