油田作為一個(gè)特殊行業(yè),有其獨(dú)特的背景,油田中變頻器的應(yīng)用主要集中在 游梁式抽油機(jī)控制、電潛泵控制、注水井控制和油氣集輸控制等幾個(gè)場(chǎng)合。游梁式抽油機(jī)俗稱“磕頭機(jī)”,是目前各個(gè)油田所普遍采用的抽油機(jī),但是目前的抽油機(jī) 系統(tǒng)普遍存在著效率低、能耗大、沖程和沖次調(diào)節(jié)不方便等明顯的缺點(diǎn)。本文主要介紹滿毅(USFULL)變頻器在游梁式抽油機(jī)上的應(yīng)用。
一、 磕頭機(jī)的工作原理
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圖1 游梁式抽油機(jī)實(shí)物圖
磕頭機(jī)即游梁式抽油機(jī)是油田廣泛應(yīng)用的傳統(tǒng)抽油設(shè)備,通常由普通交流異步電動(dòng)機(jī)直接拖動(dòng)。其曲柄帶以配重平衡塊帶動(dòng)抽油桿,驅(qū)動(dòng)井下抽油泵做固定周期的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng),把井下的油送到地面。在一個(gè)沖次內(nèi),隨著抽油桿的上升/下降,而使電機(jī)工作在電動(dòng)/發(fā)電狀態(tài)。上升過程電機(jī)從電網(wǎng)吸收能量電動(dòng)運(yùn)行;下降過程電機(jī)的負(fù)載性質(zhì)為位勢(shì)負(fù)載,加之井下負(fù)壓等使電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài),把機(jī)械能量轉(zhuǎn)換成電能回饋到電網(wǎng)。
如圖1,游梁式抽油機(jī)實(shí)物圖所示,當(dāng)磕頭機(jī)工作時(shí),驢頭懸點(diǎn)上作用的載荷是變化的。上沖程時(shí),驢頭懸點(diǎn)需提起抽油桿柱和液柱,在抽油機(jī)未進(jìn)行平衡的條件 下,電動(dòng)機(jī)就要付出很大的能量。在下沖程時(shí),抽油機(jī)桿柱轉(zhuǎn)而對(duì)電動(dòng)機(jī)做功,使電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。抽油機(jī)未進(jìn)行平衡時(shí),上、下沖程的載荷極度不均 勻,這樣將嚴(yán)重地影響抽油機(jī)的四連桿機(jī)構(gòu)、減速箱和電動(dòng)機(jī)的效率和壽命,惡化抽油桿的工作條件,增加它的斷裂次數(shù)。為了消除這些缺點(diǎn),一般在抽油機(jī)的游梁 尾部或曲柄上或兩處都加上了平衡重,如圖1所示。目前使用較多的游梁式抽油機(jī),都采用了加平衡配重的工作方式,因此在抽油機(jī)的一個(gè)工作循環(huán)中,有兩個(gè)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和兩 個(gè)發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)平衡配重調(diào)節(jié)較好時(shí),其發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的時(shí)間和產(chǎn)生的能量都較小。
二、 變頻器在抽油機(jī)的控制問題
目前,在勝利油田采用的抽油設(shè)備中,以游梁式抽油機(jī)最為普遍,數(shù)量也最多。其數(shù)量達(dá)十萬臺(tái)以上。抽油機(jī)用電量約占油田總用電量的40%,運(yùn)行效率非常低, 平均運(yùn)行效率只有25%,功率因數(shù)低,電能浪費(fèi)大。因此,抽油機(jī)節(jié)能潛力非常巨大,石油行業(yè)也是推廣“電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能”的重點(diǎn)行業(yè)。
2.1 變頻器在抽油機(jī)的控制問題主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面
一方面是再生能量的處理問題,如圖2所示,游梁式抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)為反復(fù)上下提升,一個(gè)沖程提升一次,其動(dòng)力來自電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的兩個(gè)重量相當(dāng)大的鋼質(zhì)滑塊,當(dāng)滑塊 提升時(shí),類似杠桿作用,將采油機(jī)桿送入井中;滑塊下降時(shí),采油桿提出帶油至井口,由于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一定,滑塊下降過程中,負(fù)荷減輕,電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)產(chǎn)生的能量無法被負(fù)載吸引,勢(shì)必會(huì)尋找能量消耗的渠道,導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)進(jìn)入再生發(fā)電狀態(tài),將多余能量反饋到電網(wǎng),引起主回路母線電壓升高,勢(shì)必會(huì)對(duì)整個(gè)電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊,導(dǎo)致 電網(wǎng)供電質(zhì)量下降,功率因數(shù)降低的危險(xiǎn);頻繁的高壓沖擊會(huì)損壞電動(dòng)機(jī),造成生產(chǎn)效率降低、維護(hù)量加大,極不利于抽油設(shè)備的節(jié)能降耗,給企業(yè)造成較大經(jīng)濟(jì)損失。
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圖2 常規(guī)曲柄平衡抽油機(jī)
另一方面是沖擊電流問題,如圖二所示游梁式抽油機(jī)是一種變形的四連桿機(jī)構(gòu),其整機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)像一架天平,一端是抽油載荷,另一端是平衡配重載荷。對(duì)于支架來說,如果抽油載荷和平衡載荷形成的扭矩相等或變化一致,那么用很小的動(dòng)力就可以使抽油機(jī)連續(xù)不間斷地工作。也就是說抽油機(jī)的節(jié)能技術(shù)取決于平衡的好壞。在平衡率為100%時(shí)電動(dòng)機(jī)提供的動(dòng)力僅用于提起1/2液柱重量和克服摩擦力等,平衡率越低,則需要電動(dòng)機(jī)提供的動(dòng)力越大。因?yàn)?,抽油載荷是每時(shí)每刻都在變 化的,而平衡配重不可能和抽油載荷作完全一致的變化,才使得游梁式抽油機(jī)的節(jié)能技術(shù)變得十分復(fù)雜。因此,可以說游梁式抽油機(jī)的節(jié)能技術(shù)就是平衡技術(shù)。
除上述兩方面問題外,油田采油的特殊地理環(huán)境決定了采油設(shè)備有其獨(dú)特的運(yùn)行特點(diǎn):在油井開采前期儲(chǔ)油量大,供液足,為提高功效可采用工頻運(yùn)行,保證較高產(chǎn)油量;在中后期,由于石油儲(chǔ)量減少,易造成供液不足,電動(dòng)機(jī)若仍工頻運(yùn)行,勢(shì)必浪費(fèi)電能,造成不必要損耗,這時(shí)須考慮實(shí)際工作情況,適當(dāng)降低電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,減少?zèng)_程,有效提高充盈率。
2.2 游梁式抽油機(jī)的變頻改造主要有以下3個(gè)方面
(1) 大大提高了功率因數(shù)(可由原來的0.25~0.5提高到0.9以上),大大減小了供電(視在)電流,從而減輕了電網(wǎng)及變壓器的負(fù)擔(dān),降低了線損,可省去大量的“增容”開支。這主要集中在供電企業(yè)對(duì)電網(wǎng)質(zhì)量要求較高的場(chǎng)合,為避免電網(wǎng)質(zhì)量的下降,需引入變頻控制,其主要目的就是減小抽油機(jī)工作過程對(duì)電網(wǎng)的影響。
(2) 以節(jié)能為第一目標(biāo)的變頻改造。這點(diǎn)較普遍,一方面,油田抽油機(jī)為克服大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩,采用的電動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際所需功率,工作時(shí)電動(dòng)機(jī)利用率一般為 20%~30%,最高不會(huì)超過50%,電動(dòng)機(jī)常處于輕載狀態(tài),造成資源浪費(fèi)。另一方面,抽油機(jī)工作情況的連續(xù)變化,取決于地底下的狀態(tài),若始終處于工頻運(yùn)行,也會(huì)造成電能浪費(fèi)。
(3) 由于實(shí)現(xiàn)了真正的“軟起動(dòng)”,對(duì)電動(dòng)機(jī)、變速箱、抽油機(jī)都避免了過大的機(jī)械沖擊,大大延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命,減少了停產(chǎn)時(shí)間,提高了生產(chǎn)效率。以提高電網(wǎng)質(zhì)量和節(jié)能為目的的變頻改造。
三、 抽油機(jī)的技術(shù)發(fā)展
抽油機(jī)的發(fā)展方向
1.朝著大型化方向發(fā)展
隨著世界油氣資源的不斷開發(fā),開采油層深度逐年增加,石油含水量也在不斷增多,采用大泵提液采油工藝和開采稠油等,都要求采用大型抽油機(jī),所以近年來,國(guó)外出現(xiàn)了許多大載荷抽油機(jī),如前置式氣平衡抽油機(jī)最大載荷213kN,氣囊平衡抽油機(jī)最大載荷227kN等。還會(huì)出現(xiàn)更大載荷新型抽油機(jī)。
采用長(zhǎng)沖程抽油方式,抽油效率高,抽油機(jī)壽命長(zhǎng),動(dòng)載荷小,排量穩(wěn)定,具有較好的采油經(jīng)濟(jì)效益,所以近年來國(guó)外出現(xiàn)了許多長(zhǎng)沖程抽油機(jī),如法國(guó)Mape公司抽油機(jī),最大沖程10m;美國(guó)WGCO公司抽油機(jī)最大沖程24.38m,NSCO公司抽油機(jī)最大沖程27.48m;原蘇聯(lián)鋼帶式超長(zhǎng)沖程抽油機(jī)最大沖程1500m。長(zhǎng)沖程抽油機(jī)全部采用低沖次抽油方式,Mape公司抽油機(jī)最大沖次5min-1,GDCO公司抽油機(jī)最大沖次為3min-1。
2.朝著低能耗方向發(fā)展
為了減少能耗,提高采油經(jīng)濟(jì)效益,近年來國(guó)外研制與應(yīng)用了許多節(jié)能型抽油機(jī)。例如異相型抽油機(jī)節(jié)電15%~35%;前置式抽油機(jī)節(jié)電36.8%;前置式氣平衡抽油機(jī)節(jié)電35%;輪式抽油機(jī)節(jié)電50%~80%;大圈式抽油機(jī)節(jié)電30%;自動(dòng)平衡抽油機(jī)節(jié)電30%~50%;低矮型抽油機(jī)節(jié)電5%~20%;ROTAFLEX抽油機(jī)節(jié)電25%;智能抽油機(jī)節(jié)電17.4%;螺桿泵采油系統(tǒng)節(jié)電40%~50%。
3.朝著精確平衡方向發(fā)展
近年來國(guó)外很重視改進(jìn)和提高抽油機(jī)的平衡效果,使抽油機(jī)得到更精確平衡。例如變平衡力矩抽油機(jī),可使上沖程平衡力矩大于下沖程力矩。前置式氣平衡抽油機(jī),由于可在動(dòng)態(tài)下調(diào)節(jié)氣平衡,平衡效果較好。氣囊平衡抽油機(jī)有90%以上載荷得到平衡。雙井抽油機(jī)可利用兩口油井抽油桿柱合理設(shè)計(jì)得到更精確的平衡。自動(dòng)平衡抽油機(jī)可保證在上下沖程每一瞬間得到較精確的平衡效果。
4.朝著高適應(yīng)性方向發(fā)展
現(xiàn)代抽油機(jī)應(yīng)具有較高的適應(yīng)性,以便拓寬使用范圍。例如適應(yīng)各種自然地理和地質(zhì)構(gòu)造條件抽油的需要;適應(yīng)各種成分石油抽汲的需要;適應(yīng)各種類型油井抽汲的需要;適應(yīng)深井抽油需要;適應(yīng)長(zhǎng)沖程抽油的需要;適應(yīng)節(jié)電的需要;適應(yīng)精確平衡的需要;適應(yīng)無電源和間歇抽油的需要;適應(yīng)優(yōu)化抽油的需要等。
5.朝著長(zhǎng)沖程無游梁方向發(fā)展
近年來國(guó)外研制與應(yīng)用了多種類型長(zhǎng)沖程抽油機(jī),其中包括增大沖程游梁抽油機(jī)、增大沖程無游梁抽油機(jī)和長(zhǎng)沖程無游梁抽油機(jī)。實(shí)踐與理論分析表明,增大沖程游梁抽油機(jī)是常規(guī)游梁抽油機(jī)的發(fā)展方向;增大沖程無游梁抽油機(jī)是增大沖程抽油機(jī)的發(fā)展方向;長(zhǎng)沖程無游梁抽油機(jī)是長(zhǎng)沖程抽油機(jī)的發(fā)展方向。
6.朝著自動(dòng)化和智能化方向發(fā)展
近年來抽油機(jī)技術(shù)發(fā)展的顯著標(biāo)志是自動(dòng)化和智能化。美國(guó)Baker提升系統(tǒng)公司、Delta-X公司、APS公司等均研制了自動(dòng)化抽油機(jī),具有保護(hù)和報(bào)警功能,實(shí)時(shí)測(cè)得油井運(yùn)行參數(shù),及時(shí)顯示與記錄并通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行綜合計(jì)算分析,推出最優(yōu)工況參數(shù),進(jìn)一步指導(dǎo)抽油機(jī)以最優(yōu)工況抽油。美國(guó)NSCO公司智能抽油機(jī),采用微處理機(jī)和自適應(yīng)電子控制器進(jìn)行控制與監(jiān)測(cè),具有抽油效率高、節(jié)電、功能多、安全可靠、自動(dòng)化程度高、經(jīng)濟(jì)性好、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
四、 變頻技術(shù)在抽油機(jī)的應(yīng)用方案介紹
4.1 變頻器加制動(dòng)單元控制
如下圖3所示:在變頻器主回路直流母線兩端加制動(dòng)電阻和制動(dòng)單元,由于抽油機(jī)起動(dòng)時(shí)需要大力矩,上升段也需要大力矩,而在下降段電機(jī)處在發(fā)電狀態(tài)。最關(guān)建的就是下降段,這個(gè)過程是連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的,同時(shí)隨油的稠度,井深,產(chǎn)量調(diào)節(jié)往復(fù)運(yùn)動(dòng)次數(shù)/MIN,導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)進(jìn)入再生發(fā)電狀態(tài),將多余能量反饋到電網(wǎng),引起主變頻器主回路直流母線電壓升高(此問題在文章第2節(jié)提到過),而電能沒有流回電網(wǎng)的通路,必須用電阻來就地消耗,這就是我們?cè)谧冾l器上必須使用制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻的原因,現(xiàn)在大功率變頻器一般都可以定制動(dòng)單元,完全可以達(dá)到理想中的控制效果。
對(duì)于上述第一種情況,采用普通變頻器加能耗制動(dòng)單元可較方便實(shí)現(xiàn),這是以多耗電能為代價(jià)的,主要因?yàn)榘l(fā)電能量不能回饋電網(wǎng)造成。在未采用變頻器時(shí),電動(dòng)機(jī) 處于電動(dòng)狀態(tài)時(shí),從電網(wǎng)吸收電能;電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí),釋放能量,電能直接回饋電網(wǎng)的,并未在本地設(shè)備上耗費(fèi)掉。綜合表現(xiàn)為抽油機(jī)供電系統(tǒng)的功率因數(shù)較低,對(duì)電網(wǎng)質(zhì)量影響較大。
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