能量回饋變頻控制柜在油井生產(chǎn)中的應用

陳洪禹（中油電能電力運維分公司）

建設綠色低碳油田，提升油田開發(fā)系統(tǒng)能源利用效益，降低碳排放和生產(chǎn)成本，是當前各油田的一項重要研究課題。變頻技術(shù)作為目前最有效的一項電氣節(jié)能技術(shù)發(fā)展十分迅速，在油田生產(chǎn)和其它工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應用[1]。利用變頻調(diào)速技術(shù)，可使油田抽油機實現(xiàn)了軟啟動，設備選型更加合理；利用變頻調(diào)速技術(shù)，通過傳感器技術(shù)實現(xiàn)模糊控制，使機械采油的效率在運行過程中始終保持在最佳狀態(tài)，有效杜絕了設備的空耗，從而實現(xiàn)了節(jié)能的目的[2]。變頻控制技術(shù)是采用信息技術(shù)、模糊控制技術(shù)、計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)等現(xiàn)代高新技術(shù)的綜合運用，是一項全新的節(jié)能控制技術(shù)，特別適用于熱采區(qū)塊吞吐輪次高，地下參數(shù)變化大的油井生產(chǎn)，具有油井調(diào)參方便，節(jié)能控制效果好等優(yōu)點。而游梁式抽油機在運行時是周期性往復運動，在抽油桿下行時會產(chǎn)生再生電能，處于油井釋放能量狀態(tài)，存在能源浪費問題[3]。為此，在調(diào)查研究的基礎上，提出《能量回饋變頻控制柜在油井生產(chǎn)中的應用》這一研究應用課題，并取得良好現(xiàn)場效果。

1 運行機理

1.1 工作原理

當前在各種抽油機變頻柜中處理再生電能的方法有制動電阻、吸收電容、回饋制動等，其中較為先進的方法是利用回饋制動的方式將這部分電能回饋電網(wǎng)[4]。抽油機能量回饋智能變頻控制柜，在電動機驅(qū)動抽油機的狀態(tài)時由主變頻器從電網(wǎng)吸收電能，而在油井釋放能量狀態(tài)時由回饋變頻器將這部分能量變成與電網(wǎng)電壓同步同相位的正弦波經(jīng)過濾波后回饋電網(wǎng)，利用變頻控制柜+永磁電動機配合使用，進行節(jié)能改造經(jīng)實踐證明效果非常明顯，節(jié)電率可高達30%～60%。

1.2 增產(chǎn)原理

能量回饋變頻控制柜節(jié)能裝置通過輸入正常頻率、最小載荷、最高頻率、最低頻率，能夠根據(jù)實時采集載荷及示功圖進行分析處理。在一個沖程內(nèi)采集的載荷大于最小載荷，抽油機按正常頻率運行，如果采集的載荷小于最小載荷，變頻柜將在最高頻率和最低頻率之間分成多段運行。對于上下不平衡油井，控制抽油機按不同的頻率運行，達到上快、下慢的方式運行，減少空抽，提高泵效，從而實現(xiàn)節(jié)約能源，提高抽油泵充滿系數(shù)，提升原油產(chǎn)量。

1.3 電動機節(jié)能原理

如果電動機運行在額定負荷或額定負荷附近，則電動機屬于經(jīng)濟運行。實際上，電動機以輕載運行的情況是常見的。因此，電動機節(jié)能是不容忽視的重要問題。電動機運行效率取決于電動機負荷率，Y2系列37 kW/6 極電動機的負荷率應大于0.40；22 kW/6 極電動機的負荷率應大于0.46，此時電動機為經(jīng)濟運行。對于不同功率的Y 系列電動機，效率下降點也不同。一般情況下，功率因數(shù)、效率和負荷率關(guān)系見圖1。把效率將要快速下降點α所對應的負荷率稱為臨界負荷率βα，當負荷率β＞βα時，效率的變化不大，這是由于電動機的可變損耗和不變損耗的對比關(guān)系所決定的，當負荷率β＜0.7時，功率因數(shù)下降很快。功率因數(shù)的低下不但使電動機本身能耗有所增加，而且給電網(wǎng)造成了附加損耗，降低了電網(wǎng)容量和變壓器設備的利用率[6]。從以上討論可以看出，只要負荷率β不低于βα，輕載運行的影響主要是降低功率因數(shù)。對于一般負荷如風機、水泵，節(jié)能的關(guān)鍵是提高負荷率。如果將負荷率提高到0.7～0.8 可以說是最佳運行，沒有必要提高到1.0。一般工作在β在0.7 以上，功率因數(shù)就比較高。

圖1 功率因數(shù)、效率和負荷率的關(guān)系曲線

2 游梁式抽油機電動機運行特點

游梁式抽油機是機械采油的主要設備，約占機采井總數(shù)的75%。一個沖次內(nèi)功率和電流與時間關(guān)系見圖2。可見工作時承受帶沖擊性的周期交變負荷[7]（圖2a）。這一負荷特性要求驅(qū)動電動機在選擇容量時留有足夠的裕度，以保證帶載啟動時能克服抽油機較大的慣性矩，滿足啟動要求；在運行時有足夠的過載能力，以克服交變載荷的最大扭矩。因此，電動機容量選擇就過大，負荷匹配不合理，大多數(shù)情況下電動機處于輕載狀態(tài)，負荷率一般為0.25，同時，電動機在一個沖次中還存在兩段發(fā)電狀態(tài)，一個沖次內(nèi)電動機電流如圖2b 所示，在一個沖次內(nèi)其電壓與電流向量圖見圖3。在一個沖次內(nèi)，電流的大小及相位角總是變化的，相位有大于90°的情況，這段時間有功電流為負，為發(fā)電狀態(tài)，這已從理論上和現(xiàn)場實測得到證明[8-9]。在現(xiàn)場實測中，采用兩種方法：一是接入三相電度表，在一個沖次內(nèi)有兩次電表反轉(zhuǎn)；二是用計算機采集電壓、電流的正弦波形，也清楚看出相位角甲大于90°的情況。發(fā)電情況與平衡有關(guān)，平衡效果越差，發(fā)電越多。平衡效果較好時，只有一次發(fā)電狀態(tài)。這種特殊負荷給電動機節(jié)能帶來很大難度。另外，抽油桿運動時的慣性作用和彈性變形，使抽油機在上下死點產(chǎn)生沖擊，而普通Y 系列電動機的機械特性是硬特性。在運行過程中轉(zhuǎn)速隨負荷變化不大，抽油泵柱塞的實際行程由此變短，從而影響泵的充滿率，降低泵效，使整個游梁式抽油機的系統(tǒng)效率降低。

圖2 一個沖次內(nèi)功率和電流與時間的關(guān)系

圖3 電壓與電流向量圖

由以上分析可知，游梁式抽油機節(jié)能應包括兩個方面：一是從電動機本身考慮，就是提高電動機效率和負荷率，從而提高運行效率和功率因數(shù)。提高電動機效率的潛力不大，而且是以增加電動機成本為代價的。因此，如果負荷率高于臨界負荷率，只要適當?shù)难a償電容器就達到節(jié)能的目的。二是從系統(tǒng)考慮，就是改變電動機的機械特性，使機、桿、泵整個系統(tǒng)達到較好地配合，提高系統(tǒng)效率。兩者比較，后者的節(jié)能潛力比前者大得多。因此，后者應該是游梁式抽油機用電動機節(jié)能的主要研究方向。

3 能量回饋智能變頻控制柜的應用

抽油機能量回饋智能變頻控制柜采用雙變頻技術(shù)，與普通變頻柜的主要區(qū)別是可以把返回變頻器直流環(huán)節(jié)的再生電能變換成一個和電網(wǎng)電源同步同相位的交流正弦波，經(jīng)過濾波后把電能反饋回電網(wǎng)，再生利用，抽油機能量回饋智能變頻控制柜能流見圖4。

圖4 能量回饋智能變頻控制柜能流

在對電磁調(diào)速電動機進行節(jié)能技術(shù)改造后，將電磁調(diào)速電動機上的調(diào)速器速度設定旋鈕調(diào)整到最大，然后降低變頻器運行頻率以達到正常的生產(chǎn)沖次。

3.1 特點

實現(xiàn)調(diào)速無須更換電動機，省時省力；實現(xiàn)軟啟動、軟停止，降低工頻啟動造成的電動機和電纜的絕緣老化，延長了設備的維修周期及使用壽命；具有過流、過壓、過載、缺相、短路、三相不平衡等安全保護功能，提高了設備運行的穩(wěn)定性；實現(xiàn)油井能量回饋電網(wǎng)。采用雙變頻控制技術(shù)，能把負載輕重變化時電動機產(chǎn)生的再生電能中97%的電能回饋電網(wǎng)，增加運行經(jīng)濟效益；安全可靠，該裝置的應用，可以降低抽油機全系統(tǒng)的運行速度，以減輕傳動、運動部分的疲勞和磨損（如油桿、皮帶等），有完全故障保護，使用安全；獨特的設計結(jié)構(gòu)，變頻主機做了防腐處理，具有防潮、防延誤功能及運行溫度在-10～55 ℃，提高抽油機運行的可靠性；具有備用工頻旁路系統(tǒng)，根據(jù)需要可轉(zhuǎn)工頻旁路運行，以保障正常生產(chǎn)。

3.2 節(jié)能效果評價

抽油機能量回饋智能變頻控制柜對某采油廠8口油井的調(diào)速電動機實施節(jié)能技術(shù)改造后，經(jīng)過前后對比測試統(tǒng)計，其節(jié)電率達到31.55%。應用前后對比數(shù)據(jù)見表1。

表1 應用前后測試對比數(shù)據(jù)

從表1 中可以看出，應用抽油機能量回饋智能變頻控制柜后8 口油井平均日耗量減少91 kWh，單井電動機功率因數(shù)平均提高0.3，平均節(jié)電率達到31.55%，充分說明抽油機能量回饋智能變頻控制柜節(jié)電效果良好。

4 結(jié)束語

實踐證明，要進一步提高游梁式抽油機的節(jié)能效果，一方面應從改善現(xiàn)有電動機的機械特性入手，使其機械特性與抽油機的負載特性互相配合，在負荷較小時工作特性較硬，負荷變大時特性變軟，既可減小輕載時的轉(zhuǎn)差損耗，又可像超高轉(zhuǎn)差電動機那樣增大抽油泵柱塞行程，提高泵效，提高系統(tǒng)效率。要達到此目的，最理想的是用頻敏材料制造電動機的轉(zhuǎn)子繞組，但目前還未見有關(guān)研制成功頻敏效果較好（在0～50 Hz 內(nèi)）材料的報道，一旦頻敏材料的研究取得突破，必將給電動機的制造和節(jié)能降耗開創(chuàng)新的途徑[10]。另一方面是研制應用四象限變頻器，這樣就可以把電動機發(fā)電狀態(tài)所發(fā)的電回饋電網(wǎng)，推廣應用抽油機能量回饋智能變頻控制柜具有良好的推廣前景。