變頻器在油田磕頭機上的應(yīng)用
0 前言
進入21世紀(jì),變頻調(diào)速技術(shù)得益于其優(yōu)異的節(jié)能特性和調(diào)速特性,在我國油田中得到廣泛應(yīng)用,中國產(chǎn)值能耗是世界上最高的國家之一。要解決產(chǎn)品能耗問題,除其它相關(guān)的技術(shù)問題需要改進外,變頻調(diào)速技術(shù)已成為節(jié)能及提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效措施。油田作為一個特殊行業(yè),有其獨特的背景,油田中變頻器的應(yīng)用主要集中在游梁式抽油機控制、電潛泵控制、注水井控制和油氣集輸控制等幾個場合。游梁式抽油機俗稱“磕頭機”,是目前各個油田所普遍采用的抽油機,但是目前的抽油機系統(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。本文主要介紹變頻器在游梁式抽油機上的應(yīng)用。
1 磕頭機的工作原理
圖1 游梁式抽油機實物圖
如圖1,游梁式抽油機實物圖所示,當(dāng)磕頭機工作時,驢頭懸點上作用的載荷是變化的。上沖程時,驢頭懸點需提起抽油桿柱和液柱,在抽油機未進行平衡的條件下,電動機就要付出很大的能量。在下沖程時,抽油機桿柱轉(zhuǎn)而對電動機做功,使電動機處于發(fā)電機的運行狀態(tài)。抽油機未進行平衡時,上、下沖程的載荷極度不均勻,這樣將嚴(yán)重地影響抽油機的四連桿機構(gòu)、減速箱和電動機的效率和壽命,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,一般在抽油機的游梁尾部或曲柄上或兩處都加上了平衡重,如圖1所示。這樣一來,在懸點下沖程時,要把平衡重從低處抬到高處,增加平衡重的位能。為了抬高平衡配重,除了依靠抽油桿柱下落所釋放的位能外,還要電動機付出部分能量。在上沖程時,平衡重由高處下落,把下沖程時儲存的位能釋放出來,幫助電動機提升抽油桿和液柱,減少了電動機在上沖程時所需給出的能量。目前使用較多的游梁式抽油機,都采用了加平衡配重的工作方式,因此在抽油機的一個工作循環(huán)中,有兩個電動機運行狀態(tài)和兩個發(fā)電機運行狀態(tài)。當(dāng)平衡配重調(diào)節(jié)較好時,其發(fā)電機運行狀態(tài)的時間和產(chǎn)生的能量都較小。
2 變頻器在抽油機的控制問題
目前,在勝利油田采用的抽油設(shè)備中,以游梁式抽油機最為普遍,數(shù)量也最多。其數(shù)量達(dá)十萬臺以上。抽油機用電量約占油田總用電量的40%,運行效率非常低,平均運行效率只有25%,功率因數(shù)低,電能浪費大。因此,抽油機節(jié)能潛力非常巨大,石油行業(yè)也是推廣“電機系統(tǒng)節(jié)能”的重點行業(yè)。
2.1變頻器在抽油機的控制問題主要體現(xiàn)在如下幾個方面
一方面是再生能量的處理問題,如圖2所示,游梁式抽油機運動為反復(fù)上下提升,一個沖程提升一次,其動力來自電動機帶動的兩個重量相當(dāng)大的鋼質(zhì)滑塊,當(dāng)滑塊提升時,類似杠桿作用,將采油機桿送入井中;滑塊下降時,采油桿提出帶油至井口,由于電動機轉(zhuǎn)速一定,滑塊下降過程中,負(fù)荷減輕,電動機拖動產(chǎn)生的能量無法被負(fù)載吸引,勢必會尋找能量消耗的渠道,導(dǎo)致電動機進入再生發(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,勢必會對整個電網(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;頻繁的高壓沖擊會損壞電動機,造成生產(chǎn)效率降低、維護量加大,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)濟損失。
圖2 常規(guī)曲柄平衡抽油機
另一方面是沖擊電流問題,如圖二所示游梁式抽油機是一種變形的四連桿機構(gòu),其整機結(jié)構(gòu)特點像一架天平,一端是抽油載荷,另一端是平衡配重載荷。對于支架來說,如果抽油載荷和平衡載荷形成的扭矩相等或變化一致,那么用很小的動力就可以使抽油機連續(xù)不間斷地工作。也就是說抽油機的節(jié)能技術(shù)取決于平衡的好壞。在平衡率為100%時電動機提供的動力僅用于提起1/2液柱重量和克服摩擦力等,平衡率越低,則需要電動機提供的動力越大。因為,抽油載荷是每時每刻都在變化的,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的節(jié)能技術(shù)就是平衡技術(shù)。
對長慶油田幾十口油井的調(diào)查顯示,只有1~2口井的配重平衡較好,絕大部分抽油機的配重嚴(yán)重不平衡,其中有一半以上口井的配重偏小,另有幾口井配重又偏大,從而造成過大的沖擊電流,沖擊電流與工作電流之比最大可超過5倍,甚至超過額定電流的3倍。不僅無謂浪費掉大量的電能,而且嚴(yán)重威脅到設(shè)備的安全。同時也給采用變頻器調(diào)速控制造成很大的困難:一般變頻器的容量是按電動機的額定功率來選配的,過大的沖擊電流會引起變頻器的過載保護動作而不能正常工作。
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)備有其獨特的運行特點:在油井開采前期儲油量大,供液足,為提高功效可采用工頻運行,保證較高產(chǎn)油量;在中后期,由于石油儲量減少,易造成供液不足,電動機若仍工頻運行,勢必浪費電能,造成不必要損耗,這時須考慮實際工作情況,適當(dāng)降低電動機轉(zhuǎn)速,減少沖程,有效提高充盈率。
2.2游梁式抽油機的變頻改造主要有以下3個方面
(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)對電網(wǎng)質(zhì)量要求較高的場合,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工作過程對電網(wǎng)的影響。
(2) 以節(jié)能為第一目標(biāo)的變頻改造。這點較普遍,一方面,油田抽油機為克服大的起動轉(zhuǎn)矩,采用的電動機遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實際所需功率,工作時電動機利用率一般為20%~30%,最高不會超過50%,電動機常處于輕載狀態(tài),造成資源浪費。另一方面,抽油機工作情況的連續(xù)變化,取決于地底下的狀態(tài),若始終處于工頻運行,也會造成電能浪費。為了節(jié)能,提高電動機工作效率,需進行變頻改造。
(3) 由于實現(xiàn)了真正的“軟起動”,對電動機、變速箱、抽油機都避免了過大的機械沖擊,大大延長了設(shè)備的使用壽命,減少了停產(chǎn)時間,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。這種情況綜合了上面兩種改造的優(yōu)點,是應(yīng)用中的一個重要發(fā)展方向。
3 抽油機的技術(shù)發(fā)展
第一代:最先的抽油機主馬達(dá)主要是采用三相異步電機啟動,三相異步電動機啟動運行缺點就是沒有調(diào)速功能,只能保持一個恒速,嚴(yán)重影響產(chǎn)油量。這種不帶保護的抽油機電機控制方式已經(jīng)退出了歷史舞臺。
第二代:由于直流電動機(俗稱滑差電機)的面世,也加快了直流電機在抽油機上的應(yīng)用,從而替代了異步電機的使用。采用直流調(diào)速的方法明顯的優(yōu)勝三相異步電機,產(chǎn)油量也高了許多;但直流電動機成本比較高,電磁調(diào)速頭也容易損壞,其調(diào)速性能也不是很理想。
第三代:采用變級電機調(diào)速,就是改變電機極對數(shù)來達(dá)到調(diào)速的目的,常采用4/8/32極多速電機實現(xiàn)。但其裝置比較復(fù)雜,占用空間也比較大,設(shè)備壽命短,穩(wěn)定性不太好。
第四代:變頻調(diào)速技術(shù),由于變頻調(diào)速技術(shù)已成為節(jié)能及提高產(chǎn)品效益質(zhì)量的有效措施,油田中變頻器應(yīng)用在游梁式抽油機已經(jīng)非常廣泛。由于油井的類型和工況千差萬別,井下滲油和滲水量每時每刻都在變.抽油機的負(fù)載變化是無規(guī)律的,故采用變頻調(diào)速技術(shù),使抽油機的運動規(guī)律適應(yīng)油井的變化工況,實現(xiàn)抽油系統(tǒng)效率的提高,達(dá)到節(jié)能增產(chǎn)的目的。下面鐘對變頻器在油田嗑頭機中的應(yīng)用,例出幾個應(yīng)用方案做簡要論述。
4 變頻技術(shù)在抽油機的應(yīng)用方案介紹
4.1 變頻器加制動單元控制
如下圖3所示:在變頻器主回路直流母線兩端加制動電阻和制動單元,由于抽油機起動時需要大力矩,上升段也需要大力矩,而在下降段電機處在發(fā)電狀態(tài)。最關(guān)建的就是下降段,這個過程是連續(xù)運轉(zhuǎn)的,同時隨油的稠度,井深,產(chǎn)量調(diào)節(jié)往復(fù)運動次數(shù)/MIN,導(dǎo)致電動機進入再生發(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,這就是我們在變頻器上必須使用制動單元和制動電阻的原因,現(xiàn)在大功率變頻器一般都可以定制動單元,完全可以達(dá)到理想中的控制效果。
對于上述第一種情況,采用普通變頻器加能耗制動單元可較方便實現(xiàn),這是以多耗電能為代價的,主要因為發(fā)電能量不能回饋電網(wǎng)造成。在未采用變頻器時,電動機處于電動狀態(tài)時,從電網(wǎng)吸收電能;電動機處于發(fā)電狀態(tài)時,釋放能量,電能直接回饋電網(wǎng)的,并未在本地設(shè)備上耗費掉。綜合表現(xiàn)為抽油機供電系統(tǒng)的功率因數(shù)較低,對電網(wǎng)質(zhì)量影響較大。
圖3 變頻器加制動電阻
4.2 變頻器加回饋單元控制
由于在變頻器的直流上加制動電阻解決不了實際問題,因為制動電阻的散熱解決不了<
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