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菱科變頻器在游梁式抽油機(jī)控制中的應(yīng)用 |
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我國(guó)的油田多為低滲透的低能、低產(chǎn)油田，不像中東的油田那樣具有很竹炭竹纖維強(qiáng)的自噴能力，大部分油田要靠注水壓油入井，再靠抽油機(jī)把油從地層中提升上來(lái)。以水換油、以電換油是我國(guó)油田的現(xiàn)實(shí)，電費(fèi)在我國(guó)的石油開(kāi)采成本中占了很大比例。因此，石油行業(yè)十分重視節(jié)約電能。
在我國(guó)的石油開(kāi)采中，機(jī)械采油井占絕大多數(shù)，其中有桿采油（有桿抽油井）占總機(jī)械采油的90%以上。全國(guó)產(chǎn)油量70%以上靠有桿抽油機(jī)來(lái)完成。其能耗已占油田能耗的三分之一。全國(guó)每年耗電約四十二億人民幣。由于各油田每年要有幾千口新井投入生產(chǎn)， 連同原有設(shè)備更新，每年要新增幾千臺(tái)抽油機(jī)。抽油機(jī)在我國(guó)石油開(kāi)采有重要的地位。
目前，在油田采用的抽油設(shè)備中，以游梁式抽油機(jī)最為普遍，數(shù)量也最多。2003年，勝利油田某采油廠采用變頻器對(duì)抽油機(jī)實(shí)施改造油井泵效率顯著提高，日均增油2噸，節(jié)電率達(dá)到30％以上，下面簡(jiǎn)單介紹節(jié)能改造的原理和操作方案。
游梁式抽油機(jī)工作原理
它的動(dòng)作原理是由交流電動(dòng)機(jī)恒速運(yùn)轉(zhuǎn)拖動(dòng)抽油泵，沿著重力作用方向進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而把原油從數(shù)百至數(shù)千米的井下抽到地面。分析其負(fù)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(dāng)油的粘度較大時(shí)，泵的效率也變低，往往啟動(dòng)也很困難。該負(fù)載又是周期負(fù)載，上升、下降行程負(fù)載性質(zhì)亦不同，下降時(shí)尚帶有位勢(shì)負(fù)載性質(zhì)。為適應(yīng)這些復(fù)雜的工況，抽油機(jī)的配置及其實(shí)際工作狀態(tài)往往只能是大馬拉小車(chē)。游梁式抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)為反復(fù)上下提升，一個(gè)沖程提升一次，其動(dòng)力來(lái)自電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的兩個(gè)重量相當(dāng)大的鋼質(zhì)滑塊，當(dāng)滑塊提升時(shí)，類似杠桿作用，將采油機(jī)桿送入井中；滑塊下降時(shí)，采油桿提出帶油至井口，由于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一定，滑塊下降過(guò)程中，負(fù)荷減輕，電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)產(chǎn)生的能量無(wú)法被負(fù)載吸引，勢(shì)必會(huì)尋找能量消耗的渠道，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)進(jìn)入再生發(fā)電狀態(tài)，將多余能量反饋到電網(wǎng)，引起主回路母線電壓升高，勢(shì)必會(huì)對(duì)整個(gè)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)降低的危險(xiǎn)；頻繁的高壓沖擊會(huì)損壞電動(dòng)機(jī)，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)造成較大經(jīng)濟(jì)損失。游梁式抽油機(jī)引入兩個(gè)大質(zhì)量的鋼質(zhì)滑塊，導(dǎo)致抽油機(jī)的起動(dòng)沖擊大等諸多問(wèn)題。
除上述兩方面問(wèn)題外，油田采油的特殊地理環(huán)境決定了采油設(shè)備有其獨(dú)特的運(yùn)行特點(diǎn)：在油井開(kāi)采前期儲(chǔ)油量大，供液足，為提高功效可采用工頻運(yùn)行，保證較高產(chǎn)油量；在中后期，由于石油儲(chǔ)量減少，易造成供液不足，電動(dòng)機(jī)若仍工頻運(yùn)行，勢(shì)必浪費(fèi)電能，造成不必要損耗，這時(shí)須考慮實(shí)際工作情況，適當(dāng)降低電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，減少?zèng)_程，有效提高充盈率。
目前，對(duì)游梁式抽油機(jī)的交流變頻調(diào)速技術(shù)改造主要有以下兩個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：
(1)提高電網(wǎng)質(zhì)量，減小對(duì)電網(wǎng)影響。這主要集中在供電企業(yè)對(duì)電網(wǎng)質(zhì)量要求較高的場(chǎng)合，為避免電網(wǎng)質(zhì)量的下降，需引入變頻控制，其主要目的就是減小抽油機(jī)工作過(guò)程對(duì)電網(wǎng)的影響。
(2)節(jié)能。一方面，油田抽油機(jī)為克服大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，采用的電動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際所需功率，工作時(shí)電動(dòng)機(jī)利用率一般為20%～30%，最高不會(huì)超過(guò)50%，電動(dòng)機(jī)常處于輕載狀態(tài)，造成資源浪費(fèi)。另一方面，抽油機(jī)工作情況的連續(xù)變化，取決于地下的狀態(tài)，若始終處于工頻運(yùn)行，也會(huì)造成電能浪費(fèi)。為了節(jié)能，提高電動(dòng)機(jī)工作效率，需進(jìn)行變頻改造。
節(jié)能改造的實(shí)施方案
（一）、簡(jiǎn)單降速方式：直接加裝變頻器并將電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率降下來(lái)，降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，增加每個(gè)沖程的時(shí)間，達(dá)到節(jié)能效果。實(shí)際應(yīng)用中能達(dá)到15％－30％的節(jié)電效果。
（二）、變化沖程方式：經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)井況和油水比例，根據(jù)游梁式抽油機(jī)的運(yùn)行特性，對(duì)每個(gè)沖程中下降和提升設(shè)置不同的頻率，隨時(shí)調(diào)整電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，抽油桿慢速下降快速提升，不僅達(dá)到節(jié)電效果，而且能夠有效地調(diào)整油水比例，提高產(chǎn)量。實(shí)際應(yīng)用中對(duì)近40臺(tái)改造后的游梁式抽油機(jī)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，較工頻運(yùn)行時(shí)平均節(jié)電38％，如果再計(jì)算產(chǎn)油量的提高，綜合效益非常可觀。
實(shí)際應(yīng)用中容易出現(xiàn)的問(wèn)題及解決方法
在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)了許多問(wèn)題，主要集中在游梁式抽油機(jī)發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生能量的處理上。對(duì)于上述第一種情況，采用變頻器加能耗制動(dòng)單元可較方便實(shí)現(xiàn)，這是以多耗電能為代價(jià)的，主要因?yàn)榘l(fā)電能量不能回饋電網(wǎng)造成。在未采用變頻器時(shí)，電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，從電網(wǎng)吸收電能；電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，釋放能量，電能直接回饋電網(wǎng)的，并未在本地設(shè)備上耗費(fèi)掉。綜合表現(xiàn)為抽油機(jī)供電系統(tǒng)的功率因數(shù)較低，對(duì)電網(wǎng)質(zhì)量影響較大。但在使用普通變頻器時(shí)，情況發(fā)生了變化。普通變頻器輸入是二極管整流，能量不可反方向流動(dòng)。上述這部分電能沒(méi)有流回電網(wǎng)的通路，須用電阻就地消耗，這是必須使用能耗制動(dòng)單元的原因。
使用環(huán)境對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)的影響不容忽視，變頻調(diào)速系統(tǒng)安裝位置大多數(shù)是野外的抽油機(jī)附近，降雨、結(jié)露、潮濕、冰凍、灰塵、昆蟲(chóng)、小動(dòng)物都會(huì)對(duì)變頻器造成嚴(yán)重?fù)p害，同時(shí)還要防盜。這些情況要在安裝之初就充分解決，目前大多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)采用的辦法是雙層、防水防塵配電柜來(lái)解決上述問(wèn)題。這樣基本上能解決野外作業(yè)的環(huán)境影響，但是同時(shí)造成散熱不良的問(wèn)題，為保證正常工作，需要在變頻器容量的選擇上充分考慮。
電網(wǎng)質(zhì)量對(duì)變頻器的影響也很大，游梁式抽油機(jī)的供電線路較遠(yuǎn)，電網(wǎng)容易產(chǎn)生波動(dòng)，很多對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定要求高的變頻器會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)過(guò)電壓或者欠電壓保護(hù)，因?yàn)樽冾l器具備適應(yīng)電網(wǎng)波動(dòng)較大場(chǎng)合使用的特性，所以應(yīng)用變頻器以來(lái)，雖然電網(wǎng)有較大波動(dòng)（310V――430V）之間，一直能夠正常運(yùn)行。
野外安裝，防雷擊也是重要方面，在安裝時(shí)要注意設(shè)置避雷裝置。
【結(jié)論】：變頻技術(shù)因其節(jié)能、利于提高工藝水平、方便構(gòu)成自控系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，在各個(gè)行業(yè)得到越來(lái)越過(guò)廣泛的應(yīng)用。應(yīng)用變頻調(diào)速是企業(yè)提高工藝水平、節(jié)能挖潛、增加效益的重要途徑，今后必將得到更廣泛的應(yīng)用，為企業(yè)創(chuàng)造巨大的效益。
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