一、概況

? ? ? 磕頭機是目前采油生產(chǎn)中的主要設(shè)備，其數(shù)量達10萬臺以上。電動機裝機總?cè)萘吭?500萬kW，年耗電量達百億度以上?？念^機用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)。本文介紹了采用變頻調(diào)速技術(shù)，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，達到節(jié)能增產(chǎn)的目的。

二、抽油機變頻改造的幾個好處

1、大大提高功率因數(shù)，（0.25～0.5提高到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。

2、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。

3、實現(xiàn)真正“軟起動”對電機變速箱抽油機，避免過大機械沖擊，延長設(shè)備使用壽命。

三、磕頭機負(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：

（1）地面部分：由電動機、減速器和四連桿構(gòu)成。

（2）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。

（3）抽油桿柱：連接地面抽油機和井下抽油泵的中間部分。

2、磕頭機的電機負(fù)荷是按周期變化的，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，由于抽油負(fù)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，沖擊電流最大可為5倍的工作電流，甚至達到額定電流的3倍。調(diào)整好平衡配重，可降低沖擊電流為正常工作電流的1.5倍。

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。在國內(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，有空抽現(xiàn)象。

四、傳統(tǒng)磕頭機變頻器改造的難點

?磕頭機變頻節(jié)能改造做了大量的嘗試，但都不太成功，主要問題是：

（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

?磕頭機變頻改造存在的問題，我司提出以下解決方案：

（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65.00Hz，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35.00～40.00Hz之間，電機轉(zhuǎn)速下降30%。節(jié)電率可達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)，有效提高單位時間內(nèi)原油產(chǎn)量。

（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80.00～90.00Hz。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；發(fā)電時，頻率增大。

（6）防空抽，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、結(jié)束語

?由于油井的類型和工況千差萬別，井下滲油和滲水量每時每刻都在變?？念^機的負(fù)載變化是無規(guī)律的，故采用變頻調(diào)速技術(shù)，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，達到節(jié)能增產(chǎn)的目的。

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