轉(zhuǎn)子變頻“一拖多”控制技術(shù)與應(yīng)用

徐天竺（大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠）

隨著開發(fā)時(shí)間的延長(zhǎng)，井?dāng)?shù)不斷增加，油田布井逐步增加了叢式井組的數(shù)量，結(jié)合目前油藏開采“三高一低”即高能耗、高沖次、高含水、低泵效的特點(diǎn)，進(jìn)一步研究轉(zhuǎn)子變頻“一拖多”技術(shù)的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性，探索“降低油田開發(fā)設(shè)備投資和后期生產(chǎn)運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用”的可行性，達(dá)到降本增效的目的。

1 現(xiàn)狀

目前機(jī)采系統(tǒng)存在一定的局限性：游梁式抽油機(jī)自身不具有調(diào)頻功能，匹配變頻類電控箱后實(shí)現(xiàn)了調(diào)頻功能，但大多是情況小，調(diào)頻范圍不夠?qū)挿海霈F(xiàn)低頻或超頻不經(jīng)濟(jì)的現(xiàn)象；叢式井組井距近、適合群控的特點(diǎn)沒有得到發(fā)揮；抽油機(jī)匹配的三相異步電動(dòng)機(jī)裝機(jī)功率大易導(dǎo)致低功率因數(shù)、低系統(tǒng)效率、電耗高，具有節(jié)能挖潛的空間[1]；抽油機(jī)井單井控制時(shí)，產(chǎn)生的負(fù)功大多數(shù)情況下以熱量的形式散掉，即使回收利用液僅限本井自身循環(huán)，節(jié)能效果受影響。

針對(duì)上述問題，采用了轉(zhuǎn)子變頻“一拖多”采油技術(shù)，以井組為單元，采用單井間錯(cuò)峰運(yùn)行，即可實(shí)現(xiàn)單井獨(dú)立控制，又可以實(shí)現(xiàn)能量井組間群控，具有無級(jí)調(diào)速、啟動(dòng)電流降低、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，使井與井間能量反饋互相利用，大幅度降低裝機(jī)功率，提升了整機(jī)效率，從而提高了整個(gè)井組的節(jié)能效果[2]。

2 設(shè)備原理及組成

通過逆變器能量回饋實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，僅用一套逆變器帶動(dòng)多個(gè)電動(dòng)機(jī)“異步”，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子無級(jí)調(diào)速和能量回饋。轉(zhuǎn)子變頻“一拖多”調(diào)速系統(tǒng)由繞線式電動(dòng)機(jī)和變頻控制系統(tǒng)兩部分組成[3-4]。

2.1 技術(shù)原理

繞線式電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組是開放的，通過滑環(huán)和碳刷裝置引出，便于控制和調(diào)速，具有啟動(dòng)電流小、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、效率高、過載能力強(qiáng)（2.8～3倍，鼠籠式電動(dòng)機(jī)1.5～2 倍）的優(yōu)點(diǎn)。“一拖多”轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)就是利用繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子開放的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)其實(shí)施調(diào)速。

繞線電動(dòng)機(jī)定子接電網(wǎng)交流電（50 Hz），將轉(zhuǎn)子輸出的交流電（0～50 Hz）先變換成直流電，再逆變成與電網(wǎng)同頻率的交流電（50 Hz）回饋電網(wǎng)。在轉(zhuǎn)子變頻直流回路中并聯(lián)一個(gè)直流斬波器（IGBT），調(diào)節(jié)斬波器占空比將轉(zhuǎn)子側(cè)整流電壓和逆變側(cè)直流電壓進(jìn)行脈寬調(diào)制匹配，實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。逆變器功率因數(shù)不隨轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)而變化，最高可達(dá)0.97，大大減小了逆變器對(duì)電網(wǎng)的無功沖擊。

2.2 設(shè)備組成

轉(zhuǎn)子變頻“一拖多”控制設(shè)備主要由一拖多轉(zhuǎn)子變頻成套逆變裝置、一拖多轉(zhuǎn)子變頻成套繞線電動(dòng)機(jī)動(dòng)力裝置和一拖多轉(zhuǎn)子變頻成套調(diào)控裝置幾部分組成，設(shè)備組成見圖1，是基于一套逆變器實(shí)現(xiàn)多臺(tái)繞線式電動(dòng)機(jī)無級(jí)調(diào)速控制和能量回饋，可以實(shí)現(xiàn)單臺(tái)或者多臺(tái)生產(chǎn)設(shè)備異步同時(shí)無級(jí)調(diào)速和能量回饋運(yùn)行，用于抽油機(jī)可實(shí)現(xiàn)沖次調(diào)控、效率優(yōu)化和安全保護(hù)。各電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、狀態(tài)可獨(dú)立控制和運(yùn)行原理見圖2。

圖1 設(shè)備組成

圖2 設(shè)備原理

2.3 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

對(duì)抽油機(jī)“倒發(fā)電”利用和井組配電設(shè)備降容等技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低投資成本[5]。該系統(tǒng)參數(shù)調(diào)節(jié)范圍寬、自動(dòng)適應(yīng)負(fù)載變化、回收利用“倒發(fā)電”、低速大力矩、堵轉(zhuǎn)保護(hù)功能，適用于井距較近、同一平臺(tái)的抽油機(jī)井，綜合節(jié)能效果顯著，系統(tǒng)各電動(dòng)機(jī)速度均可單獨(dú)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，負(fù)載可同可異，滿足不同工況下的油井需要，有效降低抽油機(jī)運(yùn)行振動(dòng)和沖擊。系統(tǒng)容量配置可比電動(dòng)機(jī)容量小，堵轉(zhuǎn)不易燒毀電動(dòng)機(jī)[6]。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

選取現(xiàn)有叢式井組不足2 000 口井的某區(qū)塊，占機(jī)采井的23.2%，其中同平臺(tái)分布占37.59%、3 口井的占22.58%、4 口井以上的占39.83%，鄰井井距4.5～10 m，沿用“一機(jī)一井”的生產(chǎn)模式。結(jié)合該區(qū)塊目前情況，選取鄰井間距較小（6～9 m）的2 個(gè)叢式井組，每個(gè)井組5 口抽油機(jī)井，應(yīng)用轉(zhuǎn)子變頻“一拖多”采油技術(shù)，每個(gè)井組均共5臺(tái)抽油機(jī)，整體配置一套“一拖五”轉(zhuǎn)子變頻成套裝置，分別由繞線電動(dòng)機(jī)動(dòng)力裝置5 臺(tái)、調(diào)控裝置5臺(tái)和“一拖五”轉(zhuǎn)子變頻逆變裝置1 臺(tái)組合而成[7]。

通過3169 電能測(cè)試儀等，測(cè)試對(duì)比安裝前后態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)能耗情況進(jìn)行跟蹤分析。

3.1 裝機(jī)功率大幅度下降

轉(zhuǎn)子變頻“一拖多”技術(shù)使井與井間能量反饋互相利用，能大幅度降低裝機(jī)功率。統(tǒng)計(jì)該區(qū)塊10 口應(yīng)用抽油機(jī)井，平均裝機(jī)功率從33 kW下降到17 kW，平均下降幅度48.48%，下降幅度較大，技術(shù)前后裝機(jī)功率對(duì)比見表1。

3.2 啟動(dòng)電流下降，運(yùn)行電流下降

轉(zhuǎn)子變頻“一拖多”技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，啟動(dòng)速度從0 緩慢升到預(yù)定速度，啟動(dòng)電流變化平穩(wěn)，從而使電動(dòng)機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)。應(yīng)用后平均運(yùn)行電流從37.2 A 下降到15.7 A，平均下降幅度為57.8%，平均啟動(dòng)峰值電流從66.75 A下降到23.35 A，平均下降幅度65.02%。技術(shù)前后啟動(dòng)、運(yùn)行電流對(duì)比見表2，設(shè)備安裝運(yùn)行電流前后對(duì)比見圖3，設(shè)備安裝啟動(dòng)電流前后對(duì)比見圖4。

表1 技術(shù)前后裝機(jī)功率對(duì)比

表2 技術(shù)前后啟動(dòng)、運(yùn)行電流對(duì)比

圖3 設(shè)備安裝運(yùn)行電流前后對(duì)比

圖4 設(shè)備安裝啟動(dòng)電流前后對(duì)比

3.3 節(jié)能效果顯著

轉(zhuǎn)子變頻“一拖多”設(shè)備應(yīng)用后，井組內(nèi)抽油機(jī)井采用錯(cuò)峰運(yùn)行，運(yùn)行過程中產(chǎn)生的“倒發(fā)電”的能量隨機(jī)回饋到同一井組的其他抽油機(jī)井上利用，提高了節(jié)能效果。這里選取7口井，對(duì)措施前后態(tài)的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試。通過計(jì)算，應(yīng)用后平均系統(tǒng)效率從31.48%上升到40.71%，平均上升幅度為9.23%，平均百米噸液耗電從0.85 kW/h下降到0.65 kW/h，平均有功節(jié)電率達(dá)到了23.06%，說明取得了良好的節(jié)電效果，技術(shù)前后節(jié)能效果對(duì)比見表3。

3.4 調(diào)速范圍比較寬泛

應(yīng)用轉(zhuǎn)子變頻“一拖多”調(diào)速系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了無級(jí)調(diào)速，滿足范圍較寬的井況生產(chǎn)需要，最低沖次可調(diào)整至0.01 次/min，實(shí)現(xiàn)了參數(shù)精準(zhǔn)控制[8]。統(tǒng)計(jì)4 口調(diào)整沖次的井，平均沖次下降了1.25 次/min，平均產(chǎn)液下降0.46 t/d，平均沉沒度下降了56 m，泵效上升了2.72%，達(dá)到了合理優(yōu)化供排關(guān)系，找到參數(shù)合理且產(chǎn)液量下降較少的平衡點(diǎn)，使得平均泵效得以有效提升，技術(shù)調(diào)參前后對(duì)比見表4。

表3 技術(shù)前后節(jié)能效果對(duì)比表

3.5 降低振動(dòng)載荷、摩擦載荷

從測(cè)試前后態(tài)的功率數(shù)據(jù)和曲線上可以看出，功率曲線的峰值顯著降低，上行最大功率由3.31 kW 下降到1.02 kW，下降了69.18%，上行平均功率（含負(fù)功）下降了65.54%，下行最大功率由3.39 kW下降帶1.47 kW，下降了56.66%，下行平均功率（含負(fù)功）下降了30.62%，其耗電量將明顯小于應(yīng)用前，井6 應(yīng)用技術(shù)前后對(duì)比見表5。運(yùn)行過程中功率曲線反映出運(yùn)行更加平穩(wěn)，可以直觀的說明轉(zhuǎn)子變頻“一拖多”調(diào)速系統(tǒng)勻速運(yùn)行時(shí)間要長(zhǎng)于應(yīng)用前，有效降低振動(dòng)載荷及摩擦載荷[9-10]。

表4 技術(shù)調(diào)參前后對(duì)比

表5 井6應(yīng)用技術(shù)前后對(duì)比

4 結(jié)論

1）轉(zhuǎn)子變頻“一拖多”技術(shù)適用于井距較近的平臺(tái)井，抽油機(jī)井采用錯(cuò)峰運(yùn)行，即可實(shí)現(xiàn)單井獨(dú)立控制，又可以實(shí)現(xiàn)能量井組間群控，大幅度降低裝機(jī)功率，提升了整機(jī)效率。真正實(shí)現(xiàn)了無級(jí)調(diào)速，滿足了參數(shù)精準(zhǔn)控制的需求，適用井況范圍更寬泛。

2）啟動(dòng)、運(yùn)行電流均有一定程度的降低，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，軟啟、停車，運(yùn)行平穩(wěn)，安全度高，有利于減少設(shè)備沖擊載荷，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。