一,、 前言
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進(jìn)入21世紀(jì),，變頻調(diào)速技術(shù)得益于其優(yōu)異的節(jié)能特性和調(diào)速特性,，在我國(guó)油田中得到廣泛應(yīng)用,，中國(guó)產(chǎn)值能耗是世界上最高的國(guó)家之一,。要解決產(chǎn)品能耗問(wèn)題，除 其它相關(guān)的技術(shù)問(wèn)題需要改進(jìn)外,，變頻調(diào)速技術(shù)已成為節(jié)能及提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效措施,。
9 A9 Z' d+ Y4 O 油田作為一個(gè)特殊行業(yè)，有其獨(dú)特的背景,，油田中變頻器的應(yīng)用主要集中在 游梁式抽油機(jī)控制,、電潛泵控制,、注水井控制和油氣集輸控制等幾個(gè)場(chǎng)合,。游梁式抽油機(jī)俗稱(chēng)“磕頭機(jī)”，是目前各個(gè)油田所普遍采用的抽油機(jī)，但是目前的抽油機(jī) 系統(tǒng)普遍存在著效率低、能耗大,、沖程和沖次調(diào)節(jié)不方便等明顯的缺點(diǎn),。本文主要介紹SAJ變頻器在游梁式抽油機(jī)上的應(yīng)用,。
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( B6 f4 A5 }' v. ?一,、 磕頭機(jī)的工作原理) G( O6 F1 d! x# k. N
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- f; L" G8 e) l; w 圖1 游梁式抽油機(jī)實(shí)物圖
; E) I% g' ]* M+ @1 ^. d* W$ P9 { 如圖1,游梁式抽油機(jī)實(shí)物圖所示,當(dāng)磕頭機(jī)工作時(shí),，驢頭懸點(diǎn)上作用的載荷是變化的,。上沖程時(shí)，驢頭懸點(diǎn)需提起抽油桿柱和液柱,，在抽油機(jī)未進(jìn)行平衡的條件 下,，電動(dòng)機(jī)就要付出很大的能量,。在下沖程時(shí)，抽油機(jī)桿柱轉(zhuǎn)而對(duì)電動(dòng)機(jī)做功,，使電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài),。抽油機(jī)未進(jìn)行平衡時(shí)，上,、下沖程的載荷極度不均 勻，這樣將嚴(yán)重地影響抽油機(jī)的四連桿機(jī)構(gòu)、減速箱和電動(dòng)機(jī)的效率和壽命，惡化抽油桿的工作條件,，增加它的斷裂次數(shù),。為了消除這些缺點(diǎn),，一般在抽油機(jī)的游梁 尾部或曲柄上或兩處都加上了平衡重,，如圖1所示,。這樣一來(lái),，在懸點(diǎn)下沖程時(shí),，要把平衡重從低處抬到高處，增加平衡重的位能,。為了抬高平衡配重,，除了依靠抽 油桿柱下落所釋放的位能外,，還要電動(dòng)機(jī)付出部分能量,。在上沖程時(shí)，平衡重由高處下落,，把下沖程時(shí)儲(chǔ)存的位能釋放出來(lái)，幫助電動(dòng)機(jī)提升抽油桿和液柱,，減少了 電動(dòng)機(jī)在上沖程時(shí)所需給出的能量,。目前使用較多的游梁式抽油機(jī)，都采用了加平衡配重的工作方式,，因此在抽油機(jī)的一個(gè)工作循環(huán)中,，有兩個(gè)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和兩 個(gè)發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)平衡配重調(diào)節(jié)較好時(shí),，其發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的時(shí)間和產(chǎn)生的能量都較小,。
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二、 變頻器在抽油機(jī)的控制問(wèn)題
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目前,，在勝利油田采用的抽油設(shè)備中,，以游梁式抽油機(jī)最為普遍，數(shù)量也最多,。其數(shù)量達(dá)十萬(wàn)臺(tái)以上,。抽油機(jī)用電量約占油田總用電量的40%，運(yùn)行效率非常低,， 平均運(yùn)行效率只有25%,，功率因數(shù)低,，電能浪費(fèi)大。因此，抽油機(jī)節(jié)能潛力非常巨大,，石油行業(yè)也是推廣“電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能”的重點(diǎn)行業(yè)。
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; i/ p8 {5 i* g& Y$ g! A2.1 變頻器在抽油機(jī)的控制問(wèn)題主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面
- y0 H7 g" J5 K3 e 一方面是再生能量的處理問(wèn)題,如圖2所示，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(lèi)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,。
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3 d; M1 c; s2 X; C% R 圖2 常規(guī)曲柄平衡抽油機(jī)
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另一方面是沖擊電流問(wèn)題，如圖二所示游梁式抽油機(jī)是一種變形的四連桿機(jī)構(gòu),，其整機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)像一架天平，一端是抽油載荷,，另一端是平衡配重載荷,。對(duì)于支架來(lái)說(shuō),，如果抽油載荷和平衡載荷形成的扭矩相等或變化一致,，那么用很小的動(dòng)力就可以使抽油機(jī)連續(xù)不間斷地工作。也就是說(shuō)抽油機(jī)的節(jié)能技術(shù)取決于平衡的好壞,。在平衡率為100％時(shí)電動(dòng)機(jī)提供的動(dòng)力僅用于提起1/2液柱重量和克服摩擦力等,，平衡率越低，則需要電動(dòng)機(jī)提供的動(dòng)力越大,。因?yàn)�,，抽油載荷是每時(shí)每刻都在變 化的，而平衡配重不可能和抽油載荷作完全一致的變化,，才使得游梁式抽油機(jī)的節(jié)能技術(shù)變得十分復(fù)雜,。因此，可以說(shuō)游梁式抽油機(jī)的節(jié)能技術(shù)就是平衡技術(shù),。
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對(duì)長(zhǎng)慶油田幾十口油井的調(diào)查顯示,，只有1～2口井的配重平衡較好，絕大部分抽油機(jī)的配重嚴(yán)重不平衡,，其中有一半以上口井的配重偏小,，另有幾口井配重又偏 大，從而造成過(guò)大的沖擊電流,，沖擊電流與工作電流之比最大可超過(guò)5倍,，甚至超過(guò)額定電流的3倍。不僅無(wú)謂浪費(fèi)掉大量的電能,，而且嚴(yán)重威脅到設(shè)備的安全,。同時(shí)也給采用變頻器調(diào)速控制造成很大的困難：一般變頻器的容量是按電動(dòng)機(jī)的額定功率來(lái)選配的，過(guò)大的沖擊電流會(huì)引起變頻器的過(guò)載保護(hù)動(dòng)作而不能正常工作,。
0 u* L% H5 Z2 T* }5 j- G- A7 S9 Q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。
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2.2 游梁式抽油機(jī)的變頻改造主要有以下3個(gè)方面
% u9 c- W+ _. S7 U (1) 大大提高了功率因數(shù)（可由原來(lái)的0.25～0.5提高到0.9以上）,，大大減小了供電（視在）電流,，從而減輕了電網(wǎng)及變壓器的負(fù)擔(dān)，降低了線損,，可省去大量的“增容”開(kāi)支.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。
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(2) 以節(jié)能為第一目標(biāo)的變頻改造,。這點(diǎn)較普遍,，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,，取決于地底下的狀態(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,。
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(3) 由于實(shí)現(xiàn)了真正的“軟起動(dòng)”,，對(duì)電動(dòng)機(jī)、變速箱,、抽油機(jī)都避免了過(guò)大的機(jī)械沖擊,，大大延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，減少了停產(chǎn)時(shí)間,，提高了生產(chǎn)效率,。以提高電網(wǎng)質(zhì)量和節(jié)能為目的的變頻改造。這種情況綜合了上面兩種改造的優(yōu)點(diǎn),，是應(yīng)用中的一個(gè)重要發(fā)展方向,。
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* f, {, ?; h. V# j三、 抽油機(jī)的技術(shù)發(fā)展9 [ d, @+ C: E
第一代：最先的抽油機(jī)主馬達(dá)主要是采用三相異步電機(jī)啟動(dòng),，三相異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行缺點(diǎn)就是沒(méi)有調(diào)速功能,，只能保持一個(gè)恒速，嚴(yán)重影響產(chǎn)油量,。這種不帶保護(hù)的抽油機(jī)電機(jī)控制方式已經(jīng)退出了歷史舞臺(tái),。
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第二代：由于直流電動(dòng)機(jī)的面世，也加快了直流電機(jī)在抽油機(jī)上的應(yīng)用,，從而替代了異步電機(jī)的使用,。采用直流調(diào)速的方法明顯的優(yōu)勝三相異步電機(jī)，產(chǎn)油量也高了許多,；但直流電動(dòng)機(jī)成本比較高,，其調(diào)速性能也不是很理想。
4 a: C1 q% r l/ q/ [4 N8 ~7 [ 第三代：采用變級(jí)電機(jī)調(diào)速,，就是改變電機(jī)極對(duì)數(shù)來(lái)達(dá)到調(diào)速的目的,，常采用4／8／32極多速電機(jī)實(shí)現(xiàn)。但其裝置比較復(fù)雜,，占用空間也比較大,，設(shè)備壽命短，穩(wěn)定性不太好,。
- c( D: I$ E& D' [# u s 第四代：變頻調(diào)速技術(shù),，由于變頻調(diào)速技術(shù)已成為節(jié)能及提高產(chǎn)品效益質(zhì)量的有效措施，油田中變頻器應(yīng)用在游梁式抽油機(jī)已經(jīng)非常廣泛,。由于油井的類(lèi)型和工況千 差萬(wàn)別,，井下滲油和滲水量每時(shí)每刻都在變．抽油機(jī)的負(fù)載變化是無(wú)規(guī)律的，故采用變頻調(diào)速技術(shù),，使抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律適應(yīng)油井的變化工況,，實(shí)現(xiàn)抽油系統(tǒng)效率的 提高，達(dá)到節(jié)能增產(chǎn)的目的,。下面鐘對(duì)變頻器在油田嗑頭機(jī)中的應(yīng)用,，例出幾個(gè)應(yīng)用方案做簡(jiǎn)要論述,。
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四、 變頻技術(shù)在抽油機(jī)的應(yīng)用方案介紹
3 Q Z. a5 p2 j3 W+ y4.1 變頻器加制動(dòng)單元控制
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如下圖3所示：在變頻器主回路直流母線兩端加制動(dòng)電阻和制動(dòng)單元,，由于抽油機(jī)起動(dòng)時(shí)需要大力矩,，上升段也需要大力矩，而在下降段電機(jī)處在發(fā)電狀態(tài),。最關(guān)建的就是下降段,，這個(gè)過(guò)程是連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的，同時(shí)隨油的稠度,，井深,，產(chǎn)量調(diào)節(jié)往復(fù)運(yùn)動(dòng)次數(shù)/MIN，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),，引起主變頻器主回路直流母線電壓升高（此問(wèn)題在文章第2節(jié)提到過(guò)），而電能沒(méi)有流回電網(wǎng)的通路,，必須用電阻來(lái)就地消耗,，這就是我們?cè)谧冾l器上必須使用制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻的原因，現(xiàn)在大功率變頻器一般都可以定制動(dòng)單元,，完全可以達(dá)到理想中的控制效果,。
6 M! |0 ^- s. |1 ~. u4 J* H* k- i% D 對(duì)于上述第一種情況，采用普通變頻器加能耗制動(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,。
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圖3 變頻器加制動(dòng)電阻
7 K) ^0 a2 [4 P" c0 p* |4 ?% _; O4.2 變頻器加回饋單元控制
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由于在變頻器的直流上加制動(dòng)電阻解決不了實(shí)際問(wèn)題,，因?yàn)橹苿?dòng)電阻的散熱解決不了，變頻控制柜殼的散熱都要解決何況發(fā)熱的電阻,，變頻器發(fā)熱,。接通制動(dòng)電阻的開(kāi)關(guān)管的壽命會(huì)在頻繁的長(zhǎng)時(shí)間的開(kāi)起過(guò)程中損壞。針對(duì)上述情況,，為了回饋再生能量,，提高效率,，可以采用能量回饋裝置，將再生能量回饋電網(wǎng),，當(dāng)然這樣一來(lái),，系統(tǒng)就更復(fù)雜，投資也就更高了,。
) s5 a# ~) T8 h3 D$ P 所謂能量回饋裝置,，其實(shí)就是一臺(tái)有源逆變器。按采用的功率開(kāi)關(guān)器件的不同又可以分為晶閘管（SCR）有源逆變器及絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）逆變器兩種,，它們的共同特點(diǎn)是可以將變頻器直流回路的電壓反饋到電網(wǎng),，如下圖4所示。
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加裝能量回饋單元的變頻器適用于交流50HZ,，額定電壓380V的異步電動(dòng)機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī),，實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)，軟停車(chē)和調(diào)速運(yùn)行過(guò)程控制,。具有起動(dòng)電流小,、速度平穩(wěn)、性能可靠,、對(duì)電網(wǎng)沖擊小等優(yōu)點(diǎn),，可實(shí)現(xiàn)上下速度任意調(diào)節(jié)和閉環(huán)控制運(yùn)行；用戶(hù)可根據(jù)油井的液位,、壓力確定抽油機(jī)的沖機(jī),、速度和產(chǎn)液 量，降耗節(jié)能,，是高泵效,；使設(shè)備減少磨損，延長(zhǎng)使用壽命,，高效節(jié)能低成本,，實(shí)現(xiàn)在最大節(jié)能狀態(tài)下的自動(dòng)化運(yùn)行。
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9 B }) h! {( V9 ? 圖4 變頻器加回饋單元
! Q- o6 w/ ?$ q. [6 e! I; D4.3 四象限變頻器技術(shù)控制
* h& E. Q& c; H' B 對(duì)于第一種情況和第二種情況,，必須妥善的處理電動(dòng)機(jī)發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生的電能,，必須將其反饋到電網(wǎng)，否則通過(guò)調(diào)節(jié)抽油機(jī)的沖程節(jié)省的電能可能不能抵消變頻器制動(dòng) 單元消耗的電能,，造成變頻運(yùn)行時(shí)反而耗能,，與節(jié)能的目標(biāo)背道而馳。為了解決這個(gè)問(wèn)題,，有必要對(duì)普通變頻器進(jìn)行改造,，在結(jié)構(gòu)上引入雙PWM結(jié)構(gòu)的變頻器如下 圖5所示，保證發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生的電能回饋電網(wǎng);在控制方法引入自適應(yīng)控制以適應(yīng)游梁式抽油機(jī)多變的工作環(huán)境,。
發(fā)表于 2011-12-7 17:58:26
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