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效率，節約能源，降低開采成本，研制開發數字化抽油機就顯得尤為重要。游梁式抽油機作為油田開發的主要設備，往往在現場應用中，還存在抽油機運行參數與油井參數相差較大，抽油機的平衡狀態和工作沖次與油井參數不匹配，致使抽油機的工作狀態不良、系統效率低下等弊病。數字化抽油機的研制開發可以根據油井負荷大小使抽油機達到最佳的平衡狀態，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與油井參數相一致，發揮抽油機的工作能力，達到低碳開發和節能開采的目的。數字化抽油機除了具備井口數據采集、傳輸和遠程啟停外，還需實現抽油機的自動調參目的，實現真正意義的數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電狀態，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，造成了電動機資源的浪費。并且抽油機的工作情況是連續變化的，這些都取決于地底下的狀態，若始終處于工頻運行，勢必也會造成電能的浪費。為了節能，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，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電機轉速，從而可以連續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，方便的調節抽油機的沖程，達到節能和提高電網功率因數的目的。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，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、可靠，提高功率因數等諸多優點，是采油設備改造的理想方案。

抽油機節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進行改造，抽油機用變頻器拖動有如下三個優點：

（1）大大提高了功率因數（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，動態調整抽取速度，一方面達到節能目的，同時還可以增加原油產量。

（3）實現了的“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變頻器是我司開發的新一代開環矢量型變頻器，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，并且強化產品的可靠性和環境的適應性以及客戶化的設計，功能更優化，應用更靈活，性能更穩定。

Goodrive200A開環矢量型變頻器具有優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，同時為設備制造業客戶提供高集成度的一體化解決方案，對降低系統成本，提高系統可靠性具有極大價值。

Goodrive200A開環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、低電磁干擾的環保要求。

四、油梁式抽油機的變頻拖動及系統應用方案

在游梁式抽油機變頻拖動的實際應用過程中出現了許多問題，這些問題主要集中在游梁式抽油機的發電狀態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，但是以多耗電能為代價，這主要是因為發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時，電動機從電網吸收電能（電表正轉）；電動機處于發電狀態時，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。綜合表現為抽油機的供電系統的功率因數較低，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、性能可靠、對電網沖擊小等優點，可實現上下速度任意調節和閉環控制運行；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，降耗節能，提高泵效；使設備減少磨損，延長使用壽命，高效節能低成本，實現在最大節能狀態下的自動化運行。

變頻器加回饋單元接線圖

五、客戶收益

通過油田現場測試的抽油機的示功圖表明由Goodrive200A變頻器組成數字化抽油機運行良好，抽油機工作在最佳的狀態。采用英威騰Goodrive200A變頻器作為控制的解決方案在數字化抽油機應用中有如下優點：（1）變頻解決方案，可以根據現場油井負荷大小使抽油機達到最佳的平衡狀態，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與油井參數相一致，發揮抽油機的工作能力，實現低碳開發和節能開采。（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，能有效保證系統安全高效的運行。（5）可以通過站控平臺有效實現變頻器的參數調整及管理要求，實現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電率為32％，平均噸液無功節電率為43％，功率因數平均提高0.21，綜合節電率為35％。形成年節電能力456萬千瓦時，年節電效益320萬元。下圖為現場抽油機變頻器系統圖片。

六、結束語

數字化抽油機除了具備井口數據采集、傳輸和遠程啟停外，還實現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、免維護等優越性在數字化抽油機中有著良好的應用，經實際運行證明：此控制系統穩定、進一步提高抽油機采油系統效率，節約能源，降低開采成本，實現油田經濟有效開發，實現真正意義上的數字化管理和智能控制。

編輯：黃飛

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