變頻儲能技術原理及現場應用研究

趙亞杰++黃華++董濤

摘 要：抽油機帶動油桿上、下往復運動過程中，電動機會進入重負荷—輕負荷—空載—發電—空載—輕負荷—重負荷的循環狀態。目前，延長油田抽油機存在沖次大、井下供液不足，抽油泵多數存在干抽現象。為了降低耗電量，減少采油成本，采用變頻儲能技術控制電機，無級調節電機轉速，降低抽油機沖次。同時，將電機負發電產生的電能儲存在儲能電容中，在抽油機另外半個周期中供給電機使用。在延長油田永寧采油廠實施了168口井，穩定運行了10個月，利用抽油機系統效率測試儀進行電機耗電量測試，結果顯示平均節電率37.68%，功率因數平均值為0.98。

關鍵詞：抽油機；沖次；干抽；變頻儲能；節電率；功率因素

中圖分類號： TE933 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）35-188-2

0 引言

延長油田基本采用游梁式抽油機。游梁式抽油機是一種特殊的四連桿機構，其整個結構特點像一架天平，一端是抽油載荷，另一端是平衡配重載荷。地面采油系統耗電設備主要為抽油機，在抽油機帶動油桿上、下往復運動過程中，電動機會進入重負荷—輕負荷—空載—發電—空載—輕負荷—重負荷的循環狀態。當抽油桿上升時，由于電動機需要克服液柱負載、油桿負載、摩擦阻力等而處于重載荷運行狀態；當抽油桿下降時，由于電動機需要克服較小的負載而處于輕負載或空載狀態。

由于抽油桿、光桿、液柱是有一定重量的，再加上油管、油桿的形變，導致抽油機啟動的瞬間，需要克服較大的啟動負荷；當抽油機正常運行后，需要的功率又大幅減少，由于液面深度是動態變化的，抽油載荷也隨之發生變化，平衡配重載荷和抽油載荷工作的變化規律一致是不可能的，地面采油系統中的抽油機就會出現欠平衡或過平衡現象，而電動機提供的功率是額定的，因此就出現了電動機“大馬拉小車”、電動機空載等現象，造成能源的巨大浪費。

目前，延長油田約有99%的油井使用有桿泵，加上游梁式抽油機存在能耗大、效率低、成本高等問題。從單純的機械角度來看，抽油機的節能方法有三種：一是使用節能型抽油機，如異相曲柄平衡抽油機、異型游梁式抽油機和寬帶機等，盡可能地使抽油機的平衡曲線和抽油機載荷曲線的變化規律相抵消，而且和不同階段的抽油機載荷相適應；二是抽油機調平衡，通過使用電流表測上下行電流，使抽油機的平衡度處于80%～100%之間；三是扎實推進抽油機調參工作，優化抽油機工作參數。

為了降低抽油機沖次，同時回收電機負發電的能量，采用變頻儲能技術控制抽油機電機，實現無級調節抽油機沖次，同時將電機負發電的能量儲存在儲能電容中，在抽油機另外半個周期中使用，取得了較好的使用效果。

1 變頻調速儲能技術原理

變頻調速儲能技術是實現了電動機的軟啟動，對電網無沖擊，電動機功率因數可由0.25～0.50 提高到0.90以上，從而減輕了電網及變壓器的負擔，降低了線損。操作方便，不需停產即可根據油井的實際供液能力，動態調整抽取速度。利用最新研制的四象限矢量控制變頻調速器，配以過程控制、位置傳感等技術改造現有的抽油機，可以實現油井節電、增效和增產，從而提高整個有桿抽油系統的機采效率。

目前抽油機的能量回收方式有兩種：逆變器和超級電容（大容量電容），電氣原理圖分別見圖1和圖2。逆變器和超級電容（大容量電容）能量回收方式不一樣，前者是實時將能量回饋到電網上對電網有污染，后者是將抽油機前半周期電機發電的能量儲存在超級電容（大容量電容）中，在抽油機后半周期使用。

逆變器接在變頻器的母線上，抽油機平衡塊下落過程中，電動機發電在變頻器的母線上產生直流電，通過逆變器加到電網上，以節省電能，同時須增加濾波器去除變頻器產生的高次諧波，盡量減少對電網的污染。

超級電容（大容量電容）同樣接在變頻器母線上，抽油機平衡塊下落過程中，電動機發電在變頻器的母線上產生直流電，電能儲存在超級電容（大容量電容）上，平衡塊上升時優先使用超級電容（大容量電容）上的電能，以節省電能，同時須增加濾波器去除變頻器產生的高次諧波。此方案對電網沒有任何污染，但電能回收效率沒有逆變器高。慣性負載中利用“超級電容”儲能，早先使用在高鐵中，目前已經在油電混合汽車上廣泛應用，將前半周期產生的能量暫時儲存，后半周期使用。

2 現場應用及效果評價

168套變頻儲能柜于2016年1月在永寧采油廠實施完畢后，正常運行3個多月后，于2016年3月利用荊州市微遠網絡科技有限公司生產的XTZH-IIIP型抽油機系統效率綜合測試儀，對已經實施的168口井的電機進行能耗測試，測得工頻和變頻（40Hz）狀態下電機功率曲線、電機電流曲線和電機兩端電壓曲線，及電機平均有功功率、平均正有功功率、平均負有功功率、功率因數。

為了更好地分析電機能耗，將視在功率、有功功率、無功功率及功率因數之間的關系闡述如下：

S2=P2+Q2；P=S·cos?；Q=S·sin?

式中，S——視在功率，kW；P——有功功率，kW；Q——無功功率，kW；?——工作電流與電壓之間的相位角；cos——功率因數，一般要求大于0.9，純電阻性質電路為1。

另外，分析電機耗電量時需要注意以下幾點：①無功功率越小越好，但一般不為0，除非是純電阻性電路；②負有功功率，即為用電設備向電網回饋的能量，這是國家電網禁止的；③其中平均有功功率=平均正有功功率+平均負有功功率+線損壞+其他能量損失；④耗電量計算一般以平均正有功功率為準。

為了更好地比較平均有功功率、平均正有功功率、平均負有功功率、平均無功功率及功率因數，根據測試數據用Origin將它們繪制成曲線如圖3、圖4所示。

根據圖3、圖4可知：①工頻狀態下每臺電機的平均正有功功率均值為3.53kW、功率因數平均值為0.312。②變頻（40Hz）狀態下每臺電機的平均正有功功率均值為2.2kW，功率因數平均值為0.98。

3 結論

①采用變頻儲能調速技術后，平均正有功功率可降低37.68%，即節電率為37.68%。②采用變頻儲能調速技術后，功率因數均值由0.312提高為0.98，實現了真正意義上的軟啟動，大大減少無功消耗和電網的沖擊。