變頻器在油田中的應(yīng)用

變頻器在油田中的應(yīng)用1引言

變頻器自20世紀(jì)80年月在中國推出以后，在在國民經(jīng)濟(jì)和日常生活中發(fā)揮著日益重要作用，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于企業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)以及人們的日常生活中。變頻器廣泛應(yīng)用,主要得益于其優(yōu)良的節(jié)能特性和調(diào)速特性。中國產(chǎn)值能耗是世界上最高的國家之一。要解決產(chǎn)品能耗問題，除其它相關(guān)的技術(shù)問題需要改進(jìn)外，變頻調(diào)速已成為節(jié)能及提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效措施。油田作為一個特別行業(yè)，有其獨(dú)特的背景，在油田中的以風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載為主，因而打算了變頻器在油田中的應(yīng)用應(yīng)以節(jié)能為第一目標(biāo)。油田中變頻器的應(yīng)用主要集中在游梁式抽油機(jī)掌握、電潛泵掌握、注水井掌握和油氣集輸掌握等幾個場合。下面從這幾個方面對變頻器在油田中應(yīng)用狀況進(jìn)行具體的說明。

2變頻器在游梁式抽油機(jī)掌握中的應(yīng)用

目前，在成功油田采納的抽油設(shè)備中，以游梁式抽油機(jī)應(yīng)用最為普遍，數(shù)量也最多。一方面，游梁式抽油機(jī)運(yùn)動為反復(fù)地上下提升，一個沖程提升一次，其動力來自于電動機(jī)帶動的兩個重量相當(dāng)大的鋼質(zhì)滑塊，當(dāng)滑塊提升時，類似于杠桿的作用，將采油機(jī)桿送入井中，滑塊下降時，采油桿提出帶油至井口，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速肯定，在滑塊下降過程中，負(fù)荷減輕，電機(jī)拖動產(chǎn)生的能量無法被負(fù)載吸引，勢必會查找能量消耗的渠道，導(dǎo)致電機(jī)進(jìn)入再生發(fā)電狀態(tài)，將多余的能量反饋到電網(wǎng)，引起主回路母線電壓的上升，勢必會對整個電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，導(dǎo)致電網(wǎng)供電質(zhì)量下降，功率因數(shù)降低，面臨被供電企業(yè)罰款的危急;頻繁的高壓沖擊會損壞電機(jī)，對電動機(jī)沒有牢靠的愛護(hù)功能，一旦電機(jī)損害，造成生產(chǎn)效率降低、維護(hù)量加大，極不利于抽油設(shè)備的節(jié)能降耗，給企業(yè)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。另一方面，游梁式抽油機(jī)引入兩個大質(zhì)量的鋼質(zhì)滑塊，導(dǎo)致抽油機(jī)的起動沖擊大等諸多問題。除了上述兩方面問題之外，油田采油的特別地理環(huán)境打算了采油設(shè)備有其自有的運(yùn)行特點(diǎn)，在油井開采前期儲油量大，供液足，為提高功效可采納工頻運(yùn)行，保證較高的產(chǎn)油量;在中、后期，由于石油儲量削減，易造成供液不足，電機(jī)若仍工頻運(yùn)行，勢必鋪張電能，造成不必要的損耗，這時須考慮實際工作狀況，適當(dāng)降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，削減沖程，有效提高充盈率。為了解決上述問題，可將變頻技術(shù)引入到游梁式抽油機(jī)掌握中去。依據(jù)電機(jī)理論可知，其轉(zhuǎn)速公式為:

其中:p為電動機(jī)的極對數(shù)，s為轉(zhuǎn)差率，f為供電電源頻率，n為電動機(jī)的實際轉(zhuǎn)速。從式可以看出，電機(jī)轉(zhuǎn)速與頻率近似成正比，轉(zhuǎn)變頻率即可以平滑地調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而可以連續(xù)地轉(zhuǎn)變提油機(jī)的抽油速度。依據(jù)電動機(jī)工作電流的大小確定電動機(jī)的工作頻率，這樣可以依據(jù)井況的變化，便利的調(diào)整抽油機(jī)的沖程，達(dá)到節(jié)能和提高電網(wǎng)功率因數(shù)的目的。同時變頻調(diào)速器具有低速軟啟動，轉(zhuǎn)速可以平滑地大范圍調(diào)整，對電動機(jī)愛護(hù)功能齊全，如短路、過載、過壓、欠壓及失速等，可有效地愛護(hù)電機(jī)及機(jī)械設(shè)備，保證設(shè)備在平安的電壓下工作，具有運(yùn)行平穩(wěn)、牢靠，提高功率因數(shù)等諸多優(yōu)點(diǎn)，是采油設(shè)備改造的抱負(fù)方案。

目前，對游梁式抽油機(jī)的變頻器改造主要有以下3個方面:

(1)以提高電網(wǎng)質(zhì)量，減小對電網(wǎng)影響為目標(biāo)的變頻改造。這主要集中在供電企業(yè)對電網(wǎng)質(zhì)量要求較高的場合，為了避開電網(wǎng)質(zhì)量的下降，需引入變頻掌握，其主要目的就是減小抽油機(jī)工作過程對電網(wǎng)的影響。這種應(yīng)用在成功油田的臨盤采油廠已經(jīng)提上應(yīng)用日程。

(2)以節(jié)能為第一目標(biāo)的變頻改造。這一點(diǎn)比較普遍，一方面，油田的抽油機(jī)為了克服大的起動轉(zhuǎn)矩，采納的電動機(jī)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實際所需功率，工作時電動機(jī)的利用率一般在20%-30%之間，最高不會超過50%，電動機(jī)經(jīng)常處于輕載狀態(tài)，造成了電動機(jī)資源的鋪張。另一方面，抽油機(jī)的工作狀況是連續(xù)變化的，這些都取決于地底下的狀態(tài)，若始終處于工頻運(yùn)行，勢必也會造成電能的鋪張。為了節(jié)能，提高電動機(jī)的工作效率，需進(jìn)行變頻改造。

(3)以提高電網(wǎng)質(zhì)量和節(jié)能為目的的變頻改造。這種狀況綜合了上面兩種改造的優(yōu)點(diǎn)，是應(yīng)用中的一個重要進(jìn)展方向。

在實際的應(yīng)用過程中卻消失了很多問題，這些問題主要集中在游梁式抽油機(jī)的發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生的能量的處理上。對于第一種狀況，采納一般變頻器加能耗制動單元可比較便利的實現(xiàn)，這是以多耗電能為代價的，

這主要是由于發(fā)電能量不能回饋電網(wǎng)造成的。在未采納變頻器時，電動機(jī)處于電動狀態(tài)時，電動機(jī)從電網(wǎng)汲取電能(電表正轉(zhuǎn));電動機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時，電動機(jī)釋放能量(電表反轉(zhuǎn))，電能直接回饋電網(wǎng)的，并沒有在本地設(shè)備上耗費(fèi)掉。綜合表現(xiàn)為抽油機(jī)的供電系統(tǒng)的功率因數(shù)較低，對電網(wǎng)質(zhì)量影響較大。但是在使用一般變頻器時，狀況發(fā)生了變化。一般變頻器的輸入是二極管整流，能量不行反方向流淌。上述這部分電能沒有流回電網(wǎng)的通路，必需用電阻來就地消耗，這就是必需使用能耗制動單元的緣由。對于其次種狀況和第三種狀況，必需妥當(dāng)?shù)奶幚黼妱訖C(jī)發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生的電能，必需將其反饋到電網(wǎng)，否則通過調(diào)整抽油機(jī)的沖程節(jié)約的電能可能不能抵消變頻器制動單元消耗的電能，造成變頻運(yùn)行時反而耗能，與節(jié)能的目標(biāo)背道而馳。為了解決這個問題，有必要對一般變頻器進(jìn)行改造，在結(jié)構(gòu)上引入雙PWM結(jié)構(gòu)的變頻器，保證發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生的電能回饋電網(wǎng);在掌握方法引入自適應(yīng)掌握以適應(yīng)游梁式抽油機(jī)多變的工作環(huán)境。

3變頻器在電潛泵掌握中的應(yīng)用

油田中應(yīng)用較多的另一種采油設(shè)備是電潛泵。電潛泵是井下工作的多級離心泵，同油管一起下入井內(nèi)，地面電源通過變壓器、掌握屏和電潛泵專用電纜將電能輸送給井下電潛泵電機(jī)，使電機(jī)帶動多級離心泵旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，把油井中的液體舉升到地面。

由于電潛泵是在地面以下2000多米的井底工作，工作環(huán)境特別惡劣(高溫、強(qiáng)腐蝕等)，傳統(tǒng)的供電方式－全壓、工頻使它故障頻繁，運(yùn)行成本大增。一方面，電潛泵在工頻啟動時，啟動電流大，電機(jī)電纜的壓降較大，使得電機(jī)電纜在啟動過程中的反壓較高，使絕緣性能降低，每次開機(jī)都會使電潛泵壽命大打折扣，大大影響了電潛泵的使用壽命。電潛泵損壞后提到地面上來修理，僅工程費(fèi)一項就達(dá)5萬元，價值10萬元的電纜平均提上放下5次就須更換，電潛泵平均每10個月就須修理一次，修理費(fèi)用約8萬元，使用成本較高。另一方面，電潛泵在正常工作時，普遍存在著電機(jī)負(fù)載率較低的狀況，“大馬拉小車”現(xiàn)象嚴(yán)峻。潛油電泵的功率因數(shù)較低，耗電量多，工頻工作時，電潛泵始終工作在額定轉(zhuǎn)速下，假如井下液量供不應(yīng)求，簡單造成“死井”，一旦死井則損失慘重。為了解決這個問題，電潛泵應(yīng)能夠依據(jù)地質(zhì)狀況的變化，調(diào)整抽油量。傳統(tǒng)的調(diào)整方式是靠更換油嘴來調(diào)整產(chǎn)量，這樣既造成能量損失又不能精確地掌握。有時使得電機(jī)與泵長期在高壓狀態(tài)下運(yùn)行;有時使得油井出沙嚴(yán)峻，使設(shè)備壽命縮短，因而有必要引入變頻掌握系統(tǒng)，調(diào)整油壓、調(diào)整產(chǎn)量。

針對電潛泵的特別狀況，我國的成都佳靈電氣制造有限公司和山東風(fēng)光電子有限責(zé)任公司都有現(xiàn)成產(chǎn)品供應(yīng)，并在成功油田中有一些應(yīng)用，并取得肯定的效果。對電潛泵井進(jìn)行變頻改造后，實現(xiàn)了電潛泵的軟啟動、軟停車，有效地愛護(hù)了電潛泵與電纜;通過調(diào)整頻率可便利的調(diào)整油壓，避開了電潛泵在高壓下長期運(yùn)行;延長了電潛泵的壽命，節(jié)省了油井修理、維護(hù)費(fèi)用，使電泵機(jī)組在最佳工況下運(yùn)行。大大提高了電潛泵采油系統(tǒng)的效率。同時，提高功率因數(shù)，提高了電網(wǎng)的供電力量，節(jié)電效果明顯。大面積推廣電潛泵變頻技術(shù)改造，將帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益