变频控制技术在塔架式抽油机中的应用

摘 要：本文借助工作中的实际应用，从塔架式抽油机的研发背景出发，简单介绍了其运行原理，说明了变频控制技术在其中的主要作用，并且重点对工程实践中发现的问题进行了深入的分析，找到了产生问题的原因，并提出了针对性的改进建议。文章从电气控制的角度说明了塔架式抽油机优点与局限性，对塔架式抽油机的改进和发展具有较好的指导意义。

关键词：变频控制技术；抽油机

1.塔架式抽油机的研发背景及简介

近年来国内油田开发后期，随着井深的增加及高粘度稠油的开采，游梁式抽油机的泵效不断降低。因此，采油工程对抽油机提出了大悬点力、长冲程、低冲次的新要求。

游梁式抽油机因受减速箱输出扭矩和减速比的限制，既难以实现大悬点载荷，又难以实现低冲次运行。在此背景下，国内厂家竞相推出了各自研发设计的塔架式抽油机。该类型抽油机不但能满足机械采油的各项要求，而且还弥补了传统游梁式抽油机的不足。

塔架式抽油机分为基础部分、塔架部分、传动部分等三部分，其中传动部分包括机械系统和控制系统，机械系统主要由底座、塔架、上平台、导向轮、导向臂、滚筒、平衡部件，与传统游梁式抽油机相比，省略了曲柄四连杆换向机构。

2.抽油机运行控制要求

在原油的机械开采过程中，根据地下抽油泵往复直线工作的特点，必须实现光杆的上下运行，才能实现地下油液的抽汲。这也是一切有杆采油机械设计的基本要求。

常规游梁式抽油机利用曲柄连杆机构，将驱动装置的旋转运动转换为游梁的往复运动，进而带动光杆上下直线运行。在这个过程中，所有的传动机构均为刚性连接，设备的机械效率低，驱动设备的能耗大，而且由于抽油机运行过程中负荷波动剧烈，对驱动电机有较大的冲击，时间久了直接导致电机损坏。

3.塔架式抽油机的工作原理

塔架式抽油机的光杆侧与配重侧采用钢丝绳柔性连接，构成一个天平结构的平衡系统。在光杆下行时，将势能储存起来，上行时释放出来，平衡精度可达96%以上，无功损耗大幅降低。

塔架式抽油机电气控制的核心要求是实现智能换向控制，电气控制系统主要包括矢量型通用变频器、PLC控制器、接近传感器等，所用电气设备技术成熟，性能可靠，适应性强。

当抽油机运行时，安装在传动部件上的接近传感器，检测到上下冲程的位置信号，并将信号传送至PLC控制器，PLC控制器收到信号，根据程序判断，然后给变频器发出正转或反转信号，变频器根据程序指令驱动电动机正转或反转。

4.变频控制的特点

4.1操作简便，维护量小

日常生产中，塔架式抽油机可以根据油井工况，随时对冲程、冲次进行调整，方便快捷，省时省力。通过变频控制柜中控制面板调整输出频率，进而调节电机转速，实现冲次调整。通过控制柜中参数调整部分，直接设定冲程距离，实现冲程调整。

4.2软启动，恒转矩，低能耗

变频控制的软启动、恒转矩特性，可以有效地解决抽油机电机在驱动大惯量负载换向时的电流冲击问题。换向过程平稳，惯性载荷小，大大提高设备整体的稳定性。而且电动机在运行过程中，工作电压随着载荷的变化而变化，有效降低了无功损耗。

4.3长冲程，低冲次

塔架式抽油机采用变频控制后，冲次可以实现无级调节，最大设计冲程可达6米，最小冲次为0.5次/分钟，远远超过常规游梁抽油机的范围，适合于低渗透、高粘度的油田工况，有利于提高采收率。

4.4易于实现设备的自动化控制

采用变频控制后，塔架式抽油机的电气自动化程度较游梁式抽油机有了很大提高，可以实现失电制动、限位保护、远距离遥控等功能，提高了工作效率，降低劳动强度。

5.塔架式抽油机变频控制的局限性

5.1现象及危害

作为抽油机自身来说，在实际应用中有具体的冲程和冲次要求。当抽油机冲程足够长而且不变的时候，冲次的变化实际上就是电机转速快慢的变化，反应到变频器中就是频率的高低变化。以试验中的塔架式抽油机为例，该机设计冲程为3米，悬点载荷为6T。通过粗略测试，其频率与冲程时间的对应关系如下表。

通过表1的数据我们可以看出，随着变频器运行频率的提高，完成每个冲程所需的时间会越来越短。

试验中我们发现，当变频器频率超过20Hz时，抽油机运行到冲程末端，电机并不是根据程序要求，执行换向动作，而是继续保持同向运转一段时间后，才执行换向旋转。而且，不同的频率时持续时间和出现频率也不相同，当变频器运行频率越高时，该问题发生的频率也越大，换向前的迟滞时间也越长。在低频率运行时，该现象并不发生。

如过不能找出该现象的根本原因，进行有针对性地解决，将直接影响抽油机的可靠运行。如果配重箱升到最高点后，传动装置将直接被卡死，电机发生堵转或皮带打滑，影响电机或皮带使用寿命。如果是悬绳器上升到最高点后，如果不被卡死，有可能会继续上升，导致钢丝绳脱离导向轮，抽油杆坠落，造成停井事故发生。在实际应用中，塔架式抽油机通常都带有限位保护，虽然可以避免以上两种情况，却会导致频繁停机。

5.2原因分析

变频器作为一种交流调速装置，在大负载时具有优良的启动和调速性能。当驱动的电动机满载运行时，变频器需要设置合适的启动时间、加速时间和减速时间，当进行换向控制时，也需要设置合适的正反转死区时间。在控制系统中，变频器的运行参数设置如下。

通过试验，我们发现除了“停止时直流制动时间”一项参数，在停机时有效外，抽油机能否正常运转与另外四项参数的设置是否得当密切相关，而且与抽油机每冲的运行时间之间必须满足以下关系。

2（T启+T加+T减+ T死）≤T

其中，N为冲次；

T启为启动时间；T加为加速时间；T减为减速时间；T制为制动时间；

在表2中，T启+T加+T减+ T死为14s，一个完整的行程中，变频器正常运行最低需要28s。当抽油机的一个冲程时间大于28s时，变频器可以正常运行；反之，变频器正常运行的时间不足，将会导致抽油机换向延迟现象的发生。为了验证我们的判断，我们在高于20Hz的频率中随意选择了几个点来测试，结果每次都会发生该现象。

在变频控制换向的塔架式抽油机中，变频器的启停运行时间与抽油机的冲程时间密切相关。在冲程、冲次一定的情况下，加减速时间越长，变频器启动与运行越平稳，但是越容易超出设定冲次的时间，导致在换向点不换向的现象发生；当冲程时间过短或冲次过高，变频器时间量的设置范围也会缩小，如果在设定范围内达不到正常运行的时间要求，就会造成变频器频繁的过载报警。这直接决定了塔架式抽油机无法在短冲程、高冲次下运行。

5.3解决措施

要解决这个问题可以从两方面考虑，一是对变频器进行增容，提高其过载的能力；二是选用高输出扭矩的电动机，提高启动性能，缩短加速时间。

变频器增容后，过载能力有较大提高，对启动与加速时间有了更低的要求，但是却形成“大马拉小车”的现象，不仅提高配套成本，还造成设备浪费。而且不能从根本上解决问题。

选用高输出扭矩的电机，特别是低速扭矩大、响应快、短时加速性能好的电机，是解决该问题的重要途径。

6.结论及认识

（1）变频控制技术在塔架式抽油机中的应用，本质是利用变频器进行换向控制的应用。

（2）在塔架式抽油机中，变频技术可以完全满足控制要求，而且操作简单，易于实现机电连锁保护。

（3）变频器在驱动大惯量负载进行频繁换向控制时，必须根据工艺要求对时间参数、频率参数、电机参数和控制方式参数进行优化设置，否则变频器将无法可靠运行。

（4）塔架式抽油机只适用于长冲程、低冲次的油井，这一特点也限制该类型抽油机应用范围，制约着其全面推广，使其无法从根本上替代传统游梁式抽油机。

参考文献：

[1]马强.《塔架式长冲程抽油机原理及应用》.石油矿场机械，2008年1月

[2]尚会志.《塔架式数控抽油机的应用价值》.中国石油企业，2009年.06期

[3]李成群.《PLC在智能塔架式抽油机上的应用》.石油机械，2010年.06期