前 言
磕頭機用電量約占油田總用電量得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。使磕頭機的運動規(guī)律適應油井的變化工況，實現(xiàn)運行效率的提高，達到節(jié)能增產(chǎn)的目的。
一、概況
磕頭機是目前采油生產(chǎn)中的主要設備，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量得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、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、對電機變速箱抽油機實現(xiàn)真正“軟啟動”，避免過大機械沖擊，延長設備使用壽命。
三、磕頭機負載分析
1、國內(nèi)應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、磕頭機的電機負荷是按周期變化的，開始起動時，負荷很大，要求啟動轉(zhuǎn)矩很大。正常運行時負荷率很低，一般在20%左右，高時負荷率只有30%。電機的負荷曲線有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，不可能隨抽油負荷作完全一致的變化，絕大部分磕頭機配重嚴重不平衡，從而造成過大的沖擊電流，沖擊電流最大可到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，可降低沖擊電流是正常工作電流的1.5倍。
負載特性：是恒速運行，由于配重，是變轉(zhuǎn)矩，變功率負載在一個循環(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)解不方便，有時空抽現(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)點狀態(tài)，尤其當配重不平衡時，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)設置不當，易造成過流或不能起動。
（3）以往的變頻節(jié)能改造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(chǎn)量方面，效果不佳。
五、解決方案
針對磕頭機變頻器改造存在的問題，我司提出以下解決方案：
（1）采用變頻調(diào)速技術，使電機轉(zhuǎn)速與磕頭機負載匹配。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)整磕頭機的沖程頻次，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)能而其增加原油產(chǎn)量。
（3）動態(tài)調(diào)節(jié)磕頭機上下行程的速度，適當降低下行程速度，提高泵內(nèi)的充滿度，適當提高上行程速度，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)，有效提高單位內(nèi)時間內(nèi)原油產(chǎn)量。
（4）起動力矩大，運行中負荷低，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、增產(chǎn)。動態(tài)調(diào)節(jié)磕頭機沖程頻率次和上、下行程速度。設定電機的輸出功率標準值，實時檢測電機輸出功率，控制電機轉(zhuǎn)速，大于標準值，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^機的負載變化是無規(guī)律的，故采用變頻調(diào)速技術，使磕頭機的運動規(guī)律適應油井的變化工況，實現(xiàn)系統(tǒng)效率的提高，達到節(jié)能增產(chǎn)的目的。
