1 引言
　　石油化工行業是國民經濟發展的基礎行業，同時也是耗能大戶。目前，我國石油化工行業中抽油機的保有量在10萬臺以上，電動機裝機總容量在3500MW，每年耗電量逾百億kW·h。抽油機的運行效率特別低，在我國平均效率為25.96％，而國外平均水平為30.05％，年節能潛力可達幾十億kW·h。我國的油田不像中東的油田那樣有很強的自噴能力，多為低滲透的低能、低產油田，大部分油田要靠注水壓油入井，再用抽油機把油從地層中提升上來。以水換油或者以電換油是我國油田的現實，因而，電費在我國的石油開采成本中占了相當大的比例，所以，石油行業十分重視節約電能。多年來，各采油廠一直在抽油機節能的問題上下功夫，近幾年的實踐證明，變頻調速是最理想的高效調速節電技術。在油田生產中，應用變頻技術，一是改造“大馬拉小車”設備，適應變工況運行，二是生產工藝自動化的需要，作為閉環系統中理想的執行器。因為油田生產的特殊性，選用變頻器常重點考慮操作簡單化，運行的安全性、可靠性、經濟性，出現故障后系統處理的靈活性。變頻技術的發展日新月異，在油田生產中也由過去的簡單應用發展到系統集成，自動控制。所以，我們面臨的問題是怎樣做到變頻、電機、負載整個系統應用最優化，節電效益最大化。

2 抽油機介紹及相關功能需求
　　抽油機（俗稱叩頭機）是石油開采中的必備設備。一般，每個原油生產井都至少使用一臺抽油機，將深藏在地下（或海水中）的石油通過抽油管抽出。圖1給出了抽油機的結構圖。抽油機的每個工作循環可分為上提抽油桿，下放抽油桿，從上提抽油桿轉換為下放抽油桿，從下放抽油桿轉換為上提抽油桿四個階段。
圖1 抽油機結構圖
　　圖1中: 1—底座; 2—支架;3—懸繩器; 4—驢頭;5—游梁; 6—橫梁軸承座; 7—橫梁; 8—連桿; 9—曲柄銷裝置; 10—曲柄裝置;11—減速器; 12—剎車保險裝置; 13—剎車裝置;14—電動機;15—配電箱。
　　抽油機的負荷電流曲線如圖2所示。顯然抽油機的負載為一周期性變化的負載。抽油機由于其特殊的運行要求，所匹配的拖動裝置必須同時滿足三個最大的要求，即最大沖程，最大沖次，最大允許掛重。另外，還須具有足夠的堵轉轉矩，以克服抽油機啟動時嚴重的靜態不平衡。因此，往往抽油機在設計時確定的安裝容量裕度較大。
圖2 抽油機負荷曲線圖
　　抽油機是油田用電的主要設備之一，它的動作原理是由交流電動機恒速運轉拖動抽油泵，沿著重力作用方向進行往復運動，從而把原油從數百至數千米的井下抽到地面。分析其負載特性可知其慣量較大，而不同的油井的粘度大小又很不同，當油的粘度較大時，泵的效率也變低，往往啟動也很困難。該負載又是周期負載，上升、下降行程負載性質亦不同，下降時尚帶有位勢負載性質。為適應這些復雜的工況，抽油機的配置及其實際工作狀態往往只能是大馬拉小車。當油井的地下滲透能力小于抽油機的泵排量時（絕大多數油井如此），為了提高抽吸效率，降低單位產量的能耗指標，最直接的辦法是實行間抽。但是大多數的油井是不允許間歇性工作的，因為如果長時間停機的話，輕則會影響產油量，重則會使油井無法再開啟。這是因為含蠟量高或含鹽量高以及油的粘稠度高，且地處高寒地區的油井，如果間歇工作，會造成井口結蠟、結鹽或結油的后果，使油井無法再開啟;對于注水油井，如果停止抽取，勢必會影響產油量，這將是得不償失的事，對于這類油井，就要采用其它的節能方法。
　　為了使抽油泵的排量與油井的滲透能力相適應，可以通過改變抽油機的電動機轉速來實現。抽油泵是一種柱塞泵，對電動機來講是一種恒轉矩性的負載，也即電動機的電功率與其轉速成正比。抽油機電機的負荷是一周期性脈動負荷,并迭加有瞬間的沖擊。抽油機電機的負荷曲線上有兩個峰值,分別為抽油機上下沖程的“死點”。抽油機自由停車后再啟動時，總是從死點處啟動,因此抽油機電機要求啟動轉矩大。為了保證足夠大的啟動轉矩,抽油機電機正常運行時負荷率很低,一般在20%左右,負荷率高的也不過30%。低負荷率運行造成功率因數低,效率低,電能浪費大。因此，在設計選配抽油機電機時，普遍的做法是令其抽取量大于實際負荷。它所帶來的新問題是當抽油機排量過剩時，抽油機的運行會出現無功抽取，出現空抽或泵空狀態，伴隨泵空還會產生井噴、氣鎖等事故，而井噴、氣鎖又是導致鉆具組、泵裝置甚至地面設備損壞的主要原因。另外，由于過度的不間斷運行，機械設備的損耗也相應上升，造成傳統抽油機成本高，噪音大，運行可靠性低。有效控制泵空是亟待研究的課題。抽油機是油田耗能大戶，用電量約占油田總用電量的40％，其總體效率很低，據調查一般在30％左右，過剩的抽油能力令抽油機的無功抽取時間增加，造成油井開采的電費成本居高不下，能源浪費十分嚴重。因此，抽油機的節能潛力非常可觀。

3 抽油機采用倫茨變頻調速系統后性能分析
　　近年來，市場上直接針對抽油機的節電技術主要有兩大類:一是開發不同類型的抽油機節能電機，如超高轉差率電動機、三相永磁同步電機、高啟動轉矩雙定子結構電機和電磁調速電機等。但由于資金投入太大，在許多油田用節能電機取代普通異步電機尚無法全面推廣。二是使用節能配電箱，其中包括定子繞組Y-Δ轉換調壓和電容器動態無功補償及靜態無功補償等。采用改變定子繞組的接法可以改變電機電壓，但電機只能得到固定電壓，節電效果并不理想。雖然有些裝置采用雙向晶閘管實現定子電壓隨負載變化連續調節，節電效果較好，但是電源電流波形發生畸變，電網諧波污染嚴重，不宜大面積長期使用。而采用變頻調速控制，則可以改變抽油機長期處于低效做功的狀態，使其工作方式與油井實際負荷相匹配，保證每次都抽油，減少低效甚至無效抽取，從而降低電費開支，減少維護成本，提高運行效率，圖3為過去抽油機的控制方案。
圖3 過去抽油機的控制方案
　　在抽油機采用倫茨變頻調速技術后，有如下幾個方面的顯著效果:
　　（1） 變頻器具有軟起動功能起動時電流較小，對電網沖擊小，起動時能耗大為降低。避免了啟動時的相當于3～7倍的額定電流，避免了不必要的電能損耗。耗同時減少了對電動機，變速箱，抽油機等大機械的沖擊，延長了相關設備的使用壽命。在工作中電機的功率因數可從0.2～0.5提高到0.9，減輕電網和變壓器的負擔， 降低線損，大量減少了無功損耗;
　　（2） 引進變頻器控制可實現設備上，下行程自動識別從而控制抽油機上、下行程的電機運行頻率分別可調，以改變抽油機上、下行程的運行速度。亦可對變頻器能耗制動進行準確控制，以使變頻器更適應該運行工況。加上抽油機沖次的任意調節，可使用抽油機的抽汲參數對不同油井而言更趨合理，當調節適當時，可提高泵的充滿系數，減少泵的漏失，從而提高泵效達到增產目的。沖次的任意調節，可不停機調節產量，解決了因更換皮帶輪調速造成的停產，從而提高了生產效率。同時達到滿足泵效的情況下耗用最少的電能;
　　（3） 由于抽油機下行時負載性質為位勢負載，變頻器加裝能耗制動功能后恰能適應其工況。對于改變抽油機轉速調節最佳工作狀態帶來很大方便。在現場應用中感覺到，上行速度慢于下行速度的工作方式往往較為理想，在提高了泵的充滿系數的同時也提高了泵效，從而提高了采油量。分段轉速控制，通過變頻器對抽油機轉速調節，根據抽油機的特殊工況，把轉速控制細化為上沖程轉速和下沖程轉速控制，在上沖程時電機工作在50Hz以上，提高轉速，下沖程電機工作在20～30Hz減小轉速，從而降低漏失，提高泵效;
　　（4） 油田采油的特殊地理環境決定了采油設備有其獨特的運行特點:油井的供油狀況不是保持不變的，抽油機工作情況的連續變化，取決于地底下的狀態，若始終處于工頻運行勢必造成電能浪費。另一方面，油田抽油機為克服大的起動轉矩，采用的電動機遠遠大于實際所需功率，工作時電動機利用率一般為20%～30%，最高不會超過50%，電動機常處于輕載狀態，造成巨大的電能浪費。若應用高效回饋型制動單元，結合倫茨變頻器實現“變頻+回饋”的完美節能增效控制方式，相比將抽油機發電狀態產生能量用電阻就地消耗，通常能夠將白白消耗的多大20%的電能回饋電網，在提高泵效的同時，達到最佳節能效果。

4 倫茨變頻器具體特應用和參數設置
　　隨著現代電力電子技術的發展，倫茨變頻器已是十分成熟的電氣產品，并且其價格也已經大幅度下降，在抽油機上大量推廣變頻調速節能改造已經成為可能。
圖4 采用公用直流母線的多變頻器系統主回路
　　目前，在國內的油田所采用的抽油設備中，采用變頻調速進行控制的節能效果十分可觀。主電路如圖4所示。倫茨（Lenze）公司是歐洲率先將變頻技術應用于交流調速系統開發的廠家，并于20世紀90年代建成了歐洲第一條全自動化變頻器生產線。在變頻器及其他所有產品的設計和制造過程中，倫茨始終遵循通用性、開放性、靈活性兼備的原則。完整的產品體系，合理的等級搭配，以及強大的普適性使倫茨變頻器廣泛應用于石油化工行業的各種機械。倫茨系列變頻器卓越的品質，眾多的功能，緊湊的設計，簡易的操作安裝，代表了當代變頻器發展新潮流。卓越的性能首先表現在轉矩特征曲線中。倫茨系列變頻器可提供2倍額定轉矩、1.5倍額定電流。根據拖動與再生運動狀態極限電流的分別設定，給出每個操作點的制動保護。因此驅動系統可承受大負荷并可提供高動態性能。在5～50Hz的頻率范圍內，在無速度傳感器方式下，速度控制精度可高達1%以內。兩套參數集可通過端子切換以適應不同工藝要求，每套參數集可提供4個頻率段，先進的FTC控制方式，可在任意頻率下無需制動單元進行直流制動，內置PID調節器、皮帶監控（V020版本）。如圖5所示，變頻器的參數見附表。某油田采用倫茨55kW變頻器一次改造128眼油井，收到了良好的節電、增產的雙重效果，其它油田應用效果亦較理想。根據以往實例，節能均在20%以上，并獲得不同程度的增產。
圖5 符合EMC標準的控制回路圖 附表 抽油機變頻器主要參數設定表

5 結束語
　　由于應用了正確的變頻調速系統，使抽油機動態適應油井負荷變化，也可方便地進行參數調節。配以流量、載荷等傳感器，可實現最經濟的控制。同時其軟起動性能好，對延長抽油機壽命，減少維護費用有利。節能效果最好，能耗基本上與轉速成正比，只要降速，肯定節能。是抽油機節能電控裝置的發展方向。隨著電力電子技術的發展，變頻器價格將進一步降低，而性能將進一步提高。變頻調速這一技術正越來越廣泛的深入到各行各業中。應用變頻調速技術也是企業改造挖潛、增加企業效益的一條有效途徑。尤其是在石油及化工行業中高能耗、低產出的設備較多，采用變頻調速裝置將使企業獲得巨大的經濟利益，同時這也是國民經濟可持續發展的需要。