变频控制技术的应用 数控抽油机和智能抽油机的比较

变频控制技术在抽油机上应用，能使抽油机－抽油杆－抽油泵达到动态协调，使有杆抽油系统和油井供液系统达到动态协调。当前抽油机变频控制技术主要有数控抽油机和智能抽油机。这两种抽油机从工作原理、结构特点、性能指标、运动规律等几方面均不相同，分别代表了变频控制技术在抽油生产设备中两种不同类型的应用。数控抽油机是彻底抛弃了游梁抽油机，从变频控制系统、传动系统到机械结构等方面重新设计、制造；智能抽油机是在继承了游梁抽油机诸多优点的基础上，应用变频控制技术控制游梁抽油机。由于受诸多因素影响，变频控制技术在抽油生产设备上尚未获得较大规模推广。

变频控制技术自80年代中后期，先后在挪威、美国、加拿大等国用于驱动石油钻机，变频控制驱动钻机被世界公认为80年代发展起来的钻井装备四大新技术之一。实践证明，在油田设备上应用变频控制技术不仅自动化程度提高，节能效果明显，而且降低工人的劳动强度，减少工作量，综合效益明显。目前，变频控制技术在油田正向广度和深度发展。但变频控制技术在抽油生产设备中的应用还很少，当前主要有两种：数控抽油机和智能抽油机。这两种抽油机从工作原理、结构特点、性能指标、运动规律等几方面均不相同，分别代表了变频技术在抽油生产设备中两种不同类型的应用。国内数控抽油机从90年代初期开始研制，经过不断的技术改进，先后应用在大港、华北、大庆、胜利等油田十几口油井上；国内智能抽油机从90年代中期开始研制，经过不断技术改进，先后应用在新疆、辽河、华北等油田的十几口油井上。这两种抽油机经油田现场使用表明：使抽油系统增产、节能、无级调速，最终提高抽油系统的系统效率。

1　变频控制技术在数控抽油机上应用

数控抽油机以全数控电力拖动为基础，综合应用变频调速技术、过程控制技术、传感器技术，按照机电一体化的设计思想精心制造的电子—机械装置，它可以根据每口油井的工况及时调整抽汲参数，使抽油机在最佳参数下运行。数控抽油机在我国及世界居领先地位。

1.1　数控抽油机的工作原理

数控抽油机由变频调速器、可编程控制器、位置传感器、同步电动机、机架等组成，结构示意图如图1所示。数控抽油机的变频控制部分主要由变频调速器和可编程控制器组成，根据不同井况而编写的程序事先存贮于可编程控制器中，可编程控制器根据位置传感器输入的信号并根据内部控制程序来决定其输出信号，变频调速器接受可编程控制器的输出信号，并根据其内部指令编程决定其输出电源的频率和电压，变频调速器输出的电源控制稀土同步电动机的转速，电动机通过减速器驱动机架上的链轮，链轮驱动链条带动抽油杆往复运动。

1.2　数控抽油机的性能指标

数控抽油机较传统的游梁抽油机有许多优点：

（1）通过调节上、下死点极限位置磁块的间距，可方便地无级调整抽油机冲程；

（2）通过调节变频调速器输出电源的频率，从而改变同步电动机转速，可无级调节抽油机冲次；

（3）由于使用变频调速器，使电动机启动电流大幅降低，功率因数大幅度提高，达0.9以上；

（4）由于采用变频控制技术，使抽油系统实现了软停、软启，匀速提升排液和匀速下降进液，整机工作平稳，运行冲击载荷减小；

（5）由于抽油机—抽油杆—抽油泵能动态协调，增产、节能明显；

（6）具有过载、过电流、过电压、瞬时失速等多种较强的保护功能。

1.3　数控抽油机的运动规律

由4个部分组成：A 为“S”形加速过程，B为匀速提升排液过程，C为逆“S”形负加速过程，D为匀速下降进液过程，数控抽油机的运动规律像一架先进的高速电梯一样，能在高速运行条件下工作得非常平稳，从而保证了数控抽油机良好的机械受力情况，抽油泵充满度高且耗电少。

2　变频控制技术在智能抽油机上应用

智能抽油机是应用变频调速技术、过程控制技术、电力电子技术和单片机等高新技术改造现有的游梁抽油机，使其智能化。智能抽油机是对游梁抽油机进行技术改造，以全数控主式拖动电动机，以识别泵充满程度自动调节抽汲参数。

2.1　智能抽油机的工作原理

智能抽油机由变频调速器、可编程控制器、单片机、位置传感器、异步电动机、游梁式抽油机等组成，智能抽油机的变频控制部分主要由变频调速器、可编程控制器和单片机组成，单片机在线检测、采集、计算电动机瞬时功率和一个冲次的平均功率，单片机输出控制信号给可编程控制器，可编程控制器对接受到控制信号经内部程序处理输出控制信号给变频调速器，变频调速器接受可编程控制器的控制信号并根据内部指令编程来决定其输出电源的频率和电压，变频调速器输出的电源控制异步电动机的转速，电动机通过减速器和4连杆机构带动抽油杆往复运动。

2.2　智能抽油机的性能指标

智能抽油机在保留传统的游梁抽油机诸多优点的基础上，具有许多游梁抽油机不具有的优点：

（1）通过调节变频调速器输出电源的频率，从而改变异步电动机转速，可无级调节抽油机冲次；

（2）通过上、下死点位置传感器控制变频调速器上、下冲程输出不同频率的电源，从而使电动机上、下冲程转速不同，可无级调节抽油机上下冲程速比；

（3）由于使用变频调速器，使抽油系统实现了软启动，电动机启动电流大幅降低，功率因数大幅度提高，达0.9以上；

（4）由于抽油机—抽油杆—抽油泵能动态协调，增产、节能明显；

（5）具有过载、过电流、过电压、瞬时失速等多种较强的保护功能。

2.3　智能抽油机的运动规律

由于驱动抽油机的电动机一个冲程周期中上冲程和下冲程的电动机转速不同，使抽油机驴头悬点速度曲线为幅值不等的两个半正弦曲线。图4是新疆油田某采油厂5139井的智能抽油机驴头悬点速度—时间曲线，机型是5型常规游梁机，上冲程电源频率为45Hz（上冲程冲次为5.94min－1，下冲程电源频率为30Hz（下冲程冲次为4.37min－1），上下冲程速比为1.36，LL代表智能抽油机悬点速度的精确解，NH代表智能抽油机实测数据拟合数值解。

3　数控抽油机和智能抽油机的比较

数控抽油机是彻底抛弃现场大量使用的游梁抽油机，对游梁抽油机无任何继承，从变频控制系统、传动系统的机械结构等方面重新设计、制造，代表了变频控制技术在抽油生产设备上应用的一个方向；智能抽油机是在保留现场大量使用的游梁抽油机，继承了游梁抽油机诸多优点的基础上，应用变频控制技术控制游梁抽油机，代表了变频控制技术在抽油生产设备上应用的另一个方向。

4　影响变频控制技术推广的因素

变频控制技术在抽油机上应用，对抽油生产设备来说是一个很大进步，它从根本上改变了抽油机的运动特性和动力特性，使抽油机—抽油杆—抽油泵达到动态协调，使有杆抽油系统和油井供液系统达到动态协调。但自90年代初期至今，变频控制在抽油生产设备上并未获得较大规模推广，影响的因素较多，主要有以下几方面：

（1）作为变频控制技术的主要设备变频调速器、可编程控制器价格较贵，从而使整机价格高于游梁抽油机，使数控抽油机和智能抽油机同游梁抽油机竞争在价格上失去优势；

（2）由于油井环境一般比较恶劣，变频调速器、可编程控制器等电子设备相比之下显得比较“娇贵”，容易出现故障，影响油田使用的积极性；

（3）变频控制技术在抽油生产中应用目前还是一项新技术，还有许多方面需要完善，还有许多问题需要研究，油田使用者应对新事物、新技术给予支持和帮助，不应把它同已有一百多年历史的游梁抽油机同样看待，认识上的问题成为抽油机变频控制技术在抽油生产中推广的一大障碍；

（4）油田管理体制、管理水平、技术人员和工人的文化素质成为影响变频控制技术在抽油生产中推广的最主要障碍之一。

5　抽油机变频控制技术展望

变频控制技术已广泛应用在国内外各大油田原油集输系统、供水系统、石油钻机等方面，但变频控制技术应用于抽油生产中还很有限，我国自90年代以来在这一领域一直处于世界各国前列。因此，应通过加大科研开发和应用力度，提高油田管理水平，提高油田技术人员和工人的文化素质，使变频控制技术广泛应用在我国各大油田抽油生产中，使我国在抽油机变频控制技术方面继续保持世界领先地位。

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