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%，功率因數低，電能浪費大。因此，磕頭機節能潛力非常巨大，石油行業也是推廣“電機系統節能”的重點行業。本文介紹了采用變頻調速技術。使磕頭機的運動規律適應油井的變化工況，實現運行效率的提高，達到節能增產的目的。
一、概況
磕頭機是目前采油生產中的主要設備，其數量達10萬臺以上。電動機裝機總容量在3500萬KW，年耗電量達百億度以上。磕頭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%，功率因數低，電能浪費大。因此，磕頭機節能潛力非常巨大，石油行業也是推廣“電機系統節能”的重點行業。
二、抽油機變頻改造的幾個好處
1、大大提高功率因數，（0.25-0.5提高到0.9以上）。減小了供電電流，從而減小了電網及變壓器的負荷。
2、動態調整抽取速度，一方面節能，同時增加原油產量。
3、對電機變速箱抽油機實現真正“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，使電機處于發電狀態。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。平衡塊調節較好，其發電狀態的時間和產生的能量就小，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，是變轉矩，變功率負載在一個循環周期內有兩次發電狀態，起動力矩大、慣性大。在國內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，沖程和沖次調解不方便，有時空抽現象。
四、傳統磕頭機變頻器改造的難點
磕頭機變頻節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中，有兩次發點狀態，尤其當配重不平衡時，產生的“泵升電壓”很高，靠加大變頻器直流側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矩，如變頻器參數設置不當，易造成過流或不能起動。
（3）以往的變頻節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）采用變頻調速技術，使電機轉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，降低轉速，減少沖程，一般頻率運行至35.00-40.00Hz之間，電機轉速下降30%。節電率可達25%，而且提高了功率因數。
（2）動態調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象。降低頻率，電機轉速下降，提高充滿度，不僅節能而其增加原油產量。
（3）動態調節磕頭機上下行程的速度，適當降低下行程速度，提高泵內的充滿度，適當提高上行程速度，可減小提升中漏失系數，使磕頭機工作在最佳運行狀態，有效提高單位內時間內原油產量。
（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。這也有利于減少發電狀態的能量，減少“泵升電壓”。
（5）再生能量的處理問題。增大變頻器直流側濾波電容的容量：減少制動電阻值，提高制動系統的耗電能力，或直接使用回饋制動，減小能量損失；發電時，頻率增大。
（6）防空抽、增產。動態調節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，控制電機轉速，大于標準值，加速。反之減速，實現閉環控制。
六、結束語
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。磕頭機的負載變化是無規律的，故采用變頻調速技術，使磕頭機的運動規律適應油井的變化工況，實現系統效率的提高，達到節能增產的目的。
