VACON變頻器對傳統抽油機的節能改造控制
一、抽油機使用變頻驅動的節能原理
首先，需要明確抽油機的負載特性：恒速運行；由于有配重，因此是變轉矩、變功率負載。目前國內油田普遍采用的傳統式抽油機系統存在如下特性：運行時間長、“大馬拉小車”、效率低下、耗能大、沖程和沖次調節不方便，因此抽油機有必要使用變頻器以實現節能、增產的目的。
任何平衡良好的抽油機都有發電狀態，但是如果變頻器運行時，仍采用恒速度運行方式，并保持工頻時的抽油次數，即變頻器一直輸出50Hz的工頻頻率，并繼續保持抽油機在一個沖程中有兩次發電狀態，將導致變頻器因直流橋電壓升高出現過電壓故障，很明顯的，這是不可行的。
如果允許變頻器變速運行的同時保持原抽油次數，發電狀態下變頻器輸出頻率增加，將直流橋電壓保持在一定范圍內，此時變頻器不會過壓。為保持恒定的抽油次數，在電動狀態下，變頻器的運行速度將降低，即其輸出頻率減小，在轉矩不變的情況下，從電網吸收的能量亦將減少；在發電運行狀態下，變頻器無需再從電網吸收能量，并有部分能量存儲在其直流電容中，這部分能量將用于電動狀態下的供能，因此，抽油機從電網吸收的能量將進一步減少。
二、傳統抽油機變頻改造的難點
隨著原油生產對抽油機產量和節能要求的不斷提高，國內對抽油機變頻節能改造做了大量的試驗，但都不太成功，主要原因是：
1.游梁式抽油機在一個工作循環中，有兩次發電狀態運行，如果此時不采取任何有效的措施，將造成變頻器過壓故障。傳統的解決方法是采用四象限、帶反饋的變頻器，或普通變頻器帶能耗制動或降頻使用或在直流橋上并大容量儲能電容。使用四象限、帶反饋的變頻器將增加系統的造價，延長油田收回成本的時間；使用普通變頻器帶能耗制動時，不同的油井將選用不同的制動電阻，并且隨著油層的變化，制動電阻的大小也將隨之變化，否則仍然會產生過壓故障，這將大大降低節能的效果；普通變頻器降頻使用時，很難提高抽油的效率；在變頻器的直流橋上并聯大電容時，也需要隨著油層的變化，改變并聯電容的容量，否則仍會造成過壓；
2.游梁式抽油機的起動需要較大的起動轉矩，如果變頻器的參數設置不當，將造成過流或不能起動的現象；
3.以往的設計方案很少考慮油井的油面、油濃度的變化等情況，在提高產量等方面，并不具備顯著的效果。
三、VACON抽油機專用變頻節能驅動解決方案
VACON抽油機專用變頻節能驅動解決方案主要基于VACON變頻器的BeamPump應用宏軟件包。該應用宏由VACON標準應用宏經過簡單修改而成，是根據油田實際情況，以及梁式抽油機的機械結構，專門開發的新型智能化電氣油田抽油機控制方式，它能自主判斷抽油機運行的上下沖程，根據油井的實際情況，實時調節上下沖程的速度，從而在實際抽油時，不更改每分鐘的抽油次數，但增加每次抽油時的采油量，提高抽油機的產量。
Vacon變頻節能方案通過調整變頻器內部的頻率參考值，保證抽油時間（SPM）恒定。所有的參考指令都將折算為每分鐘的抽油次數?？刂频脑硎牵簩φ９ぷ鹘o出合適的電流限制，在電動狀態下，電機實際速度低于參考值；在發電狀態下，允許電機速度高于參考值，從而保持平均的恒定抽油時間。當使用平衡負載應用時對上下沖程使用兩種不同的參考頻率值。該方案的優點在于：
1.高效節能，增產
控制器內無任何的制動電阻，當抽油機處于發電運行狀態時，變頻器自動提高電機的運行速度，并儲存發電運行產生的能量，與傳統設計方案相比，減少了不必要的能量損失。
2.運行安全，性能可靠
驅動控制無需任何PLC，而是基于變頻器的專用控制程序實現，并且具有工頻和變頻操作方式，這兩種操作方式互鎖，并相互獨立，變頻器具有寬廣的輸入電壓范圍，因此使系統的運行更安全，性能更加可靠。
3.人機界面友好，安裝方便，操作簡單
變頻器的顯示面板可以直接顯示變頻器的輸出電壓，輸出電流，輸出頻率，電機運行消耗的能量，運行時間，抽油次數等。變頻器的運行參考值可直接設置抽油機的抽油次數，從而改善了傳統的通過設置電機運行頻率進行控制的操作方式。
上述方案適用于目前常見的游梁平衡式、曲柄平衡式和復合平衡式三種傳統的抽油機。實際應用中，當輸入必須的抽油機參數后，控制器將對抽油機進行靜態建模，并根據抽油機的實際運行情況，實時修改抽油機的數學模型，以達到增產節能的目的。
四、應用案例
基于BeamPumper應用宏的VACON抽油機專用變頻節能驅動解決方案已經在遼河油田，新疆油田，大慶油田，勝利油田等大規模投入使用。在此僅以遼河油田洼3737井、海C9-17井為例，其應用示意圖如下圖所示。為使變頻器故障時不耽誤生產，可加工工頻旁路。變頻器運行時，C3和C1、C2聯鎖，不會發生同時合閘的情況，即在正常運行狀態下，開關C1和C2全部合閘，C3斷開；變頻器故障時C1和C2斷開，C3合閘。
系統設計指標為節電率15%，增產率5%。由上表可知，Vacon變頻節能方案達到了設計要求，節能效果顯著。
五、結束語
能源價格的不斷上漲和國家能源法案對節能越來越嚴格的要求是包括石油鉆探在內的各行業在設計驅動系統時必須考慮的重要課題。另外，隨著采油行業對石油產量和系統運行成本要求的不斷提高，變頻驅動解決方案的應用勢必趨于廣泛。實踐證明，本文介紹的VACON抽油機專用變頻節能驅動解決方案在應用中體現出明顯的節能和增產效果，是替代傳統抽油機驅動方案的理想選擇。
首先，需要明確抽油機的負載特性：恒速運行；由于有配重，因此是變轉矩、變功率負載。目前國內油田普遍采用的傳統式抽油機系統存在如下特性：運行時間長、“大馬拉小車”、效率低下、耗能大、沖程和沖次調節不方便，因此抽油機有必要使用變頻器以實現節能、增產的目的。
任何平衡良好的抽油機都有發電狀態，但是如果變頻器運行時，仍采用恒速度運行方式，并保持工頻時的抽油次數，即變頻器一直輸出50Hz的工頻頻率，并繼續保持抽油機在一個沖程中有兩次發電狀態，將導致變頻器因直流橋電壓升高出現過電壓故障，很明顯的，這是不可行的。
如果允許變頻器變速運行的同時保持原抽油次數，發電狀態下變頻器輸出頻率增加，將直流橋電壓保持在一定范圍內，此時變頻器不會過壓。為保持恒定的抽油次數，在電動狀態下，變頻器的運行速度將降低，即其輸出頻率減小，在轉矩不變的情況下，從電網吸收的能量亦將減少；在發電運行狀態下，變頻器無需再從電網吸收能量，并有部分能量存儲在其直流電容中，這部分能量將用于電動狀態下的供能，因此，抽油機從電網吸收的能量將進一步減少。
二、傳統抽油機變頻改造的難點
隨著原油生產對抽油機產量和節能要求的不斷提高，國內對抽油機變頻節能改造做了大量的試驗，但都不太成功，主要原因是：
1.游梁式抽油機在一個工作循環中，有兩次發電狀態運行，如果此時不采取任何有效的措施，將造成變頻器過壓故障。傳統的解決方法是采用四象限、帶反饋的變頻器，或普通變頻器帶能耗制動或降頻使用或在直流橋上并大容量儲能電容。使用四象限、帶反饋的變頻器將增加系統的造價，延長油田收回成本的時間；使用普通變頻器帶能耗制動時，不同的油井將選用不同的制動電阻，并且隨著油層的變化，制動電阻的大小也將隨之變化，否則仍然會產生過壓故障，這將大大降低節能的效果；普通變頻器降頻使用時，很難提高抽油的效率；在變頻器的直流橋上并聯大電容時，也需要隨著油層的變化，改變并聯電容的容量，否則仍會造成過壓；
2.游梁式抽油機的起動需要較大的起動轉矩，如果變頻器的參數設置不當，將造成過流或不能起動的現象；
3.以往的設計方案很少考慮油井的油面、油濃度的變化等情況，在提高產量等方面，并不具備顯著的效果。
三、VACON抽油機專用變頻節能驅動解決方案
VACON抽油機專用變頻節能驅動解決方案主要基于VACON變頻器的BeamPump應用宏軟件包。該應用宏由VACON標準應用宏經過簡單修改而成，是根據油田實際情況，以及梁式抽油機的機械結構，專門開發的新型智能化電氣油田抽油機控制方式，它能自主判斷抽油機運行的上下沖程，根據油井的實際情況，實時調節上下沖程的速度，從而在實際抽油時，不更改每分鐘的抽油次數，但增加每次抽油時的采油量，提高抽油機的產量。
Vacon變頻節能方案通過調整變頻器內部的頻率參考值，保證抽油時間（SPM）恒定。所有的參考指令都將折算為每分鐘的抽油次數?？刂频脑硎牵簩φ９ぷ鹘o出合適的電流限制，在電動狀態下，電機實際速度低于參考值；在發電狀態下，允許電機速度高于參考值，從而保持平均的恒定抽油時間。當使用平衡負載應用時對上下沖程使用兩種不同的參考頻率值。該方案的優點在于：
1.高效節能，增產
控制器內無任何的制動電阻，當抽油機處于發電運行狀態時，變頻器自動提高電機的運行速度，并儲存發電運行產生的能量，與傳統設計方案相比，減少了不必要的能量損失。
2.運行安全，性能可靠
驅動控制無需任何PLC，而是基于變頻器的專用控制程序實現，并且具有工頻和變頻操作方式，這兩種操作方式互鎖，并相互獨立，變頻器具有寬廣的輸入電壓范圍，因此使系統的運行更安全，性能更加可靠。
3.人機界面友好，安裝方便，操作簡單
變頻器的顯示面板可以直接顯示變頻器的輸出電壓，輸出電流，輸出頻率，電機運行消耗的能量，運行時間，抽油次數等。變頻器的運行參考值可直接設置抽油機的抽油次數，從而改善了傳統的通過設置電機運行頻率進行控制的操作方式。
上述方案適用于目前常見的游梁平衡式、曲柄平衡式和復合平衡式三種傳統的抽油機。實際應用中，當輸入必須的抽油機參數后，控制器將對抽油機進行靜態建模，并根據抽油機的實際運行情況，實時修改抽油機的數學模型，以達到增產節能的目的。
四、應用案例
基于BeamPumper應用宏的VACON抽油機專用變頻節能驅動解決方案已經在遼河油田，新疆油田，大慶油田，勝利油田等大規模投入使用。在此僅以遼河油田洼3737井、海C9-17井為例，其應用示意圖如下圖所示。為使變頻器故障時不耽誤生產，可加工工頻旁路。變頻器運行時，C3和C1、C2聯鎖，不會發生同時合閘的情況，即在正常運行狀態下，開關C1和C2全部合閘，C3斷開；變頻器故障時C1和C2斷開，C3合閘。
系統設計指標為節電率15%，增產率5%。由上表可知，Vacon變頻節能方案達到了設計要求，節能效果顯著。
五、結束語
能源價格的不斷上漲和國家能源法案對節能越來越嚴格的要求是包括石油鉆探在內的各行業在設計驅動系統時必須考慮的重要課題。另外，隨著采油行業對石油產量和系統運行成本要求的不斷提高，變頻驅動解決方案的應用勢必趨于廣泛。實踐證明，本文介紹的VACON抽油機專用變頻節能驅動解決方案在應用中體現出明顯的節能和增產效果，是替代傳統抽油機驅動方案的理想選擇。
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井號及電機型號 |
洼3737 Y280m-8 |
海C9-17 Y280m-12 | ||
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工況 |
工頻 |
變頻 |
工頻 |
變頻 |
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日均有功耗電 |
188度 |
137度 |
143度 |
135度 |
|
799度 |
33度 |
778度 |
27度 | |
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有功節電率 |
27% |
5.93% | ||
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無功節電率 |
96% |
96.6% | ||
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綜合節電率 |
34.9% |
18.37% | ||
|
日均產量 | ||||
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