變頻調(diào)速技術在油田中的應用與節(jié)能

郭振平，孫鈿翔，武茜

（長慶油田第十二采油廠， 甘肅 慶陽 745400）

變頻調(diào)速技術在油田中的應用與節(jié)能

郭振平，孫鈿翔，武茜

（長慶油田第十二采油廠， 甘肅 慶陽 745400）

隨著油田開發(fā)活動的不斷擴大，油田開采中資源浪費和環(huán)境污染的問題越來越嚴重，嚴重影響到了油田開發(fā)的社會效益和經(jīng)濟效益。因此，必須針對油田開發(fā)的節(jié)能措施進行深入的研究，才能有效提高油田生產(chǎn)的效益。變頻調(diào)速技術能夠切實改善油田的節(jié)能效率，促進油田事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

變頻調(diào)速技術；油田開發(fā)；節(jié)能應用

油田開發(fā)系統(tǒng)存在著效率低、能耗大的問題，導致油田生產(chǎn)活動的成本不斷增加，威脅到了油田生產(chǎn)的穩(wěn)定開展。而變頻調(diào)速技術在油田節(jié)能方面有顯著的效果，能夠提高油田設備的運轉(zhuǎn)效率，延長設備的使用壽命，實現(xiàn)節(jié)能減排的目標。本文結合當前油田開采系統(tǒng)存在的節(jié)能問題，對變頻調(diào)速技術應用的可能性和具體措施進行了分析，以期進一步提高油田開采系統(tǒng)的效率。

1 油田開采的節(jié)能問題

當前，隨著我國城市化建設的不斷推進以及社會經(jīng)濟的進一步繁榮，社會生活產(chǎn)生了越來越大的能源需求。石油作為最重要的能源之一，在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中有著十分廣泛的應用。而當前油田開采中由于技術不到位、重視程度不夠等原因造成的資源浪費現(xiàn)象比較突出，這與我國社會能源短缺的現(xiàn)狀構成了極大的矛盾，阻礙了社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。

具體來說，石油開采中電費支出的比例十分龐大，超過了石油開采總成本的30%。這是因為石油抽油機是一個重型設備，如果想要維持正常的運轉(zhuǎn)，就必須采用大功率的電機，才能滿足工作需要。而大功率的電機必然會產(chǎn)生更多的能耗，增加石油開采的總成本。同時，在設計和選用抽油機的電機時，為了保證其正常運行，一般都會在電機容量上留有更大的余地，也就是說，設計的容量比實際的需求還高出了很多，如果運行機械，就會產(chǎn)生很多不必要的電能浪費。

結合實際，對抽油機的工作進行簡單總結的話，可以得出如下分析：一是抽油機沖次快、循環(huán)周期比較短。再加上風吹日曬等環(huán)境的影響，設備很容易老化或者帶病運行，更增加了電能的消耗。二是無功功率高，電機常常在最大有功負荷和最小兩種極端狀態(tài)之間運行，會導致供電線路的電能損耗，也可能會對電路造成損害。三是存在系統(tǒng)諧波，使得電機溫度升高，增加了鐵損耗和銅損耗，并且可能引發(fā)機械振動、電磁噪聲等問題。

2 變頻調(diào)速技術的概況

針對采油系統(tǒng)電能損耗過大的問題，變頻調(diào)速技術能夠有效降低電機的能耗，提高其運轉(zhuǎn)效率。變頻調(diào)速技術是融合了現(xiàn)代微電子技術、信息技術、電力電子技術等先進技術的一種綜合性技術，通過變頻裝置，可以有效整合資源的利用，進而提高資源的利用效率，降低生產(chǎn)成本，促進油田企業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。

就變頻器的工作原理來分析，是利用電力半導體器件的通斷工作將工頻電源變換成另一頻率的電能控制裝置。由于電機的轉(zhuǎn)速和工作電源的輸入頻率是一種正比的關系，如果改變電機的工作電源頻率，就能實現(xiàn)改變電機轉(zhuǎn)速的目標。與采油系統(tǒng)過去的電機工作狀況相比，即使變頻裝置本身的設備需要一定成本且會在長期使用中損耗，但是總的省電量是非常可觀的。

因此，在采油系統(tǒng)中推行變頻調(diào)速技術的應用有很大的必要性。

變頻器通過以下方式實現(xiàn)節(jié)能。以采油系統(tǒng)的抽油機為例，一般的抽油機是采用三相異步電動機來帶動抽油機上下往復運動，從而使抽油機能夠工作。在這一運動過程中，電動機的負荷在發(fā)生變化，由于馬達的轉(zhuǎn)速基本維持不變，則往復運動存在輕載和重載的區(qū)別。

在實際工作中，執(zhí)行運動任務的時間上也有間隙性，因此不能一直保持滿負載運行，輕載的狀態(tài)下仍然要浪費大量的電能和空間。而變頻調(diào)速技術就可以針對性的解決空間利用率低下的問題，通過抽油機數(shù)控系統(tǒng)的工作，來檢測抽油機的比例壓力和比例流量信號，從而判斷出各種工況下的實際所需的馬達轉(zhuǎn)速，并進行自動調(diào)整。這樣一來，整個運動過程就被細化了，通過對每一工況的識別和調(diào)整，能夠最大限度的利用空間，使抽油機在工作時實現(xiàn)節(jié)能。

3 變頻調(diào)速技術在油田中的應用

變頻調(diào)速技術具有節(jié)能效果好、功率因數(shù)高、實現(xiàn)軟啟動等眾多優(yōu)點，因此在各行各業(yè)中都有很多的應用。在石油這一高能耗的產(chǎn)業(yè)中應用尤為重要，我國很多油田如華北油田、中原油田等都進行了大量的變頻調(diào)速技術的研究和使用。事實證明，變頻調(diào)速技術可有效節(jié)電超過20%。由此可見，變頻調(diào)速技術在油田中的應用既有現(xiàn)實的可行性，又有很強的必要性。

（1）異步電動機。如果原油產(chǎn)量不能滿足泵的額定流量，就只能采用閥門節(jié)流的方法解決輸油泵供液不足的問題。但是這種做法會導致泵的壓強升高，長期以往，對泵的機封、軸承的磨損造成消極的影響，縮短泵的使用壽命。且這一辦法仍不具有良好的節(jié)能效果，不能大量減少資源的浪費。因此，使用變頻調(diào)速技術來實時調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速，確保供液量符合要求，這樣就能保證泵的高速高效運轉(zhuǎn)，減少對泵設備本身的磨損，并且實現(xiàn)節(jié)能和節(jié)電的雙重目標。

（2）原油集輸系統(tǒng)。在原油的集輸系統(tǒng)中應用變頻調(diào)速技術，能夠自動跟進和調(diào)節(jié)運行狀態(tài)，提高系統(tǒng)的工作效率。在實際的開采中，原油的集輸工程容易受到環(huán)境因素的影響，直接影響到原油的產(chǎn)量和運輸?shù)男省６鴻C泵容量和輸油管線的充分余量可能會引起節(jié)流運行和反輸回流的問題，要解決問題只能依靠人工操作通過對各處閥門的控制來控制流量、壓力等，但人工操作不僅效率慢，跟不上運行狀態(tài)的隨時變化，還很可能存在操作誤差，造成更大的能源浪費。而在進站匯管出口處安裝變頻調(diào)速器，就能實現(xiàn)對石油液量的跟蹤檢測，根據(jù)差值模擬量及時調(diào)整輸出頻率，控制電機轉(zhuǎn)速，從而提高石油質(zhì)量。

（3）供水系統(tǒng)。在石油開采的系統(tǒng)中，供水是一個重要的環(huán)節(jié)。為了保證設備用水的需要，以往的做法是由工作人員根據(jù)用水量隨時調(diào)節(jié)泵出口閥門，但是這種方法造成的資源浪費比較大。如果在水源站外輸泵電動機上安裝變頻器，就可以控制電機轉(zhuǎn)速。

壓力傳感器可以將壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號，與設定的壓力泵速頻率值進行比較，從而得到一個設定值，調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速以改變泵工況。同樣的，在水源廠安裝變頻器，能夠保證供水壓力，從而為石油開采提供穩(wěn)定的供水。穩(wěn)定的供水不僅能夠保證用水質(zhì)量，促進開采工作的持續(xù)穩(wěn)定進行，還能夠減少對輸水管道等基礎設施的損耗，提高相關設備的使用效率，有效降低成本。

（4）抽油機。抽油機是采油系統(tǒng)中十分關鍵的設備之一，也是造成電能損耗過大的根本原因之一。因此，使用變頻調(diào)速技術加強抽油機工作系統(tǒng)的智能化控制和工作效率是解決節(jié)能問題的有效途徑。

抽油機的負載具有不平衡性，也會經(jīng)常發(fā)生變化。其多變性主要是井下的液面、油層、油質(zhì)等因素總是不斷變化，且很難找到其中的變化規(guī)律。這就意味著抽油機的工作負載也具有一定的特殊性。因此，變頻調(diào)速裝置必須具有追蹤控制的功能，才能及時適應抽油機工作需要的變化，以便對抽油機的功率等參數(shù)進行恰當?shù)恼{(diào)整。由于變頻調(diào)速技術融合了電子信息技術，能夠在很大程度上實現(xiàn)自動化控制。通過對抽油機工作狀態(tài)的時刻監(jiān)控，能夠及時掌握各項參數(shù)，并且根據(jù)輸入的程序和計算自動做出調(diào)節(jié)操作，以達到節(jié)能的目的。智能化的控制能夠減少對電網(wǎng)的沖擊力，起到保護電力設施的積極作用。

但是，就目前采油系統(tǒng)中變頻調(diào)速裝置的智能化水平來說，離理想的目標還有很大的距離。通用變頻器無法適應抽油機的負載特點，經(jīng)常出現(xiàn)故障，嚴重影響了變頻技術的使用效果和油田開采的效益。因此，必須在今后的研究中進行針對性的技術改進。

以上在分析電動機變頻調(diào)速原理的基礎上，進一步介紹變頻調(diào)速裝置在原油系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、鍋爐采暖供熱系統(tǒng)和抽油機中的應用原理以及現(xiàn)狀，在油田的推廣應用已取得了很大經(jīng)濟效益。為解決油田開發(fā)的社會效益和經(jīng)濟效益,引進變頻調(diào)速技術，可提高油田設備的運轉(zhuǎn)效率，延長設備的使用壽命，并且在生產(chǎn)中實現(xiàn)節(jié)能減排的目標。

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1671-0711（2016）11（下）-0091-02