淺論變頻節能系統在油田的應用

王石磊

(特變電工新疆新能源股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830011)

一 引言

1.新疆油田用電狀況

目前，在我國油田抽油設備中，以游梁式磕頭抽油機應用最為普遍，數量也最多。但是，傳統的磕頭機普遍存在著起動沖擊大，運行耗電多，大馬拉小車、效率低下等諸多問題，加之油井情況復雜，稠油、結蠟、沙卡現象較多，斷桿、燒電機等現象時有發生，對電動機沒有可靠的保護功能，設備維修量大，同時，油田采油機屬于單回路供電，無備用電源。為此，急需對現有的抽油機設備進行改造。

目前新疆很多油田多為低滲透的低能、低產性為主。在油田企業開采過程中主要消耗的能源為水，電，因此，電費在石油開采成本中占了相當大的比例，比重占據了整個開支的30%～40%，因此高能耗成了油田企業很大的負擔。

近年來，新疆油區大部分油田已經進入了開發后期，開發深度和難度也隨之俱增，油田供液能力明顯不足，再加之油田大部分油田為貧油井，在這種環境下，應用的抽油設備仍是機械游粱式采油機，占據了總比重的90%以上，因而整個油井的電耗也日俱攀高。

2.油田用電要求

國家于2005年頒布的《中國節能技術大綱》也明確要求，石油天然氣行業機械采油等主要運行效率要提高2%至3%，強調堅持把節約能源放在首位。因此，石油行業大力節約能源已成為一項行政指標。

前不久，“中國石油石化協會石油節能抽油設備專業委員會”的成立可以充分說明了當前各油田三抽設備節能的迫切性和必要性。

進一步落實節能工作，提倡節能企業是當前各油田實現節約降耗增效、提高企業競爭能力、樹立企業良好形象的必然選擇。目前各油田企業的組織領導已經從戰略高度充分認識到了節能的重要性，并在堅持執行“節約與開發并舉，把節約放在首位”的方針，積極推進管理機制創新。這種管理理念對“用電大戶”油田企業來說顯然是邁向高效率，低成本的良性發展之路。

二 油田電能癥狀分析

由于油田采油生產使用的抽油機電機載荷是帶有沖擊性的邊載荷，特別是稠油和高凝結構井，故為了使拖動抽油機的電動機穩定運行并具有一定的過載能力，需按抽油機的最大功率來配備電動機，長期以來，油田抽油機大多都處于輕載運行，甚至個別運行段是空載運行，造成極大的能源浪費。

油井設備選型時，所選擇的電機考慮負載的頻繁啟動的因素，其設計功率必須大于驅動負載的平均需求，并且應用負荷本身就是變化的，而選擇的電機大小必須能滿足最大負荷時的需求，盡管最大負荷只是間斷出現，而其它時間負荷要小的多，因而就出現了嚴重的“大馬拉小車”的現象。

“三抽”本身的性能和使用壽命、維護和運轉費用都與采油成本有直接關系，“三抽”設備的質量、水平直接關系到油田的原油產量和綜合經濟效益，一般而言，油田所用的抽油機均普遍存在抽取能力大于油井實際負荷的問題，泵空抽、半抽現象便相伴而生，泵空抽增加了無效行程，浪費大量的電能，同時也使抽油設備的維護費用增高，因而拖住經濟效益的后腿。毫無疑問，電能的有效利用已成為油田企業迫在抓緊的一項工作，近年來在大力提倡降低成本，高效采油的思想指導下落實科學發展觀，建設節約型企業已成為油田企業今后發展的關鍵和主攻方向。

三 油田節能解決措施

1.用電的品質和控制層面

由于日益嚴峻的用電需求和國內電網傳輸的設備老化(80年代初期所裝配的用電設備部分已達不到現代企業的要求)，使得企業生產設備的正常運作受到電力品質的嚴重干擾，加之企業的自身技術手段及設備日益老化等客觀因素的存在，導致企業在問題和損失發生之后才采取危機管理手段和方法，做臨時的技術處理，在一次事故處理之后并不知道下一次事故或故障會出現在何時，何處，又能造成什么樣的后果，因而就造成了不必要的損失和浪費。

2.三抽設備的運行效率層面

針對抽油機而言，這個層面的節能空間是最大的，通常，油田所有的抽油機普遍存在抽取能力大于油井實際負荷的問題，油泵空抽或半抽是常有的事，因為抽油機的電機載荷是帶有沖擊性的變載荷，特別是稠油和高凝結構的油井來說這種現象更嚴重，但是為了能使拖動抽油機的電動機穩定運行并有一定的過載能力，還得按抽油機的最大功率來選用電動機，這樣一來，抽油機長期在輕載運行，甚至空栽運行，這就如同運輸車空車來回或少量運貨，形成極大的電能浪費，也造成抽油機本身設備維護費用的增高。

四 采用變頻節能的優點

抽油機電機部分節能，其可選用變頻器對其電機拖動系統進行改進，抽油電機改用變頻器拖動后有以下幾個優點：①提高抽油機拖動電機功率因數(實際測量得電機功率因素由0.25～0.7提升至0.9以上)，有效減小了電機供電電流，從而減輕了供電電網及變壓器的負荷，降低線路線損。②根據油井的實際采液能力，可動態調整抽取速度，以達到負荷供需均衡，實現節能，增產目的。③由于變頻器自身具有的“斜坡電流起動”功能，對電動機、變速箱、抽油機都可實現平滑啟動，避免啟動過程中的機械沖擊，提高設備使用效率。

五 運用變頻節能時需注意事項

變頻器用于抽油機電機時，由于負載運行特性也有幾個問題需要注意并進行解決。

1.設備運行時產生的沖擊電流對變頻器的影響

游梁式抽油機整機結構特點可看做天平機理，一端為抽油管路負荷，另一端為配重平衡系統。抽油機運行時對平衡要求較高，平衡率越低，則需要電動機提供的動力越大。同時由于抽油載荷是時刻都在發生變化的，而平衡配重需要求與抽油載荷作進行同步的變化，這一要求也使得抽油機的變頻節能技術變得復雜，同時也給采用變頻器調速控制提出很高的平衡要求。

變頻器的選型一般是按電動機的額定功率進行選配，抽油機運行時在上下抽取過程中將產生過大的正向沖擊電流，使變頻器發生過載保護動作，導致抽油機不能正常工作。故在抽油機配用變頻器進行選型時應選用與電機額定功率相同容量或向上提升一個等級容量(視抽油機的負載量及平衡率而定)，可對抽油機的長期穩定運行起保障作用。同時由于抽油機的起動扭矩較大，故要將變頻器的加減速時間設置為30～50秒，不致在起動時引起過載過流保護動作。

2.再生能量的處理問題

由于抽油機屬位能性負載，尤其當配重不平衡時，在抽油機工作的一個沖程周期中，會出現電動機處于再生制動工作狀態(發電狀態)，電動機由于位能或慣性，其轉速會超過同步轉速，再生能量通過與變頻器逆變橋開關器件(IGBT)并聯的續流二極管的整流作用，反饋到直流母線。由于交一直一交變頻器的直流母線采用普通二級管整流橋供電，不能向電網回饋電能，所以反饋到直流母線的再生能量只能對濾波電容器充電而使直流母線電壓升高，得到“泵升電壓”。直流母線電壓過高時將會對濾波電容器和功率開關器件構成威脅，為了保護電容器及功率開關器件的安全，所以變頻器都必須設置了“OUD”保護——直流母線電壓高保護停機功能。

(1)對于抽油機運行所產生的反向再生電流，可通過增大變頻器直流母線上濾波電容器的容量，將再生能量儲存起來，等電動狀態時再釋放給拖動電機作功。這種方法對節能有利，但是電容器的儲能作用是有限的，因此在大容量或者負載慣量大的系統中，不可能只靠濾波電容器來限制泵升電壓。

(2)第二種辦法是采用“放”的辦法，可以采用由分流電阻器和開關管組成的泵升電壓限制電路，也就是將回饋能量消耗在電阻上，這是一種耗能的方法，對節能不利。尤其是在大容量或者大慣量拖動系統中，能量的損失較大。當然也可以采用現成的變頻器選件：制動單元和制動電阻來實現。

六 結束語

變頻節能技術目前已在新疆油田得到良好應用，各項節能技術在油田企業的應用是創造油田企業依托科技開發和集成創新，形成企業價值的最大化和產業長期、健康、持續的發展，為油田創建和諧發展的節約型社會邁向長遠步伐的有力保障。

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