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1　前言

游梁式抽油機(jī)，俗稱磕頭機(jī)，在油田上有著廣泛的應(yīng)用。變頻器應(yīng)用于游梁式抽油機(jī)，是一種油田節(jié)能改造的嘗試。本文將施耐德電氣ATV340系列變頻器在新疆克拉瑪依石西油田作業(yè)區(qū)游梁式抽油機(jī)上的應(yīng)用做簡單介紹。

2　抽油機(jī)運行原理

抽油機(jī)是一個往復(fù)式運行的負(fù)載，電機(jī)轉(zhuǎn)向不變，但是隨著電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，抽油機(jī)“驢頭”處的懸繩器呈現(xiàn)往復(fù)運動，實現(xiàn)采油動作。常規(guī)型游梁式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 常規(guī)型游梁式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

在這個過程中，電機(jī)的轉(zhuǎn)速并不能實現(xiàn)勻速。在驢頭往復(fù)運動的后期，由于懸繩器的運動方向和曲柄運動方向在空間矢量上有偏差，因此這個時候電機(jī)會被加速，存在發(fā)電狀態(tài)。如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 在上升（下降同）中期，曲柄運動方向基本與懸繩器運動方向相同

圖3 在上升后期，曲柄運動方向與懸繩器運動方向存在一個越來越大的夾角

圖4 在下降后期，曲柄運動方向與懸繩器運動方向存在一個越來越大的夾角

當(dāng)曲柄做旋轉(zhuǎn)運動時，曲柄在垂直方向上的速度分量就應(yīng)該和懸繩器在垂直運動方向上的速度分量（按比例）一致。由此得知，隨著曲柄的運動越來越偏離垂直方向，曲柄在運動方向上的速度會有一個被慣性加速的過程，這是游梁式抽油機(jī)發(fā)電狀態(tài)出現(xiàn)的原因。

理想狀態(tài)下，抽油機(jī)的配重和負(fù)載一致時，考慮到阻力，發(fā)電狀態(tài)會比較微弱。但是抽油機(jī)在運行時，會受到各種因素的影響，例如油層的溫度、壓力發(fā)生變化，結(jié)蠟現(xiàn)象，配重不合理等，使抽油機(jī)在一個不穩(wěn)定的狀態(tài)下運轉(zhuǎn)。按照油田的操作規(guī)程，一般每個月都會對油井進(jìn)行一次熱洗，然后重新調(diào)整配重。

本次調(diào)試的MB5032井，出現(xiàn)了配重嚴(yán)重過輕的現(xiàn)象，變頻器在驢頭下降階段長期處于發(fā)電狀態(tài)。如果配重過重，則容易在上升后期出現(xiàn)發(fā)電狀態(tài)。

3　變頻器現(xiàn)場應(yīng)用情況

克拉瑪依油田第一批采購了約200套施耐德電氣ATV340系列變頻器用于抽油機(jī)改造，功率范圍從11~45kW不等。本文以這次測試的MB5032井為例。變頻器參數(shù)如下：

電機(jī)額定功率：37kW；

電機(jī)額定電壓：380V；

變頻器型號：ATV340D37N4E；

變頻器重載37kW，內(nèi)置制動單元，制動電阻為適合中等制動循環(huán)的3.4kW。

3.1　ENA功能

對于抽油機(jī)應(yīng)用，有一個理想功能是ENA。在變頻器相關(guān)手冊中，對于ENA功能的描述是“為帶有不平衡載荷的旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)計的控制曲線”，其目的是“允許不帶制動電阻器運行”，并“減小連桿上的機(jī)械應(yīng)力”。用一句話概括，即變頻器檢測到負(fù)載處于發(fā)電狀態(tài)時，它給電機(jī)定子一個加速旋轉(zhuǎn)的磁場，從而迫使電機(jī)回到電動機(jī)狀態(tài)，避開發(fā)電機(jī)狀態(tài)。

ATV340變頻器可以非常方便地實現(xiàn)ENA功能，只需調(diào)整以下參數(shù)：

（1）最大頻率（tFr）

位于“簡單啟動”菜單。該參數(shù)出廠設(shè)置為60Hz，一般情況我們會將其設(shè)置為高速頻率，但是這里必須將其設(shè)置更高值，否則在ENA功能加速電機(jī)時，變頻器會報“電機(jī)過速”。在本次測試中，電機(jī)最大速度達(dá)到94Hz，所以我們設(shè)置其為100~120Hz。

（2）減速自適應(yīng)（brA）

位于“完整設(shè)置”菜單里，“通用功能”的“斜坡”子菜單。該參數(shù)出廠設(shè)置為“是”，這里需要設(shè)置為“否”。

（3）發(fā)電轉(zhuǎn)矩限幅（tLiG）

位于“完整設(shè)置”菜單里，“通用功能”的“轉(zhuǎn)矩限幅”子菜單。需要設(shè)置以下參數(shù)：

· 轉(zhuǎn)矩限幅激活（tLA），設(shè)置為“是”；

· 發(fā)電轉(zhuǎn)矩限幅（tLiG），設(shè)置為“0”。

3.2 “液擊”現(xiàn)象

ENA功能雖然能夠理想地躲開發(fā)電狀態(tài)，但用在抽油機(jī)的變頻器改造時，必須注意“液擊”現(xiàn)象。

當(dāng)抽油機(jī)采油的活塞在做往復(fù)運動時，假如地下的油位正好處于上止點和下止點之間，那么下行時，活塞就會和油層發(fā)生撞擊。最壞的情況下，撞擊產(chǎn)生的沖力會將油桿撞彎，造成事故。對于配重過輕的油井，ENA功能加速下降時，會加重這種現(xiàn)象。所以需要特別注意，確認(rèn)油位完全淹沒上止點、加大配重都可以有效地避開這種現(xiàn)象。如圖5所示。

圖5 抽油機(jī)采油的活塞做往復(fù)運動示意圖

3.3　調(diào)試過程

在沒有激活ENA功能時，變頻器的電流及功率曲線如圖6所示。

圖6 沒有激活ENA功能時，變頻器的電流及功率曲線

可以看到，一個循環(huán)周期為18秒，發(fā)電狀態(tài)占了7秒。發(fā)電狀態(tài)占比較大，且峰值發(fā)電功率占電機(jī)額定功率的30%。

經(jīng)過上述調(diào)整后，變頻器的電流及功率曲線如圖7所示。

圖7 激活ENA功能時，變頻器的電流及功率曲線

可以看到，電機(jī)功率不再出現(xiàn)負(fù)值，即不再發(fā)電。但是設(shè)置50Hz時，電機(jī)頻率最高達(dá)到94Hz。由于速度的提升，循環(huán)周期從18秒變成了14秒，提升了采油效率。

由于沒有了發(fā)電狀態(tài)，制動電阻徹底不再發(fā)熱，客戶對測試結(jié)果非常滿意。從電流上看，也沒有出現(xiàn)液擊現(xiàn)象。

4　結(jié)語

對于抽油機(jī)的變頻器改造，不少油田還處于觀望狀態(tài)，甚至存在否定態(tài)度。這是因為普通的變頻器改造，是用制動電阻加制動單元的方案實現(xiàn)的，發(fā)電狀態(tài)發(fā)出的電能會被制動電阻轉(zhuǎn)化成熱量浪費掉。而原先沒有變頻器時，一旦電動機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，發(fā)出來的電會回饋電網(wǎng)，被其它抽油機(jī)應(yīng)用。所以這種改造反而造成了能源的浪費。

變頻器激活ENA功能后，不再需要制動電阻，電能也不會被轉(zhuǎn)化成熱量，不存在能量浪費的現(xiàn)象，這個問題就得到了很好的解決。

此外，對于電機(jī)直接工頻驅(qū)動的油井，不僅存在啟動沖擊的現(xiàn)象，而且整個電機(jī)的功率因數(shù)非常低，存在大量的無功功率，用戶往往因此收到供電局的大筆罰款。利用變頻器改造后，能夠從根本上解決這一現(xiàn)象。綜上所述，采用施耐德電氣帶有ENA功能的變頻器后，游梁式抽油機(jī)不僅能夠提高生產(chǎn)效率，而且能夠真正實現(xiàn)節(jié)能，具有廣闊的應(yīng)用前景。

摘自《自動化博覽》2021年6月刊