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三晶變頻器在油田磕頭機(jī)上的應(yīng)用

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發(fā)表于 2011-12-7 17:58:26 | 只看該作者 回帖獎勵 |倒序?yàn)g覽 |閱讀模式
一,、 前言- G  u9 q2 }! T# e  A

, F' R' W. M0 r3 N    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,在我國油田中得到廣泛應(yīng)用,,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)速技術(shù)已成為節(jié)能及提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效措施,。4 [5 K, u; {% i8 e( G2 M+ O
    油田作為一個特殊行業(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場合,。游梁式抽油機(jī)俗稱“磕頭機(jī)”,,是目前各個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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一,、 磕頭機(jī)的工作原理
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* W6 _7 g9 t. o( H    圖1 游梁式抽油機(jī)實(shí)物圖
" I6 k/ g1 F2 e: b  z5 D1 S$ s# X    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,驢頭懸點(diǎn)上作用的載荷是變化的,。上沖程時,,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,,電動機(jī)就要付出很大的能量。在下沖程時,,抽油機(jī)桿柱轉(zhuǎn)而對電動機(jī)做功,,使電動機(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,,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,,在懸點(diǎn)下沖程時,,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,還要電動機(jī)付出部分能量,。在上沖程時,,平衡重由高處下落,把下沖程時儲存的位能釋放出來,,幫助電動機(jī)提升抽油桿和液柱,,減少了 電動機(jī)在上沖程時所需給出的能量。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)的一個工作循環(huán)中,有兩個電動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和兩 個發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài),。當(dāng)平衡配重調(diào)節(jié)較好時,,其發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的時間和產(chǎn)生的能量都較小。 ; e# T5 A' G- q+ _

0 }+ G6 ~5 C' X. P7 @" X4 y二,、 變頻器在抽油機(jī)的控制問題
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- B8 @" _. W; s- V2 |+ ]: X    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)十萬臺以上。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),。6 F) K0 X- ^! U
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2.1 變頻器在抽油機(jī)的控制問題主要體現(xiàn)在如下幾個方面
" Z$ U) z4 @& U    一方面是再生能量的處理問題,如圖2所示,,游梁式抽油機(jī)運(yùn)動為反復(fù)上下提升,一個沖程提升一次,,其動力來自電動機(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,類似杠桿作用,,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,,由于電動機(jī)轉(zhuǎn)速一定,,滑塊下降過程中,負(fù)荷減輕,,電動機(jī)拖動產(chǎn)生的能量無法被負(fù)載吸引,,勢必會尋找能量消耗的渠道,導(dǎo)致電動機(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)降低的危險(xiǎn);頻繁的高壓沖擊會損壞電動機(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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! |9 E6 e0 s* D. ]; K! p    圖2 常規(guī)曲柄平衡抽油機(jī) , X7 [/ H- E0 O) m) d5 s
    另一方面是沖擊電流問題,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,。對于支架來說,,如果抽油載荷和平衡載荷形成的扭矩相等或變化一致,那么用很小的動力就可以使抽油機(jī)連續(xù)不間斷地工作,。也就是說抽油機(jī)的節(jié)能技術(shù)取決于平衡的好壞,。在平衡率為100%時電動機(jī)提供的動力僅用于提起1/2液柱重量和克服摩擦力等,平衡率越低,,則需要電動機(jī)提供的動力越大,。因?yàn)椋橛洼d荷是每時每刻都在變 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,,可以說游梁式抽油機(jī)的節(jié)能技術(shù)就是平衡技術(shù),。
/ M, D! m& j3 M2 e( K    對長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,,從而造成過大的沖擊電流,,沖擊電流與工作電流之比最大可超過5倍,甚至超過額定電流的3倍,。不僅無謂浪費(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機(jī)的額定功率來選配的,,過大的沖擊電流會引起變頻器的過載保護(hù)動作而不能正常工作,。
0 \. {0 M2 C9 d, ~7 Z* I除上述兩方面問題外,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):在油井開采前期儲油量大,,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,,由于石油儲量減少,易造成供液不足,,電動機(jī)若仍工頻運(yùn)行,,勢必浪費(fèi)電能,造成不必要損耗,,這時須考慮實(shí)際工作情況,,適當(dāng)降低電動機(jī)轉(zhuǎn)速,減少沖程,,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個方面
0 f$ n5 l6 H* |; O$ d- W    (1) 大大提高了功率因數(shù)(可由原來的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”開支.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)工作過程對電網(wǎng)的影響,。/ t8 K% C' Y( J+ I. d" c
    (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)為克服大的起動轉(zhuǎn)矩,,采用的電動機(jī)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際所需功率,,工作時電動機(jī)利用率一般為 20%~30%,最高不會超過50%,,電動機(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,,也會造成電能浪費(fèi),。為了節(jié)能,提高電動機(jī)工作效率,,需進(jìn)行變頻改造,。   x- w. O( ?9 g' I  t
    (3) 由于實(shí)現(xiàn)了真正的“軟起動”,對電動機(jī),、變速箱,、抽油機(jī)都避免了過大的機(jī)械沖擊,大大延長了設(shè)備的使用壽命,,減少了停產(chǎn)時間,,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)用中的一個重要發(fā)展方向。 ( g# y9 _3 S; v0 V

. _* d, {8 p( [" `' M- B8 X! N7 U6 w三,、 抽油機(jī)的技術(shù)發(fā)展- }3 K. o$ J4 z/ }$ Y/ A$ u3 N
    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,,三相異步電動機(jī)啟動運(yùn)行缺點(diǎn)就是沒有調(diào)速功能,只能保持一個恒速,,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。
. d+ h  i; W' o- `9 ]7 j7 F- `- ]    第二代:由于直流電動機(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,;但直流電動機(jī)成本比較高,其調(diào)速性能也不是很理想,。
5 x  R; e# y% [4 l5 E    第三代:采用變級電機(jī)調(diào)速,,就是改變電機(jī)極對數(shù)來達(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,。
. S  c' d- a" u" g5 d' g8 d    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,。由于油井的類型和工況千 差萬別,井下滲油和滲水量每時每刻都在變.抽油機(jī)的負(fù)載變化是無規(guī)律的,,故采用變頻調(diào)速技術(shù),,使抽油機(jī)的運(yùn)動規(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,。下面鐘對變頻器在油田嗑頭機(jī)中的應(yīng)用,例出幾個應(yīng)用方案做簡要論述,。
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四,、 變頻技術(shù)在抽油機(jī)的應(yīng)用方案介紹
5 D0 S. l7 J! C6 \0 g4.1 變頻器加制動單元控制) }2 m3 M! G5 L" [9 q, U, m
    如下圖3所示:在變頻器主回路直流母線兩端加制動電阻和制動單元,由于抽油機(jī)起動時需要大力矩,,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,,這個過程是連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的,,同時隨油的稠度,井深,,產(chǎn)量調(diào)節(jié)往復(fù)運(yùn)動次數(shù)/MIN,,導(dǎo)致電動機(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(此問題在文章第2節(jié)提到過),,而電能沒有流回電網(wǎng)的通路,必須用電阻來就地消耗,,這就是我們在變頻器上必須使用制動單元和制動電阻的原因,,現(xiàn)在大功率變頻器一般都可以定制動單元,完全可以達(dá)到理想中的控制效果,。
2 r# m$ i) U7 @    對于上述第一種情況,,采用普通變頻器加能耗制動單元可較方便實(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,,電動機(jī) 處于電動狀態(tài)時,從電網(wǎng)吸收電能,;電動機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時,,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,對電網(wǎng)質(zhì)量影響較大,。
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    圖3 變頻器加制動電阻
' V5 s& b2 A( D9 _5 b9 w( l) v* u$ U4.2 變頻器加回饋單元控制- U8 |& T. Y+ H
    由于在變頻器的直流上加制動電阻解決不了實(shí)際問題,,因?yàn)橹苿与娮璧纳峤鉀Q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,。接通制動電阻的開關(guān)管的壽命會在頻繁的長時間的開起過程中損壞。針對上述情況,,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,系統(tǒng)就更復(fù)雜,,投資也就更高了,。
/ Q8 X$ G9 P( t9 e    所謂能量回饋裝置,其實(shí)就是一臺有源逆變器,。按采用的功率開關(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,。
' d. Y2 T& Q" s2 l9 C8 p: i    加裝能量回饋單元的變頻器適用于交流50HZ,,額定電壓380V的異步電動機(jī)和永磁同步電動機(jī),實(shí)現(xiàn)軟起動,,軟停車和調(diào)速運(yùn)行過程控制,。具有起動電流小、速度平穩(wěn),、性能可靠,、對電網(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)下的自動化運(yùn)行。0 ?: g# G6 y7 w/ y* ~4 U. X

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    圖4  變頻器加回饋單元" `7 o) G2 I: [0 r
4.3 四象限變頻器技術(shù)控制. Z: s' _- ?. t$ F. U+ p
    對于第一種情況和第二種情況,,必須妥善的處理電動機(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 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,。
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6 W, h4 S' l- N/ X' w; R/ u    圖5 四象限運(yùn)行變頻器主電路9 v' z6 N6 x  O
4.3.1 四象限變頻器工作原理
  a4 f; E1 h  H5 n. D$ h    當(dāng)電機(jī)工作在電動狀態(tài)的時候,整流控制單元的DSP產(chǎn)生6路高頻的PWM脈沖控制整流側(cè)的6個IGBT的開通和關(guān)斷,。IGBT的開通和關(guān)斷與輸入電抗器共 同作用產(chǎn)生了與輸入電壓相位一致的正弦電流波形,,這樣就消除了二極管整流橋產(chǎn)生的6K±1諧波。功率因數(shù)高達(dá)99%,。消除了對電網(wǎng)的諧波污染,。此時能量從 電網(wǎng)經(jīng)由整流回路和逆變回路流向電機(jī),變頻器工作在第一,、第三象限,。
# q; ~8 a' V1 \3 k% a# X2 i& O8 h當(dāng)電動機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)的時候,電機(jī)產(chǎn)生的能量通過逆變側(cè)的二極管回饋到直流母線,,當(dāng)直流母線電壓超過一定的值,,整流側(cè)能量回饋控制部分啟動,將直流逆變成交流,,通過控制逆變電壓相位和幅值將能量回饋到電網(wǎng),,達(dá)到節(jié)能的效果。
0 n* U* i" T% m采用帶有PWM控制整流器變頻器具有四象限運(yùn)行的功能,,能滿足各種位勢負(fù)載的調(diào)速要求,,可就電機(jī)的再生能量轉(zhuǎn)化為電能送回電網(wǎng),達(dá)到最大限度的節(jié)能的目 的,。不僅如此,,它還可減少電源的諧波污染,功率因數(shù)可接近于1,是一種真正的“綠色”變頻器,。整流器變頻器
; ]. e! ?% z& \5 O$ O1 A" N5 T. x
; U( s8 Q& t9 y4 l五,、 總結(jié)
    總之,變頻調(diào)速技術(shù)作為高新技術(shù),、基礎(chǔ)技術(shù)和節(jié)能技術(shù),,其應(yīng)用已經(jīng)滲透到石油行業(yè)的各個技術(shù)部門。
  V$ i+ s: @7 B, x( j
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