四象限變頻器在油田抽油機井上的應用

陳津剛（大港油田公司采油工藝研究院，天津300280）

四象限變頻器在油田抽油機井上的應用

陳津剛（大港油田公司采油工藝研究院，天津300280）

隨著新技術的不斷發展和新材料的不斷涌現，四象限變頻器的應用需求也越來越廣，該型變頻器可實現能量的雙向流動，達到了徹底的節能效果。本文將簡要介紹四象限變頻器的工作原理，以及以四象限變頻器為核心的智能變頻控制柜在油田抽油機井上應用，并結合相關測試數據說明其應用前景。

四象限；智能調控；簡要機理；測試分析

一、四象限變頻器技術原理

目前變頻調速仍是我國抽油機井上應用最廣的一種調速方式，由于我國大多數油田的油井已處于開發的中、后期，含水上升、動液面下降等因素使得變頻調速成為最有發展前途的一種交流調速方式。

普通的變頻器的整流部分大都采用二極管整流橋，只能工作在電動狀態，所以稱之為兩象限變頻器。由于兩象限變頻器無法實現能量的雙向流動，所以沒有辦法將電機回饋系統的能量送回電網［1］。而抽油機在一個沖次內，電流I及相位角φ總是變化的，相位角φ大于90°時電流I為負，這時電機為發電狀態。如仍采用兩象限變頻器，需要將電動機回饋的能量消耗掉，為此用能上不夠經濟，同時二極管整流橋對電網也易產生嚴重的諧波污染。

四象限變頻器整流部分也像逆變部分一樣采用了IGBT功率模塊［2］。其電路圖見圖1。

圖1 四象限變頻器的電路原理圖

IGBT功率模塊可以實現能量的雙向流動，一方面通過調整輸入的功率因數，消除了對電網的諧波污染，另一方面將電動機回饋產生的能量反送到電網，達到了徹底的節能效果。同時，電動機也具有了四象限運行（電動、反接制動、反向電動、反轉制動）特性。

二、基于四象限變頻器的智能變頻控制柜技術原理

隨著應用規模的擴大，運行年限的延長，常規變頻器的問題逐步顯現。一是變頻器運行工況與建設初期相比出現了較大變化，運行時率及節能效果下降；二是因變頻器運行產生的諧波的運行給電網造成的污染不容忽視，諧波在變頻器應用較少時還不明顯，但隨著應用規模的擴大，諧波源增多，給電網正常運行帶來了威脅；三是大部分未采用電能實時回饋功能的地變頻器，導致部分電能浪費，變頻器未實現節能的最大化；四是在變頻的應用方面，由于基于調控動液面這一重要參數的錄取絕大多數還停留在每月一次的人工錄取，造成調控的相對滯后，不利于及時發現和解決抽油機在運行過程中出現的問題。

鑒于變頻器在實際使用過程中出現的諸多問題問題，四象限智能變頻控制將四象限變頻器與上位機油井監控軟件完美結合，形成了對油井自動化監控的一整套解決方案。該系統集電氣控制功能、電能監測功能、數據傳輸功能、以及人機交互功能于一體，內含電能測試分析、抽油機平衡分析、GRPS遠程油井監控器（RTU）、通訊管理器（DTU）、上位機監控系統、單機智能控制單元、平衡調節驅動電路，可完全實現抽油機的無極平滑調速、遠程智能監控，提高采油系統的安全性和系統工作效率，達到節能降耗，提高效率的目的。圖2抽油機智能調控系統流程圖。

圖2 抽油機智能調控系統流程圖

三、應用實例

油田的特殊地理環境決定了采油設備在中后期，由于石油儲量減少，易造成供液不足，電動機若仍工頻運行，勢必浪費電能，造成不必要損耗，這時須考慮實際工作情況，適當降低電動機轉速，減少沖程，有效提高充盈率。

下面是該控制柜在在Z102x1井上以動液面為被控參數進行的智能調控試驗。

Z102x1井以泵深以上200m為動液面的值，設為2197m，該井進入閉環控制后，中心控制系統監測示功圖計算動液面，得出滿足設定動液面時的頻率，自動進行控制。

同樣，通過閉環實驗，調控前后示功圖（見5）、油井產液量曲線油井參數曲線（見圖6），并根據這些曲線獲得油井系統效率變化值。

圖5 Z102x1井調控前后示功圖

Z102x1井改造前（沖次4.11次/分）時，示功圖其飽滿程度約為53.3%；改造后（沖次2.56次/分）時，示功圖飽滿程度約為66.6%。泵的充滿程度提高了13.3%，油井的供排關系得到了改善。

根據公式計算，調整前系統效率≈16.93%，調整后系統效率≈21.38%，系統效率提高了4.45%。

四、結語

四象限智能變頻控制柜在油田的應用表明，通過動液面為被控參數自動調控電機，在保證油井產量基本不變的前提下，降低電機轉速，降低電機輸入功率調節抽油機沖次，可使供液量與排液量保持恒定，抽油機通過智能調控較之前抽油機恒定沖次下運行效率有了明顯的提高，具有良好的應用前景。

陳津剛(1972-)，男，工程師，主要從事油田電力自動化方面技術的研究和應用工作。