抽油機(jī)平衡度對(duì)變頻器耗電的影響研究

劉磊

（大慶油田技術(shù)監(jiān)督中心節(jié)能技術(shù)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)中心）

抽油機(jī)井是世界各油田的耗能大戶(hù)[1]，而變頻器作為電動(dòng)機(jī)調(diào)速的一種設(shè)備，由于油田抽油機(jī)井調(diào)節(jié)沖速及節(jié)能的需求被大量使用。變頻器是一種原理復(fù)雜、型號(hào)繁多的設(shè)備，而抽油機(jī)是一種具有特殊變動(dòng)負(fù)載的采油機(jī)械，運(yùn)行中存在反發(fā)電過(guò)程與普通負(fù)載區(qū)別較大。兩者結(jié)合運(yùn)行，在應(yīng)用上有許多需要深入研究的地方。在抽油機(jī)實(shí)際運(yùn)行中不同平衡度對(duì)變頻器的耗電是否有影響，影響多大就是這其中一個(gè)值得研究的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)抽油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)井的實(shí)際測(cè)試來(lái)對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行研究。被測(cè)抽油機(jī)型號(hào)為CYJ10-53HB，電動(dòng)機(jī)型號(hào)為Y280S-8，功率為37kW。

1 抽油機(jī)負(fù)載

抽油機(jī)將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成抽油機(jī)驢頭的上下運(yùn)動(dòng)，驢頭向上抽液做功，向下則負(fù)載較輕。為了平衡抽油機(jī)上下負(fù)載平衡，降低電動(dòng)機(jī)裝機(jī)功率，在抽油機(jī)的曲柄處安裝平衡塊，通過(guò)調(diào)節(jié)平衡塊的位置可以平衡上下沖程的最大載荷[2]。雖然可以平衡上下沖程的最大載荷卻也會(huì)產(chǎn)生一定量的負(fù)功，即抽油機(jī)反發(fā)電。圖1為試驗(yàn)抽油機(jī)工頻下2個(gè)周期的負(fù)載曲線。可以看出，在每個(gè)周期中會(huì)有一段時(shí)間有負(fù)功產(chǎn)生[3]。

負(fù)功產(chǎn)生的原因是抽油機(jī)運(yùn)行的某一時(shí)間段內(nèi)平衡塊釋放儲(chǔ)能帶動(dòng)抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)超過(guò)了電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，不僅不消耗電網(wǎng)的能量，還進(jìn)行了發(fā)電。

圖1 工頻下功率曲線

2 抽油機(jī)用變頻器

抽油機(jī)用變頻器與普通變頻器略有不同，為了解決反發(fā)電的問(wèn)題需要增加元器件，主要有兩種方法：加裝熱電阻，當(dāng)產(chǎn)生反發(fā)電時(shí)轉(zhuǎn)化成熱能消耗掉，這無(wú)疑是對(duì)電能的一種浪費(fèi)；加裝反饋單元，將產(chǎn)生的電能反饋回電網(wǎng)，但這會(huì)增加變頻器的投資。油田變頻器大多采用第一種。

圖2為變頻某平衡度下的輸入功率曲線。可以看出，使用變頻器后不再產(chǎn)生負(fù)功，這并不是電動(dòng)機(jī)不產(chǎn)生負(fù)功，電動(dòng)機(jī)同樣會(huì)產(chǎn)生負(fù)功，只是負(fù)功被熱電阻消耗掉。

圖2 變頻下功率曲線

3 不同平衡度對(duì)變頻器耗電的影響

變頻器的耗電分為變頻器本身及其所用熱電阻。經(jīng)測(cè)試，變頻器效率一般為97%，即要消耗系統(tǒng)耗電的3%，而熱電阻所消耗的負(fù)功隨著平衡度的不同而不同。

圖1和圖2對(duì)比了同一抽油機(jī)相同平衡度下2個(gè)周期的輸入功率曲線，由圖1、圖2可知，工頻狀態(tài)下有部分時(shí)間有負(fù)功產(chǎn)生，經(jīng)計(jì)算該狀態(tài)下負(fù)功占總消耗有功電量的7.30%，而變頻狀態(tài)下負(fù)功被抹平，即被熱電阻消耗掉。兩種運(yùn)行方式的功率曲線只在負(fù)功位置有區(qū)別，雖然不是直接測(cè)量熱電阻的消耗，但通過(guò)比較可知，占輸入有功電量約7.30%的電能被消耗掉。

因此，對(duì)于使用變頻器的抽油機(jī)采油系統(tǒng)，應(yīng)找到一種科學(xué)的調(diào)平衡方法盡可能減少變頻器熱電阻的消耗，同時(shí)又盡量小地增加其他部分的能耗。將變頻器、電動(dòng)機(jī)、抽油機(jī)井看作是一個(gè)系統(tǒng)，使該系統(tǒng)的損耗最小、效率最高，而不是某一部分，可用下式的模型進(jìn)行研究或計(jì)算：

式中： q——系統(tǒng)總損耗電量，kWh；

qbpq——變頻器損耗電量，kWh；

qdj——電動(dòng)機(jī)損耗電量，kWh；

qcyj——抽油機(jī)損耗電量，kWh。

式中：qbs——變頻器本身耗電量，kWh；

qdz——變頻器熱電阻耗電量，kWh。

通過(guò)對(duì)工頻下不同平衡度的測(cè)量研究、其不同平衡度下負(fù)功的占比，來(lái)找到減少負(fù)功的調(diào)平衡方法。

圖3為工頻下欠平衡曲線，平衡度為61%，負(fù)功占比為0.56%。

圖3 工頻下欠平衡功率曲線

圖4為工頻下稍欠平衡功率曲線，平衡度為69%，負(fù)功占比為2.07%。

圖4 工頻下稍欠平衡功率曲線

圖5為工頻下80%平衡度下功率曲線，平衡度為81%，負(fù)功占比為4.89%。

圖5 工頻下81%平衡度下功率曲線

圖6為工頻下100%平衡度下功率曲線，平衡度為100%，負(fù)功占比為9.52%。

圖6 工頻下100%平衡度下功率曲線

圖7為工頻下過(guò)平衡功率曲線，平衡度為132%，負(fù)功占比為22.65%。

圖7 工頻下過(guò)平衡功率曲線

通過(guò)對(duì)某機(jī)型的抽油機(jī)不同平衡度下負(fù)功占總輸入電量的比例可知，過(guò)平衡會(huì)產(chǎn)生更多的負(fù)功，平衡可以減小負(fù)功，而100%平衡情況下負(fù)功竟然高達(dá)9.52%。因此，對(duì)于使用熱電阻的變頻器，應(yīng)在不超載的情況下將平衡調(diào)整為欠平衡。

該試驗(yàn)數(shù)據(jù)只反映該類(lèi)型抽油機(jī)及其測(cè)試工況的情況，并不能代表所有抽油機(jī)的情況。

4 調(diào)平衡新方法——減少負(fù)功調(diào)平衡法

通常調(diào)平衡的方法為采油工定期用鉗形電流表檢測(cè)上下沖程的最大電流，然后計(jì)算出平衡度，如果不在80%～110%范圍內(nèi)則進(jìn)行調(diào)節(jié)[4-5]。

采用變頻抽油機(jī)調(diào)平衡新方法——減少負(fù)功調(diào)平衡法，重要的是控制負(fù)功的占比。觀察功率曲線，在1個(gè)沖速內(nèi)最大功率不超過(guò)電動(dòng)機(jī)額定功率的前提下，調(diào)節(jié)平衡減少功率曲線中為0的時(shí)間；觀察電流曲線或者使用電流表，觀察電流為0的時(shí)間，如果為0的時(shí)間偏長(zhǎng)則需要向欠平衡方向調(diào)節(jié)。圖8、圖9為同一抽油機(jī)相同平衡度下2個(gè)周期的電流曲線。

圖8 工頻下電流曲線

圖9 變頻下電流曲線

為了滿(mǎn)足變頻抽油機(jī)調(diào)平衡的要求，需要從儀器、人員、方法幾方面進(jìn)行更新，繪制出功率曲線；需對(duì)采油廠的調(diào)平衡人員進(jìn)行培訓(xùn)，會(huì)使用新的儀器和采用新的方法。

5 采用調(diào)平衡新方法與舊方法的能耗比較

分別在標(biāo)準(zhǔn)井和2口生產(chǎn)井上使用無(wú)反發(fā)電反饋?zhàn)冾l器進(jìn)行抽油機(jī)調(diào)平衡能耗試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中保證動(dòng)液面深度和產(chǎn)液量不變，抽油機(jī)運(yùn)行的設(shè)備及參數(shù)不變，僅改變調(diào)平衡方法[6]，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 變頻抽油機(jī)減少負(fù)功調(diào)平衡法與原電流平衡法對(duì)比

由此可見(jiàn)，對(duì)于無(wú)反發(fā)電反饋的變頻抽油機(jī)，減少負(fù)功調(diào)平衡法與原電流平衡法相比可以不同程度地降低電能消耗。

6 結(jié)論

1）節(jié)能方面缺少對(duì)抽油機(jī)使用變頻器的深入研究；對(duì)于使用變頻器的抽油機(jī)調(diào)平衡，缺少理論和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的支持，急需有一套先進(jìn)的方法。

2）變頻抽油機(jī)調(diào)平衡的總體思路是在工況不變的條件下，應(yīng)以包括變頻器在內(nèi)的抽油機(jī)采油系統(tǒng)總損耗最小為標(biāo)準(zhǔn)。

3）針對(duì)變頻抽油機(jī)反發(fā)電被熱電阻大量消耗的實(shí)際情況，本文提出了減少負(fù)功調(diào)平衡法，初步測(cè)試有很好的節(jié)能效果，但還需在各種機(jī)型不同工況下實(shí)際運(yùn)用中完善。