四象限變頻器在油田抽油機(jī)井上的應(yīng)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(jī)井上的應(yīng)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(shù)的不斷發(fā)展和新材料的不斷涌現(xiàn)，四象限變頻器的應(yīng)用需求也越來越廣，該型變頻器可實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動，達(dá)到了徹底的節(jié)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(jī)井上應(yīng)用，并結(jié)合相關(guān)測試數(shù)據(jù)說明其應(yīng)用前景。

四象限；智能調(diào)控；簡要機(jī)理；測試分析

一、四象限變頻器技術(shù)原理

目前變頻調(diào)速仍是我國抽油機(jī)井上應(yīng)用最廣的一種調(diào)速方式，由于我國大多數(shù)油田的油井已處于開發(fā)的中、后期，含水上升、動液面下降等因素使得變頻調(diào)速成為最有發(fā)展前途的一種交流調(diào)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(tài)，所以稱之為兩象限變頻器。由于兩象限變頻器無法實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動，所以沒有辦法將電機(jī)回饋系統(tǒng)的能量送回電網(wǎng)［1］。而抽油機(jī)在一個沖次內(nèi)，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(fù)，這時電機(jī)為發(fā)電狀態(tài)。如仍采用兩象限變頻器，需要將電動機(jī)回饋的能量消耗掉，為此用能上不夠經(jīng)濟(jì)，同時二極管整流橋?qū)﹄娋W(wǎng)也易產(chǎn)生嚴(yán)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(shí)現(xiàn)能量的雙向流動，一方面通過調(diào)整輸入的功率因數(shù)，消除了對電網(wǎng)的諧波污染，另一方面將電動機(jī)回饋產(chǎn)生的能量反送到電網(wǎng)，達(dá)到了徹底的節(jié)能效果。同時，電動機(jī)也具有了四象限運(yùn)行（電動、反接制動、反向電動、反轉(zhuǎn)制動）特性。

二、基于四象限變頻器的智能變頻控制柜技術(shù)原理

隨著應(yīng)用規(guī)模的擴(kuò)大，運(yùn)行年限的延長，常規(guī)變頻器的問題逐步顯現(xiàn)。一是變頻器運(yùn)行工況與建設(shè)初期相比出現(xiàn)了較大變化，運(yùn)行時率及節(jié)能效果下降；二是因變頻器運(yùn)行產(chǎn)生的諧波的運(yùn)行給電網(wǎng)造成的污染不容忽視，諧波在變頻器應(yīng)用較少時還不明顯，但隨著應(yīng)用規(guī)模的擴(kuò)大，諧波源增多，給電網(wǎng)正常運(yùn)行帶來了威脅；三是大部分未采用電能實(shí)時回饋功能的地變頻器，導(dǎo)致部分電能浪費(fèi)，變頻器未實(shí)現(xiàn)節(jié)能的最大化；四是在變頻的應(yīng)用方面，由于基于調(diào)控動液面這一重要參數(shù)的錄取絕大多數(shù)還停留在每月一次的人工錄取，造成調(diào)控的相對滯后，不利于及時發(fā)現(xiàn)和解決抽油機(jī)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題。

鑒于變頻器在實(shí)際使用過程中出現(xiàn)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(jī)油井監(jiān)控軟件完美結(jié)合，形成了對油井自動化監(jiān)控的一整套解決方案。該系統(tǒng)集電氣控制功能、電能監(jiān)測功能、數(shù)據(jù)傳輸功能、以及人機(jī)交互功能于一體，內(nèi)含電能測試分析、抽油機(jī)平衡分析、GRPS遠(yuǎn)程油井監(jiān)控器（RTU）、通訊管理器（DTU）、上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、單機(jī)智能控制單元、平衡調(diào)節(jié)驅(qū)動電路，可完全實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)的無極平滑調(diào)速、遠(yuǎn)程智能監(jiān)控，提高采油系統(tǒng)的安全性和系統(tǒng)工作效率，達(dá)到節(jié)能降耗，提高效率的目的。圖2抽油機(jī)智能調(diào)控系統(tǒng)流程圖。

圖2 抽油機(jī)智能調(diào)控系統(tǒng)流程圖

三、應(yīng)用實(shí)例

油田的特殊地理環(huán)境決定了采油設(shè)備在中后期，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。

下面是該控制柜在在Z102x1井上以動液面為被控參數(shù)進(jìn)行的智能調(diào)控試驗(yàn)。

Z102x1井以泵深以上200m為動液面的值，設(shè)為2197m，該井進(jìn)入閉環(huán)控制后，中心控制系統(tǒng)監(jiān)測示功圖計(jì)算動液面，得出滿足設(shè)定動液面時的頻率，自動進(jìn)行控制。

同樣，通過閉環(huán)實(shí)驗(yàn)，調(diào)控前后示功圖（見5）、油井產(chǎn)液量曲線油井參數(shù)曲線（見圖6），并根據(jù)這些曲線獲得油井系統(tǒng)效率變化值。

圖5 Z102x1井調(diào)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(guān)系得到了改善。

根據(jù)公式計(jì)算，調(diào)整前系統(tǒng)效率≈16.93%，調(diào)整后系統(tǒng)效率≈21.38%，系統(tǒng)效率提高了4.45%。

四、結(jié)語

四象限智能變頻控制柜在油田的應(yīng)用表明，通過動液面為被控參數(shù)自動調(diào)控電機(jī)，在保證油井產(chǎn)量基本不變的前提下，降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，降低電機(jī)輸入功率調(diào)節(jié)抽油機(jī)沖次，可使供液量與排液量保持恒定，抽油機(jī)通過智能調(diào)控較之前抽油機(jī)恒定沖次下運(yùn)行效率有了明顯的提高，具有良好的應(yīng)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(shù)的研究和應(yīng)用工作。