变频器在石油化工生产中抽油机控制系统的应用

1 引言
石油化工行业是国民经济发展的基础行业，同时也是耗能大户。目前，我国石油化工行业中抽油机的保有量在10万台以上，电动机装机总容量在3500MW，每年耗电量逾百亿kW·h。抽油机的运行效率特别低，在我国平均效率为25.96％，而国外平均水平为30.05％，年节能潜力可达几十亿kW·h。我国的油田不像中东的油田那样有很强的自喷能力，多为低渗透的低能、低产油田，大部分油田要靠注水压油入井，再用抽油机把油从地层中提升上来。以水换油或者以电换油是我国油田的现实，因而，电费在我国的石油开采成本中占了相当大的比例，所以，石油行业十分重视节约电能。多年来，各采油厂一直在抽油机节能的问题上下功夫，近几年的实践证明，变频调速是最理想的高效调速节电技术。在油田生产中，应用变频技术，一是改造“大马拉小车”设备，适应变工况运行，二是生产工艺自动化的需要，作为闭环系统中理想的执行器。因为油田生产的特殊性，选用变频器常重点考虑操作简单化，运行的安全性、可靠性、经济性，出现故障后系统处理的灵活性。变频技术的发展日新月异，在油田生产中也由过去的简单应用发展到系统集成，自动控制。所以，我们面临的问题是怎样做到变频、电机、负载整个系统应用最优化，节电效益最大化。
2 抽油机介绍及相关功能需求
抽油机（俗称叩头机）是石油开采中的必备设备。一般，每个原油生产井都至少使用一台抽油机，将深藏在地下（或海水中）的石油通过抽油管抽出。图1给出了抽油机的结构图。抽油机的每个工作循环可分为上提抽油杆，下放抽油杆，从上提抽油杆转换为下放抽油杆，从下放抽油杆转换为上提抽油杆四个阶段。

图1 抽油机结构图

图1中: 1—底座; 2—支架;3—悬绳器; 4—驴头;5—游梁; 6—横梁轴承座; 7—横梁; 8—连杆; 9—曲柄销装置; 10—曲柄装置;11—减速器; 12—刹车保险装置; 13—刹车装置;14—电动机;15—配电箱。
抽油机的负荷电流曲线如图2所示。显然抽油机的负载为一周期性变化的负载。抽油机由于其特殊的运行要求，所匹配的拖动装置必须同时满足三个最大的要求，即最大冲程，最大冲次，最大允许挂重。另外，还须具有足够的堵转转矩，以克服抽油机启动时严重的静态不平衡。因此，往往抽油机在设计时确定的安装容量裕度较大。

图2 抽油机负荷曲线图

抽油机是油田用电的主要设备之一，它的动作原理是由交流电动机恒速运转拖动抽油泵，沿着重力作用方向进行往复运动，从而把原油从数百至数千米的井下抽到地面。分析其负载特性可知其惯量较大，而不同的油井的粘度大小又很不同，当油的粘度较大时，泵的效率也变低，往往启动也很困难。该负载又是周期负载，上升、下降行程负载性质亦不同，下降时尚带有位势负载性质。为适应这些复杂的工况，抽油机的配置及其实际工作状态往往只能是大马拉小车。当油井的地下渗透能力小于抽油机的泵排量时（绝大多数油井如此），为了提高抽吸效率，降低单位产量的能耗指标，最直接的办法是实行间抽。但是大多数的油井是不允许间歇性工作的，因为如果长时间停机的话，轻则会影响产油量，重则会使油井无法再开启。这是因为含蜡量高或含盐量高以及油的粘稠度高，且地处高寒地区的油井，如果间歇工作，会造成井口结蜡、结盐或结油的后果，使油井无法再开启;对于注水油井，如果停止抽取，势必会影响产油量，这将是得不偿失的事，对于这类油井，就要采用其它的节能方法。
为了使抽油泵的排量与油井的渗透能力相适应，可以通过改变抽油机的电动机转速来实现。抽油泵是一种柱塞泵，对电动机来讲是一种恒转矩性的负载，也即电动机的电功率与其转速成正比。抽油机电机的负荷是一周期性脉动负荷,并迭加有瞬间的冲击。抽油机电机的负荷曲线上有两个峰值,分别为抽油机上下冲程的“死点”。抽油机自由停车后再启动时，总是从死点处启动,因此抽油机电机要求启动转矩大。为了保证足够大的启动转矩,抽油机电机正常运行时负荷率很低,一般在20%左右,负荷率高的也不过30%。低负荷率运行造成功率因数低,效率低,电能浪费大。因此，在设计选配抽油机电机时，普遍的做法是令其抽取量大于实际负荷。它所带来的新问题是当抽油机排量过剩时，抽油机的运行会出现无功抽取，出现空抽或泵空状态，伴随泵空还会产生井喷、气锁等事故，而井喷、气锁又是导致钻具组、泵装置甚至地面设备损坏的主要原因。另外，由于过度的不间断运行，机械设备的损耗也相应上升，造成传统抽油机成本高，噪音大，运行可靠性低。有效控制泵空是亟待研究的课题。抽油机是油田耗能大户，用电量约占油田总用电量的40％，其总体效率很低，据调查一般在30％左右，过剩的抽油能力令抽油机的无功抽取时间增加，造成油井开采的电费成本居高不下，能源浪费十分严重。因此，抽油机的节能潜力非常可观。
3 抽油机采用伦茨变频调速系统后性能分析
近年来，市场上直接针对抽油机的节电技术主要有两大类:一是开发不同类型的抽油机节能电机，如超高转差率电动机、三相永磁同步电机、高启动转矩双定子结构电机和电磁调速电机等。但由于资金投入太大，在许多油田用节能电机取代普通异步电机尚无法全面推广。二是使用节能配电箱，其中包括定子绕组Y-Δ转换调压和电容器动态无功补偿及静态无功补偿等。采用改变定子绕组的接法可以改变电机电压，但电机只能得到固定电压，节电效果并不理想。虽然有些装置采用双向晶闸管实现定子电压随负载变化连续调节，节电效果较好，但是电源电流波形发生畸变，电网谐波污染严重，不宜大面积长期使用。而采用变频调速控制，则可以改变抽油机长期处于低效做功的状态，使其工作方式与油井实际负荷相匹配，保证每次都抽油，减少低效甚至无效抽取，从而降低电费开支，减少维护成本，提高运行效率，图3为过去抽油机的控制方案。

图3 过去抽油机的控制方案

在抽油机采用伦茨变频调速技术后，有如下几个方面的显著效果:
（1） 变频器具有软起动功能起动时电流较小，对电网冲击小，起动时能耗大为降低。避免了启动时的相当于3～7倍的额定电流，避免了不必要的电能损耗。耗同时减少了对电动机，变速箱，抽油机等大机械的冲击，延长了相关设备的使用寿命。在工作中电机的功率因数可从0.2～0.5提高到0.9，减轻电网和变压器的负担， 降低线损，大量减少了无功损耗;
（2） 引进变频器控制可实现设备上，下行程自动识别从而控制抽油机上、下行程的电机运行频率分别可调，以改变抽油机上、下行程的运行速度。亦可对变频器能耗制动进行准确控制，以使变频器更适应该运行工况。加上抽油机冲次的任意调节，可使用抽油机的抽汲参数对不同油井而言更趋合理，当调节适当时，可提高泵的充满系数，减少泵的漏失，从而提高泵效达到增产目的。冲次的任意调节，可不停机调节产量，解决了因更换皮带轮调速造成的停产，从而提高了生产效率。同时达到满足泵效的情况下耗用最少的电能;
（3） 由于抽油机下行时负载性质为位势负载，变频器加装能耗制动功能后恰能适应其工况。对于改变抽油机转速调节最佳工作状态带来很大方便。在现场应用中感觉到，上行速度慢于下行速度的工作方式往往较为理想，在提高了泵的充满系数的同时也提高了泵效，从而提高了采油量。分段转速控制，通过变频器对抽油机转速调节，根据抽油机的特殊工况，把转速控制细化为上冲程转速和下冲程转速控制，在上冲程时电机工作在50Hz以上，提高转速，下冲程电机工作在20～30Hz减小转速，从而降低漏失，提高泵效;
（4） 油田采油的特殊地理环境决定了采油设备有其独特的运行特点:油井的供油状况不是保持不变的，抽油机工作情况的连续变化，取决于地底下的状态，若始终处于工频运行势必造成电能浪费。另一方面，油田抽油机为克服大的起动转矩，采用的电动机远远大于实际所需功率，工作时电动机利用率一般为20%～30%，最高不会超过50%，电动机常处于轻载状态，造成巨大的电能浪费。若应用高效回馈型制动单元，结合伦茨变频器实现“变频+回馈”的完美节能增效控制方式，相比将抽油机发电状态产生能量用电阻就地消耗，通常能够将白白消耗的多大20%的电能回馈电网，在提高泵效的同时，达到最佳节能效果。
4 伦茨变频器具体特应用和参数设置
随着现代电力电子技术的发展，伦茨变频器已是十分成熟的电气产品，并且其价格也已经大幅度下降，在抽油机上大量推广变频调速节能改造已经成为可能。

图4 采用公用直流母线的多变频器系统主回路
目前，在国内的油田所采用的抽油设备中，采用变频调速进行控制的节能效果十分可观。主电路如图4所示。伦茨（Lenze）公司是欧洲率先将变频技术应用于交流调速系统开发的厂家，并于20世纪90年代建成了欧洲第一条全自动化变频器生产线。在变频器及其他所有产品的设计和制造过程中，伦茨始终遵循通用性、开放性、灵活性兼备的原则。完整的产品体系，合理的等级搭配，以及强大的普适性使伦茨变频器广泛应用于石油化工行业的各种机械。伦茨系列变频器卓越的品质，众多的功能，紧凑的设计，简易的操作安装，代表了当代变频器发展新潮流。卓越的性能首先表现在转矩特征曲线中。伦茨系列变频器可提供2倍额定转矩、1.5倍额定电流。根据拖动与再生运动状态极限电流的分别设定，给出每个操作点的制动保护。因此驱动系统可承受大负荷并可提供高动态性能。在5～50Hz的频率范围内，在无速度传感器方式下，速度控制精度可高达1%以内。两套参数集可通过端子切换以适应不同工艺要求，每套参数集可提供4个频率段，先进的FTC控制方式，可在任意频率下无需制动单元进行直流制动，内置PID调节器、皮带监控（V020版本）。如图5所示，变频器的参数见附表。某油田采用伦茨55kW变频器一次改造128眼油井，收到了良好的节电、增产的双重效果，其它油田应用效果亦较理想。根据以往实例，节能均在20%以上，并获得不同程度的增产。

图5 符合EMC标准的控制回路图

附表 抽油机变频器主要参数设定表

5 结束语
由于应用了正确的变频调速系统，使抽油机动态适应油井负荷变化，也可方便地进行参数调节。配以流量、载荷等传感器，可实现最经济的控制。同时其软起动性能好，对延长抽油机寿命，减少维护费用有利。节能效果最好，能耗基本上与转速成正比，只要降速，肯定节能。是抽油机节能电控装置的发展方向。随着电力电子技术的发展，变频器价格将进一步降低，而性能将进一步提高。变频调速这一技术正越来越广泛的深入到各行各业中。应用变频调速技术也是企业改造挖潜、增加企业效益的一条有效途径。尤其是在石油及化工行业中高能耗、低产出的设备较多，采用变频调速装置将使企业获得巨大的经济利益，同时这也是国民经济可持续发展的需要。