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本文主要介紹采油行業(yè)對變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，變頻器能夠使磕頭機的運動規(guī)律適應(yīng)油井的變化工況，實現(xiàn)系統(tǒng)效率的提高，達(dá)到節(jié)能增產(chǎn)的目的。
一、引言
磕頭機電量約占油田總用電量的40%，運行效率非常低，平均運行效率只有25%，功率因數(shù)低，電能浪費大。因此，磕頭機節(jié)能潛力非常巨大，石油行業(yè)也是推廣“電機系統(tǒng)節(jié)能”的重點行業(yè)。
二、方案優(yōu)勢
大大提高功率因數(shù)（0.25～0.5提高0.9以上），減小了供電電流，從而減小了電網(wǎng)及變壓器的負(fù)荷。
動態(tài)調(diào)整抽取速度，一方面節(jié)能，同時增加原油產(chǎn)量。
實現(xiàn)真正“軟起動”對電機變速箱磕頭機，避免過大機械沖擊，延長設(shè)備使用壽命。
三、負(fù)載分析
(1) 國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的是游梁式豎井磕頭機，它有三部分組成：
地面部分：由電動機、減速器和四連桿構(gòu)成；
井下部分：抽油泵（吸入閥、泵筒、柱塞和排油閥），它懸掛在套管中的下端；
抽油桿柱：連接地面磕頭機和井下抽油泵的中間部分。
(2) 磕頭機的電機負(fù)荷是按周期變化
開始起動時，負(fù)荷很大，要求啟動轉(zhuǎn)矩很大。正常運行時負(fù)荷率很低，一般在20%左右，高時負(fù)荷率只有30%。電機的負(fù)荷曲線有2個峰值，分別為磕頭機上、下沖程的“死點”。
未進(jìn)行平衡的條件下，上、下沖程的負(fù)載極度不均衡，在上沖程時，需要提起抽油桿柱和液柱，電機需付出很大能量。在下沖程時，抽油桿柱對電機作功，使電機處于發(fā)電狀態(tài)。通常在磕頭機的曲柄上加上平衡塊，消除上下沖沖程負(fù)載不平衡度。平衡塊調(diào)節(jié)較好，其發(fā)電狀態(tài)的時間和產(chǎn)生的能量就小，由于抽油載荷是每時每刻在變化，平衡配重，不可能隨抽油負(fù)荷作完全一致的變化，絕大部分磕頭機配重嚴(yán)重不平衡，從而造成過大的沖擊電流，沖擊電流最大可是5倍的工作電流，甚至達(dá)到額定電流的3倍。調(diào)整好平衡配重，可降低沖擊電流是正常工作電流的1.5倍。
(3) 負(fù)載特性
是恒速運行，由于配重，是變轉(zhuǎn)矩，變功率負(fù)載在一個循環(huán)周期內(nèi)有兩次發(fā)電狀態(tài)，起動力矩大、慣性大。
(4) 國內(nèi)油田使用的磕頭機普遍存在的問題
運行時間長，“大馬拉小車”，效率低，耗能大，沖程和沖次調(diào)節(jié)不方便，有時空抽現(xiàn)象。
四、磕頭機應(yīng)用變頻器的難點
（1）磕頭機在一個工作循環(huán)中，有兩次發(fā)電狀態(tài)，尤其當(dāng)配重不平衡時，產(chǎn)生的“泵升電壓”很高，靠加大變頻器直流側(cè)電解電容和減小制動電阻值，不能完全解決問題，并且隨著油層的變化，“泵升電壓”也在變化。
（2）磕頭機起動需要較大的起動轉(zhuǎn)矩，如變頻器參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，易造成過流或不能起動。
（3）以往的變頻節(jié)能改造設(shè)計方案很少考慮油井的油面、油濃度的變化等情況。在提高產(chǎn)量方面，效果不佳。
五、解決方案
(1) 采用變頻調(diào)速技術(shù)，使電機轉(zhuǎn)速與磕頭機負(fù)載匹配
在前期井中由于剛開采，油量大，讓變頻器運行到65Hz，電機轉(zhuǎn)速提高30%，采油率比工頻提高20%，工效提高1.2倍。在中、后期井中，油量減小，降低轉(zhuǎn)速，減少沖程，一般頻率運行至35～40Hz之間，電機轉(zhuǎn)速下降30%。節(jié)電率可達(dá)25%，而且提高了功率因數(shù)。
(2) 動態(tài)調(diào)節(jié)磕頭機的沖程頻次
隨著油井由淺入深的抽取，油量逐漸減小，出現(xiàn)泵充滿度不足，泵效下降，當(dāng)油井的供油能力小于抽油泵排量時，就造成泵抽空和液擊現(xiàn)象。降低頻率，電機轉(zhuǎn)速下降，提高充滿度，不僅節(jié)能而且增加原油產(chǎn)量。
(3) 動態(tài)調(diào)節(jié)磕頭機上下行程的速度
適當(dāng)降低下行程速度，提高泵內(nèi)的充滿度，適當(dāng)提高上行程速度，可減小提升中漏失系數(shù)，使磕頭機工作在最佳運行狀態(tài)。
(4) 起動力矩大，運行中負(fù)荷低，沖擊電流大
要從根本上解決問題，加大電動機極對數(shù)或增大減速箱速比，增大輸出力矩。變頻器正常運行80～90HZ。這也有利于減少發(fā)電狀態(tài)的能量，減少“泵升電壓”。
(5) 再生能量的處理問題
增大變頻器直流側(cè)濾波電容的容量；減少制動電阻值，提高制動系統(tǒng)的耗電能力，或直接使用回饋制動，減小能量損失。
(6) 防空抽，增產(chǎn)
動態(tài)調(diào)節(jié)磕頭機沖程頻次和上、下行程速度。設(shè)定電機的輸出功率標(biāo)準(zhǔn)值，實時檢測電機輸出功率，控制電機轉(zhuǎn)速，大于標(biāo)準(zhǔn)值，加速。反之減速，實現(xiàn)閉環(huán)控制。
六、變頻控制方案
a、系統(tǒng)有變頻運行和工頻運行兩種方式，當(dāng)變頻出現(xiàn)故障時，可切換到工頻運行；
b、采用能耗制動來消耗“泵升電壓”；
c、通過PLC+變頻器的方式完成系統(tǒng)的控制。
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