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1. 前言
變頻器從上個世紀80年代在中國推出以后，在國民經濟和日常生活中發揮著日益重要作用，已經被廣泛的應用于企業的工業生產以及人們的日常生活中。變頻器廣泛應用,主要得益于其優良的節能特性和調速特性。中國產值能耗是世界上最高的國家之一。要解決產品能耗問題，除其它相關的技術問題需要改進外，變頻調速已成為節能及提高產品質量的有效措施。油田作為一個特殊行業，有其獨特的背景，在油田中以風機、泵類負載為主，因而決定了變頻器在油田中的應用，以節能為第一目標。油田中變頻器的應用主要集中在游梁式抽油機控制、潛泵控制、注水井控制和油氣集輸控制等幾個場合。下面從這個方面對變頻器在油田中應用情況進行簡單的說明。
2. 變頻器在游梁式抽油機控制中的應用
目前，在陜北、甘肅和寧夏等地，油田采用的抽油設備中，有一部分為游梁式抽油機，數量也比較多。一方面，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鋼質滑塊，當滑塊提升時，類似于杠桿的作用，將采油機桿送入井中，滑塊下降時，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，勢必會尋找能量消耗的渠道，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，這樣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，為了不被供電企業罰款的危險;頻繁的高壓沖擊會損壞電機，對電動機沒有可靠的保護功能，一旦電機損害，造成生產效率降低、維護量加大，極不利于抽油設備的節能降耗，給企業造成較大的經濟損失。另一方面，游梁式抽油機引入兩個大質量的鋼質滑塊，導致抽油機的起動沖擊大等諸多問題。除了上述兩方面問題之外，油田采油的特殊地理環境決定了采油設備有其自有的運行特點，在油井開采前期儲油量大，供液足，為提高功效可采用工頻運行，保證較高的產油量;在中、后期，由于石油儲量減少，易造成供液不足，電機若仍工頻運行，勢必浪費電能，造成不必要的損耗，這時須考慮實際工作情況，適當降低電機轉速，減少沖程，有效提高充盈率。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:
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。
目前，對此抽油機的變頻器改造主要有以下幾個方面:
(1) 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。這種應用在勝利油田的臨盤采油廠已經提上應用日程。
(2) 以節能為第一目標的變頻改造。這一點比較普遍，一方面，油田的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%，電動機常常處于輕載狀態，造成了電動機資源的浪費。另一方面，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。
(3) 以提高電網質量和節能為目的的變頻改造。這種情況綜合了上面兩種改造的優點，是應用中的一個重要發展方向。
在實際的應用過程中卻出現了許多問題，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。對于第一種情況，采用普通變頻器加能耗制動單元可比較方便的實現，這是以多耗電能為代價的。
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。對于第二種情況和第三種情況，必須妥善的處理電動機發電狀態產生的電能，必須將其反饋到電網，否則通過調節抽油機的沖程節省的電能可能不能抵消變頻器制動單元消耗的電能，造成變頻運行時反而耗能，與節能的目標背道而馳。在控制方法引入自適應控制以適應游梁式抽油機多變的工作環境。
目前我公司已在陜北、甘肅和寧夏等地油田上成功的將變頻器應用在此設備上，得到很好的使用效果。
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