油田變頻調速裝置經濟運行指標的確定

馬強 金春玲 佟松林

（1.遼河油田公司質量節能管理部；2.遼河油田公司沈陽采油廠）

近年來，變頻設備在油氣田生產企業的機采、注水、集輸等生產系統中的應用大幅度增加，但由于缺乏節能監測數據的積累，未形成系統的評價方法和指標體系。

1 變頻調速裝置運行特點

通過對油氣田生產企業變頻調速裝置在抽油機、注水泵、輸油泵上運行狀況的調研，分析歷年的測試數據，總結出油氣田生產企業變頻調速裝置在經濟方面的特點：

1）現場操作人員在變頻調速裝置在使用過程中沒有考慮其運行特點，僅依據生產參數進行操作，未考慮設備運行的經濟性和合理性；

2）在變頻調速裝置經濟運行方面也沒有相關的執行標準和限額指標，現場操作人員缺乏行之有效的參數指導意見，隨意性較強；

3）變頻調速裝置多為組裝，無銘牌或銘牌參數不全，而且無運行記錄，使用較為混亂[1]。

2 相關參數的關系

2.1 功率因素與頻率

從測試結果看，變頻調速裝置輸入、輸出端功率因數都與頻率有關，當頻率降低，功率因數隨著降低。變頻調速裝置輸入端功率因數的高低，與變頻調速裝置自身的設計有直接關系。

2.2 效率與頻率

2.2.1 泵輸系統

在泵類機組穩定負載下，變頻調速裝置效率隨著頻率降低而降低。當頻率降低，變頻調速裝置的自身損耗在輸入電能中的比例增大，所以當頻率過低時，變頻調速裝置所帶來的節能效果不是最佳。

2.2.2 機采系統

在抽油機變頻調速裝置測試中，變頻調速裝置的效率隨頻率的變化趨勢基本與泵類機組一致，但由于抽油機負載的特殊性和復雜性，所以變頻調速裝置在抽油機運行也具有特殊性[2]。

正常情況下，隨著變頻調速裝置頻率增加，變頻調速裝置的負載率也增加，則其效率就會上升，但在測試中發現有部分井的變頻調速裝置隨著頻率的降低，效率反而增加或者呈現不規律的變化。通過對測量時的錄波數據進行分析可知：對于無反饋裝置的變頻調速裝置，當抽油機井倒發電嚴重時，會使變頻調速裝置效率大幅降低。因此，在平衡較好的抽油機上，隨著頻率的降低，變頻調速裝置效率降低。但在某些抽油機平衡度不好的井上，隨著變頻調速裝置頻率的變化，發電功率增大，周期性符合波動增加，變頻調速裝置的損耗也增加，則其效率下降。在變動負載下，變頻調速裝置的效率變化要視負荷波動系數而定，與頻率不呈規律性變化。

因此，變頻調速裝置的工作頻率在調節一次后，應及時測試抽油機的平衡度，若平衡情況較差，應盡快對其進行調整，否則會使變頻調速裝置效率降低。

2.3 系統效率與頻率

2.3.1 輸油系統

輸油系統多采用離心泵。當頻率降低時，由于電動機轉速降低、電動機功率利用率下降，導致電動機效率降低。同時，由于泵的轉速降低使排量降低，導致泵偏離經濟運行區，使得泵效較低。在選擇泵的時候，要使泵的流量與揚程落在效率曲線的最高點附近，因此在輸油系統中，離心泵機組效率隨著頻率的降低而降低。

2.3.2 注水系統

注水系統中常用柱塞泵，其流量取決于泵的主要結構參數，與排出壓力無關，與輸送介質的溫度、黏度等無關。柱塞泵的排出壓力由泵裝置所在管道的特性決定，與流量無關。當頻率降低時，電動機轉速降低，使柱塞泵每分鐘往復次數減少，柱塞泵的流量降低。但柱塞泵在各種排量下都有較高的效率，因此在注水系統中，柱塞泵的機組效率隨頻率的降低不呈規律性變化。

2.3.3 機采系統

抽油機井隨著頻率的降低，沖速降低，產量下降，而理論排量的減小使泵排量系數呈增大的趨勢，泵效提高，整個抽油機系統的效率呈增加的趨勢。

2.4 荷波動

通過變頻調速裝置相關參數關系探討，發現變頻調速裝置運行平穩程度與各項參數的變化具有密切關系，尤其是與抽油機系統的負荷呈周期性變化，不與變頻調速裝置的頻率變化呈規律性[3]。因此，引入了表征運行平穩程度的參數，即周期性負荷波動系數λ，其計算公式為：

式中：

λ —— 周期性負荷波動系數；

Pi—— 一個完整周期內等間隔采樣的電動機輸入功率的有效值，kW；

ni—— 等間隔采樣數量。

3 變頻調速裝置經濟運行指標

通過對機采系統、注水系統、輸油系統測試數據進行統計分析，確定出變頻調速裝置效率的合格限值（表1）和功率因數的合格限值（表2）。

表1 變頻調速裝置效率合格指標

表2 變頻調速裝置功率因數合格指標

通過現場測試有33.5%的變頻調速裝置輸入端電壓諧波含量在各種頻率下均超過電網規定的限值，諧波含量高可引起電流畸變,污染電網，因此變頻調速裝置諧波含量應按相關標準規定的限值執行。

通過對機采系統、注水系統、輸油系統測試數據進行統計分析，確定出變頻調速裝置經濟運行的頻率范圍，見表3。

表3 變頻調速裝置經濟運行范圍

4 結論

1）根據測試數據，分析變頻調速裝置各項參數之間的關系，為變頻調速裝置在現場的應用提供依據。

2）引入了表征變頻調速裝置運行平穩程度的參數，并給出了具體的計算公式。

3）制定了變頻調速裝置經濟運行指標體系，以及變頻調速裝置效率、功率因數、諧波含量等評價指標，確定了變頻調速裝置在機采系統、注水系統和輸油系統應用的經濟運行范圍。

[1]蔡俊鐵.抽油機井合理調整參數經濟界限的研究[J].石油石化節能,2011,1（8）:15-16,22．

[2]楊有為.變頻調速控制節能技術在油田的應用[J].石油石化節能,2014,4（5）:18-20．

[3]夏建聰.變頻裝置在油田生產中的應用[J].石油石化節能,2014,4（5）:34-36．