七、變頻器調速節能

　　當油井的地下滲透能力小于抽油機的泵排量時（絕大多數油井如此），為了提高抽吸效率，降低單位產量的能耗指標，最直接的辦法是實行間抽。但是大多數的油井是不允許間歇性工作的，因為如果長時間停機的話，輕則會影響產油量，重則會使油井無法再開啟。這是因為：含蠟量高或含鹽量高以及油的粘稠度高，且地處高寒地區的油井，如果間歇工作，會造成井口結蠟、結鹽或結油的后果，使油井無法再開啟；對于注水油井，如果停止抽取，勢必會影響產油量，這將是得不償失的事，對于這類油井，就要采用其它的節能方法。

　　為了使抽油泵的排量與油井的滲透能力相適應，可以通過改變抽油機的電動機轉速來實現。抽油泵是一種柱塞泵，對電動機來講是一種恒轉矩性的負載，也即電動機的電功率與其轉速成正比。這里要提醒注意的一點是:有人一說到泵，就想當然地認為和風機、水泵一樣屬于平方轉矩型負載了，或者說“近似于泵類負載”，這都是錯誤的。要知只有葉片式的風機和水泵，在不計其靜扭矩時，有近似于平方轉矩的負載特性，也即：排量與轉速成正比，壓頭（或揚程）與轉速的平方成正比，而軸功率則與轉速的立方成正比。

　　隨著現代電力電子技術的發展，低壓變頻器已是十分成熟的電氣產品，并且其價格也已經大幅度下降，目前進口變頻器的價格約為600～700元/kW。國產變頻器的價格在400～500元/kW，在抽油機上大量推廣變頻調速節能改造已經成為可能。抽油機改用變頻器拖動以后有幾個好處：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；由于實現了真正的軟起動，對電動機、變速箱，抽油機都避免了過大的機械沖擊，大大延長了設備的使用壽命，減少了停產時間，提高了生產效率；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），從而大大減少了供電電流，減輕了電網及變壓器的負擔，降低了線損，挖掘出大量的“擴容”潛力。但是，將變頻器用于抽油機拖動時，也有幾個問題需要解決，主要是沖擊電流問題和再生能量的處理問題，以下加以分析。

　　1、沖擊電流問題

　　游梁式抽油機是一種變形的四連桿機構，其整機結構特點像一架天平，一端是抽油載荷，另一端是平衡配重載荷。對于支架來說，如果抽油載荷和平衡載荷形成的扭矩相等或變化一致，那么用很小的動力就可以使抽油機連續不間斷地工作。也就是說抽油機的節能技術取決于平衡的好壞。在平衡率為100％時電動機提供的動力僅用于提起1/2液柱重量和克服摩擦力等，平衡率越低，則需要電動機提供的動力越大。因為抽油載荷是每時每刻都在變化的，而平衡配重不可能和抽油載荷作完全一致的變化，才使得游梁式抽油機的節能技術變得十分復雜。因此，可以說游梁式抽油機的節能技術就是平衡技術。

　　據筆者對某油田18口井的調查，有6口井配重偏大，從而造成過大的沖擊電流，沖擊電流與工作電流之比最大可超過5倍，甚至超過額定電流的3倍！不僅浪費掉大量的電能，而且嚴重威脅到設備的安全。同時，也給采用變頻器調速控制造成很大的困難，一般變頻器的容量是按電動機的額定功率來選配的，過大的沖擊電流會引起變頻器的過載保護，不能正常工作。

　　通過對抽油機曲柄配重塊的調整，可以使沖擊電流降到電機額定電流之內，沖擊電流與正常工作電流之比在1.5倍以內。這樣，選用與電機額定功率同容量的變頻器，甚至略小于電機額定功率的變頻器（要視抽油機電動機的負載率而定）都可以長期穩定運行。由于抽油機的起動扭矩往往很大，慣性也很大，所以要將變頻器的加減速時間設置得足夠長，一般為30～50s，才不致在起動時引起過載保護。

　　2、再生能量的處理問題

　　由于抽油機屬位能性負載，尤其當配重不平衡時，在抽油機工作的一個沖程中，會出現電動機處于再生制動工作狀態（發電狀態），電動機由于位能或慣性，其轉速會超過同步速，再生能量通過與變頻器逆變橋開關器件（IGBT）并聯的續流二極管的整流作用，反饋到直流母線。由于交—直—交變頻器的直流母線采用普通二級管整流橋供電，不能向電網回饋電能，所以反饋到直流母線的再生能量只能對濾波電容器充電而使直流母線電壓升高，稱作“泵升電壓”。直流母線電壓過高時將會對濾波電容器和功率開關器件構成威脅，為了保護電容器及功率開關器件的安全，所以，變頻器都設置了直流母線電壓高保護停機功能。

　  第一種辦法是增大變頻器直流母線上濾波電容器的容量，將再生能量儲存起來，等電動狀態時再釋放給電動機作功。這種方法對節能有利，但是電容器的儲能作用是有限的，在大容量或者負載慣量大的系統中，不可能只靠濾波電容器來限制泵升電壓。

　　第二種辦法是采用“放”的辦法，可以采用由分流電阻器Rp和開關管S11組成的泵升電壓限制電路。也就是將回饋能量消耗在電阻上，這是一種耗能的方法，對節能不利。尤其是在大容量或者大慣量拖動系統中，能量的損失較大。

　　第三、對于地處北方寒冷地區的抽油機，為了在冬季增加原油的流動性和防止結蠟，而對井口回油管進行電加熱，如采用中頻加熱裝置。這時也可將變頻器與中頻電加熱裝置共用整流電路及直流母線，這樣可將電動機回饋到直流母線上的再生能量用于中頻加熱器，同時又防止了直流母線電壓的泵升。

　　第四、對于同一井場上有多口油井的場所，可以采用共用直流母線系統方案，即若干臺抽油機的變頻器可共用一臺整流器，將其直流母線聯結在一起，利用各變頻器的回饋能量不可能在同時發生的原理，將某一臺變頻器的回饋能量作為其他變頻器的動力。這樣即節約了能量，又防止了泵升電壓的產生。

　　第五、對于更大功率的系統，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。所謂的能量回饋裝置，其實就是一臺有源逆變器。

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