西林电气EH600A系列变频器在油田磕头机上的应用

一、概况   
       抽油机(又称磕头机)是目前采油生产中的主要设备，其数量达10万台以上。电动机装机总容量在3500万KW，年耗电量达百亿度以上。抽油机用电量约占油田总用电量的40%，运行效率非常低，平均运行效率只有25%，功率因数低，电能浪费大。因此，抽油机节能潜力非常巨大，石油行业也是推广“电机系统节能”的重点行业。

二．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。

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
    大庆油田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。采用深圳市西林电气技术有限公司生产的智能高效抽油机节电器进行变频器节能改造。
    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

七．结束语
    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。