1、引言
在起重、礦山、油田等應(yīng)用場合，電機(jī)在運行中會產(chǎn)生再生能量，所產(chǎn)生的再生能量如果不加以有效利用，就會被浪費。如何有效利用這些再生能量，并解決輸入電流的諧波含量高，功率因數(shù)低的問題，則成為客戶迫切的應(yīng)用需求。鑒于此，合康變頻經(jīng)過潛心研究，推出HID520系列四象限能量回饋變頻器，致力于提升客戶的節(jié)能效率與綜合經(jīng)濟(jì)效益。
HID520系列四象限能量回饋變頻器采用PWM控制的IGBT整流技術(shù)，實現(xiàn)對整流與回饋的雙向控制，成功解決了負(fù)載在快速下降或停機(jī)時的再生發(fā)電能量處理問題，具有四象限的運行功能。同時，能滿足各種位勢負(fù)載的調(diào)速要求，可將電機(jī)的再生能量轉(zhuǎn)換為電能輸送回電網(wǎng);可進(jìn)一步提高節(jié)電效率，減小電源的諧波污染，提高功率因數(shù)，減小供電電流，從而減輕電網(wǎng)和變壓器的負(fù)擔(dān)，降低線損，可省去大量的增容開支。
因此，本文結(jié)合游梁式抽油機(jī)的工作原理及變頻調(diào)速節(jié)能方案對比，全面地介紹合康變頻HID520系列四象限變頻器在勝利油田游梁式抽油機(jī)(磕頭機(jī))上的成功應(yīng)用。
2、游梁式抽油機(jī)變頻改造的必要性
游梁式抽油機(jī)屬于有桿類抽油桿往復(fù)運動類的抽油設(shè)備，是目前應(yīng)用最為廣泛的一種，它由三部分組成，地面部分，井下部分和連接地面和井下的中間部分-抽油桿柱。
游梁式抽油機(jī)工作時，懸點上的負(fù)載在一個周期內(nèi)是不斷變化的。上沖程時，懸點要提起抽油桿柱和液柱，當(dāng)抽油機(jī)未平衡時，此時負(fù)載就很重。下沖程時，抽油機(jī)桿柱對電動機(jī)做功，使電動機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)。當(dāng)抽油機(jī)未平衡時，上下沖程的負(fù)載變化非常大，這樣會嚴(yán)重影響抽油機(jī)的機(jī)械連接，影響其使用壽命。為解決此負(fù)載不均勻的問題，一般在抽油機(jī)上采用機(jī)械配重的方法來解決。增加機(jī)械配重調(diào)節(jié)平衡后，下沖程時，平衡重從低點轉(zhuǎn)到高點，增加其位能。平衡配重上升時，其能量由抽油桿柱下落所釋放的位能和電動機(jī)付出的部分能量兩部分組成。上沖程時，平衡配重由高點轉(zhuǎn)到低點，釋放下沖程時儲存的能量，幫電動機(jī)提升抽油柱和液柱，從而減少了減上沖程時電動機(jī)給出的能量。但即使當(dāng)平衡配重調(diào)節(jié)較好時，電機(jī)仍然存在發(fā)電狀態(tài)并產(chǎn)生能量。
抽油機(jī)在工頻狀態(tài)下啟動時，沖擊電流大，會產(chǎn)生尖峰電流;轉(zhuǎn)矩動態(tài)大，啟動過程快，會影響各機(jī)械部件的壽命;啟動后，不能根據(jù)油井的實際情況調(diào)節(jié)其頻率，且配重不能實時調(diào)節(jié)，所以會造成大部分能量的浪費;另外，下沖程時，電動機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，釋放的能量直接回饋給電網(wǎng)，會使供電系統(tǒng)功率因數(shù)降低，對電網(wǎng)質(zhì)量影響非常大。所以為了降低啟動時沖擊電流，延長設(shè)備使用壽命，減少能源損耗，改善電網(wǎng)質(zhì)量，有必要對抽油機(jī)進(jìn)行變頻改造。
3、抽油機(jī)的變頻調(diào)速節(jié)能方案對比
抽油機(jī)屬于位能性負(fù)載，尤其是在配重不平衡時，在抽油機(jī)的一個沖程周期中，會使電動機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)。電動機(jī)由于位能或者慣性，其轉(zhuǎn)速會超過同步轉(zhuǎn)速，再生能量通過與變頻器逆變橋功率開關(guān)器件IGBT并聯(lián)的續(xù)流二極管的整流作用，反饋到直流母線。由于普通的兩象限的變頻器，其母線是通過普通二極管整流橋供電，不能向電網(wǎng)回饋電壓，所以反饋到直流母線的再生能量只能對濾波電容充電而使母線電壓升高。變頻器在設(shè)計時，為了保護(hù)器件，會設(shè)置一個母線過壓保護(hù)，當(dāng)母線電壓值達(dá)到一定值時，會觸發(fā)此保護(hù)。所以再生能量會將母線電壓充電到設(shè)定的過壓值，會保護(hù)停機(jī)。
因此，處理抽油機(jī)再生能量的方法有以下幾種：
(1)變頻器加制動單元。這種方式是在母線電壓上并聯(lián)制動單元及制動電阻，將能量直接消耗在制動電阻上。這是一種耗能的方法，對節(jié)能不利，且制動電阻的散熱及壽命問題很難解決。
(2)變頻器加回饋單元。這種方式是在母線上并聯(lián)回饋單元，將電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)時變頻器直流母線上的直流泵生電壓轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)通過回饋單元回饋到電網(wǎng)，對電網(wǎng)質(zhì)量影響嚴(yán)重但同樣未解決功率因數(shù)低，諧波電流大的問題。
(3)四象限變頻器。四象限變頻器(如圖1所示)可以解決以上應(yīng)用中的各種缺點，不論是能量從電網(wǎng)到直流母線還是從母線到電網(wǎng)，均可保證輸入諧波在5%以下，功率因數(shù)接近于1。采用PWM控制的IGBT整流技術(shù)，實現(xiàn)對整流與回饋的雙向控制，成功解決了負(fù)載在快速下降或停機(jī)時的再生發(fā)電能量處理問題，具有四象限的運行功能。同時，能滿足各種位勢負(fù)載的調(diào)速要求，可將電機(jī)的再生能量轉(zhuǎn)換為電能輸送回電網(wǎng);可進(jìn)一步提高節(jié)電效率，減小電源的諧波污染，提高功率因數(shù)，減小供電電流，從而減輕電網(wǎng)和變壓器的負(fù)擔(dān)，降低線損，可省去大量的增容開支。
圖1 四象限變頻器系統(tǒng)構(gòu)成
4、合康變頻.HID520系列四象限變頻器諧波及功率因數(shù)測試數(shù)據(jù)測試分析
(1)整流器整流時電能質(zhì)量測試：
圖2 整流器整流時測試數(shù)據(jù)
(2)整流器回饋時電能質(zhì)量測試：
圖3 整流器回饋時測試數(shù)據(jù)
從圖2，圖3可以看出，不論能量的流向是從電網(wǎng)到母線還是從母線到電網(wǎng)，HID520四象限變頻器都可以保證電流的諧波在5%以下，功率因數(shù)接近于1?？沙浞譁p小電源的諧波污染，提高功率因數(shù)，減小供電電流，從而減輕電網(wǎng)和變壓器的負(fù)擔(dān)，降低線損?？蔀橛吞锘蛘咂鹬匦袠I(yè)客戶提供一個可靠，節(jié)能的解決方案。
5、合康HID520四象限變頻器在勝利油田的應(yīng)用
應(yīng)用地點：勝利油田
變頻器型號：HID520-T4-37G
系統(tǒng)名稱：游梁式抽油機(jī)，電機(jī)功率45KW
現(xiàn)場要求：可以工變頻切換，可遠(yuǎn)程監(jiān)控變頻器的運行狀態(tài)，頻率源及命令源由本地給定
圖4 游梁式抽油機(jī)現(xiàn)場
應(yīng)用時需配合客戶的電氣控制柜，可實現(xiàn)工變頻切換。變頻運行時，啟動指令由控制柜上的啟動按鍵給定，所以變頻器設(shè)定為端子運行指令。停止指令由停止按鈕給定，客戶需要即按即停，停車方式設(shè)置為自由停車。變頻器運行頻率為鍵盤給定，可以根據(jù)油井的實際情況自動調(diào)節(jié)頻率。
表1 V/F控制主要參數(shù)表
使用SVC控制時需要進(jìn)行電機(jī)參數(shù)自學(xué)習(xí)，其他參數(shù)設(shè)置均相同。
該套系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試，運行正常，經(jīng)第三方檢測機(jī)構(gòu)檢測，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)大幅提高，電流諧波大幅降低，無功功率大幅減小。綜合節(jié)電率約為20%左右。
圖5 電能參數(shù)曲線圖對比
上表為客戶的監(jiān)控系統(tǒng)上的電能參數(shù)曲線，此曲線顯示的為一個沖程周期內(nèi)的電流，電壓，功率的曲線圖。對比工頻運行和變頻運行時的電能參數(shù)曲線，由對比表中直觀的看到，相對于工頻運行，電流，功率等都有大幅度的降低。
以下為變頻改造后采油廠的收益。
1.直接收益：
A.根據(jù)評價中心測試報告：變頻改造后的系統(tǒng)的平均綜合節(jié)電率：約20%。按照單臺20%計算，例如，抽油機(jī)配置的45KW電機(jī)日耗電量按200kwh算,年節(jié)約電量為14600kwh,每度電按照0.8元計算，則年節(jié)約電費11680元，既更換了設(shè)備，又可以取得顯著地節(jié)電效果。
B.我國目前執(zhí)行功率因數(shù)罰款制度，用戶功率因數(shù)如不能達(dá)到0.9，將面臨供電公司罰款。使用工頻時功率因數(shù)只有0.2左右，某些井場一年的罰款可達(dá)3萬-4萬元，無奈面臨高額罰款。使用變頻系統(tǒng)功率因數(shù)從0.23提高到0.98，采油廠可以節(jié)約這方面的開支。
2.間接效益：
A.對于低產(chǎn)井，間抽可能會發(fā)生沙卡事故，使用變頻方案可以降低頻率24小時運行。沙卡作業(yè)時間在5-7天左右，按照一天取液10t(含油量按照30%計算)，即3t原油。3t*5天=15t原油。
B.變頻啟動電機(jī)速度緩慢增加，對皮帶及抽油機(jī)機(jī)械件的沖擊降低，減少更換皮帶輪，單井更換一次作業(yè)時間最快為1個小時，會影響1個小時的產(chǎn)量，以0.5t*3000元，一年不定期需要更換5-10次，年直接經(jīng)濟(jì)損失約為7500-15000元。
C.節(jié)電系統(tǒng)內(nèi)置工頻旁路系統(tǒng)，可以滿足電機(jī)在工頻運行和變頻運行間自由切換，用戶可以節(jié)省一臺啟動配電柜，啟動配電柜市場售價平均6000-10000元。
D.2008年國家發(fā)改委指定的電煤標(biāo)準(zhǔn)是：每度電煤耗350克標(biāo)準(zhǔn)煤。每一噸標(biāo)準(zhǔn)煤折算排放二氧化碳約為2.66-2.72噸。經(jīng)換算，每度電可排放二氧化碳為931克-952克。這樣計算每年每臺就為國家減少碳排放量約13.89噸。
6、總結(jié)
目前，HID520系列四象限變頻器已成功運用于勝利油田、中原油田、福山油田等多個運行現(xiàn)場，經(jīng)過長時間的應(yīng)用比較，多套設(shè)備均運行穩(wěn)定，且節(jié)能效果十分明顯，電網(wǎng)質(zhì)量顯著提高。
同時，合康變頻還可為用戶量身打造抽油機(jī)變頻控制一體柜，為客戶提供變頻加電氣控制整體解決方案，以實現(xiàn)對抽油機(jī)的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控，提高采油系統(tǒng)的安全性和系統(tǒng)工作效率，并能在油田野外環(huán)境下能長時間可靠運行，防護(hù)等級達(dá)IP54，提高綜合節(jié)能效益。
（轉(zhuǎn)載）
