變頻器在油田中的應用

1 引言
變頻器自20世紀80年代在中國推出以后，在在國民經(jīng)濟和日常生活中發(fā)揮著日益重要作用，已經(jīng)被廣泛的應用于企業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)以及人們的日常生活中。變頻器廣泛應用,主要得益于其優(yōu)良的節(jié)能特性和調(diào)速特性。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，除其它相關的技術問題需要改進外，變頻調(diào)速已成為節(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，在油田中的以風機、泵類負載為主，因而決定了變頻器在油田中的應用應以節(jié)能為第一目標。油田中變頻器的應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。下面從這幾個方面對變頻器在油田中應用情況進行詳細的說明。2 變頻器在游梁式抽油機控制中的應用
目前，在勝利油田采用的抽油設備中，以游梁式抽油機應用最為普遍，數(shù)量也最多。一方面，游梁式抽油機運動為反復地上下提升，一個沖程提升一次，其動力來自于電動機帶動的兩個重量相當大的鋼質(zhì)滑塊，當滑塊提升時，類似于杠桿的作用，將采油機桿送入井中，滑塊下降時，采油桿提出帶油至井口，由于電機轉(zhuǎn)速一定，在滑塊下降過程中，負荷減輕，電機拖動產(chǎn)生的能量無法被負載吸引，勢必會尋找能量消耗的渠道，導致電機進入再生發(fā)電狀態(tài)，將多余的能量反饋到電網(wǎng)，引起主回路母線電壓的升高，勢必會對整個電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，導致電網(wǎng)供電質(zhì)量下降，功率因數(shù)降低，面臨被供電企業(yè)罰款的危險;頻繁的高壓沖擊會損壞電機，對電動機沒有可靠的保護功能，一旦電機損害，造成生產(chǎn)效率降低、維護量加大，極不利于抽油設備的節(jié)能降耗，給企業(yè)造成較大的經(jīng)濟損失。另一方面，游梁式抽油機引入兩個大質(zhì)量的鋼質(zhì)滑塊，導致抽油機的起動沖擊大等諸多問題。除了上述兩方面問題之外，油田采油的特殊地理環(huán)境決定了采油設備有其自有的運行特點，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，保證較高的產(chǎn)油量;在中、后期，由于石油儲量減少，易造成供液不足，電機若仍工頻運行，勢必浪費電能，造成不必要的損耗，這時須考慮實際工作情況，適當降低電機轉(zhuǎn)速，減少沖程，有效提高充盈率。為了解決上述問題，可將變頻技術引入到游梁式抽油機控制中去。根據(jù)電機理論可知，其轉(zhuǎn)速公式為:

其中:p為電動機的極對數(shù)，s為轉(zhuǎn)差率，f為供電電源頻率，n為電動機的實際轉(zhuǎn)速。從式可以看出，電機轉(zhuǎn)速與頻率近似成正比，改變頻率即可以平滑地調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，從而可以連續(xù)地改變提油機的抽油速度。根據(jù)電動機工作電流的大小確定電動機的工作頻率，這樣可以根據(jù)井況的變化，方便的調(diào)節(jié)抽油機的沖程，達到節(jié)能和提高電網(wǎng)功率因數(shù)的目的。同時變頻調(diào)速器具有低速軟啟動，轉(zhuǎn)速可以平滑地大范圍調(diào)節(jié)，對電動機保護功能齊全，如短路、過載、過壓、欠壓及失速等，可有效地保護電機及機械設備，保證設備在安全的電壓下工作，具有運行平穩(wěn)、可靠，提高功率因數(shù)等諸多優(yōu)點，是采油設備改造的理想方案。
目前，對游梁式抽油機的變頻器改造主要有以下3個方面:
(1) 以提高電網(wǎng)質(zhì)量，減小對電網(wǎng)影響為目標的變頻改造。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，為了避免電網(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。這種應用在勝利油田的臨盤采油廠已經(jīng)提上應用日程。
(2) 以節(jié)能為第一目標的變頻改造。這一點比較普遍，一方面，油田的抽油機為了克服大的起動轉(zhuǎn)矩，采用的電動機遠遠大于實際所需功率，工作時電動機的利用率一般在20%-30%之間，最高不會超過50%，電動機常常處于輕載狀態(tài)，造成了電動機資源的浪費。另一方面，抽油機的工作情況是連續(xù)變化的，這些都取決于地底下的狀態(tài)，若始終處于工頻運行，勢必也會造成電能的浪費。為了節(jié)能，提高電動機的工作效率，需進行變頻改造。
(3) 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，是應用中的一個重要發(fā)展方向。
在實際的應用過程中卻出現(xiàn)了許多問題，這些問題主要集中在游梁式抽油機的發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生的能量的處理上。對于第一種情況，采用普通變頻器加能耗制動單元可比較方便的實現(xiàn)，這是以多耗電能為代價的，
這主要是因為發(fā)電能量不能回饋電網(wǎng)造成的。在未采用變頻器時，電動機處于電動狀態(tài)時，電動機從電網(wǎng)吸收電能(電表正轉(zhuǎn));電動機處于發(fā)電狀態(tài)時，電動機釋放能量(電表反轉(zhuǎn))，電能直接回饋電網(wǎng)的，并沒有在本地設備上耗費掉。綜合表現(xiàn)為抽油機的供電系統(tǒng)的功率因數(shù)較低，對電網(wǎng)質(zhì)量影響較大。但是在使用普通變頻器時，情況發(fā)生了變化。普通變頻器的輸入是二極管整流，能量不可反方向流動。上述這部分電能沒有流回電網(wǎng)的通路，必須用電阻來就地消耗，這就是必須使用能耗制動單元的原因。對于第二種情況和第三種情況，必須妥善的處理電動機發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生的電能，必須將其反饋到電網(wǎng)，否則通過調(diào)節(jié)抽油機的沖程節(jié)省的電能可能不能抵消變頻器制動單元消耗的電能，造成變頻運行時反而耗能，與節(jié)能的目標背道而馳。為了解決這個問題，有必要對普通變頻器進行改造，在結(jié)構(gòu)上引入雙pwm結(jié)構(gòu)的變頻器，保證發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生的電能回饋電網(wǎng);在控制方法引入自適應控制以適應游梁式抽油機多變的工作環(huán)境。3 變頻器在電潛泵控制中的應用　
油田中應用較多的另一種采油設備是電潛泵。電潛泵是井下工作的多級離心泵，同油管一起下入井內(nèi)，地面電源通過變壓器、控制屏和電潛泵專用電纜將電能輸送給井下電潛泵電機，使電機帶動多級離心泵旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)換為機械能，把油井中的液體舉升到地面。
由于電潛泵是在地面以下2000多米的井底工作，工作環(huán)境非常惡劣(高溫、強腐蝕等)，傳統(tǒng)的供電方式－全壓、工頻使它故障頻繁，運行成本大增。一方面，電潛泵在工頻啟動時，啟動電流大，電機電纜的壓降較大，使得電機電纜在啟動過程中的反壓較高，使絕緣性能降低，每次開機都會使電潛泵壽命大打折扣，大大影響了電潛泵的使用壽命。電潛泵損壞后提到地面上來修理，僅工程費一項就達5萬元，價值10萬元的電纜平均提上放下5次就須更換，電潛泵平均每10個月就須維修一次，維修費用約8萬元，使用成本較高。另一方面，電潛泵在正常工作時，普遍存在著電機負載率較低的情況，“大馬拉小車”現(xiàn)象嚴重。潛油電泵的功率因數(shù)較低，耗電量多，工頻工作時，電潛泵始終工作在額定轉(zhuǎn)速下，如果井下液量供不應求，容易造成“死井”，一旦死井則損失慘重。為了解決這個問題，電潛泵應能夠根據(jù)地質(zhì)情況的變化，調(diào)節(jié)抽油量。傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方式是靠更換油嘴來調(diào)節(jié)產(chǎn)量，這樣既造成能量損失又不能精確地控制。有時使得電機與泵長期在高壓狀態(tài)下運行;有時使得油井出沙嚴重，使設備壽命縮短，因而有必要引入變頻控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)油壓、調(diào)節(jié)產(chǎn)量。
針對電潛泵的特殊情況，我國的成都佳靈電氣制造有限公司和山東風光電子有限責任公司都有現(xiàn)成產(chǎn)品提供，并在勝利油田中有一些應用，并取得一定的效果。對電潛泵井進行變頻改造后，實現(xiàn)了電潛泵的軟啟動、軟停車，有效地保護了電潛泵與電纜;通過調(diào)節(jié)頻率可方便的調(diào)節(jié)油壓，避免了電潛泵在高壓下長期運行;延長了電潛泵的壽命，節(jié)約了油井維修、維護費用，使電泵機組在最佳工況下運行。大大提高了電潛泵采油系統(tǒng)的效率。同時，提高功率因數(shù)，提高了電網(wǎng)的供電能力，節(jié)電效果明顯。大面積推廣電潛泵變頻技術改造，將帶來良好的經(jīng)濟效益和社會效益。應用中也暴露出來一些問題，一方面，因為是新產(chǎn)品，在產(chǎn)品的軟硬件設計和設備配套上由一些不足，這時就要將新的控制方法引入到實際應用中去發(fā)展變化　適應多變的工作環(huán)境，提高配套產(chǎn)品的質(zhì)量;另一方面，控制系統(tǒng)的一次性投資較高，有的甚至要高于電潛泵的投資，只有進一步降低成本，才能促進變頻器控制在電潛泵中的應用。4 變頻器在注水泵控制中的應用
油田開發(fā)過程中地層能量不斷衰減，常用注水方式以保持地層能量，進行油田開發(fā)。一方面，注水壓力的高低是決定油田合理開發(fā)和地面管線及設備的重要參數(shù)。考慮到后期開發(fā)注水井的增多，注水工藝設計和機電設備配置都比實際寬裕，加之地質(zhì)情況的變化，開關井數(shù)的增減，洗井及供水不足的影響，經(jīng)常引起注水壓力的波動，注水量不均勻，不穩(wěn)定。注水壓力低，注水量滿足不了油田開發(fā)的需要，必然會造成油層壓力下降;注水壓力過高，浪費動力，也造成超注，導致水淹，水竄;注水壓力控制難度大，也給油田生產(chǎn)和管理帶來諸多不便，因而要求油田注水壓力恒定。另一方面，由于儲油地層的壓力及油氣水分布不斷在發(fā)生變化，其數(shù)值很難準確預測和控制，考慮到油田開發(fā)中的需要，在工藝和機電設備的配置上都按照油田最大可能的需求來設計，這一點在注水系統(tǒng)的設計當中顯得尤為突出。油田注水設備多采用高壓離心泵匹配高壓電機，大功率系統(tǒng)運行常是“大馬拉小車”，效率低下。注水壓力靠泵出口閘門手動控制，即靠改變管網(wǎng)特性曲線來調(diào)節(jié)泵的排量，泵、電機匹配難以達到在泵的最佳工況點運行，管網(wǎng)效率低，電能損失高達50%以上。正是從恒壓注水和節(jié)能的兩個方面考慮，在油田注水系統(tǒng)中引入變頻控制。
通過流體力學的基本定律可知:風機、泵類設備均屬平方轉(zhuǎn)矩負載，其轉(zhuǎn)速n與流量q，壓力h以及軸功率p具有如下關系:q∝n，h∝n2，p∝n3;即，流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。通過上述分析可以知道，通過改變電動機轉(zhuǎn)速可方便地改變水的流量，保證水壓恒定;通過改變電動機轉(zhuǎn)速，在降低水流量的同時，可有效降低系統(tǒng)的電能損耗。
通過變頻改造的注水系統(tǒng)具有如下優(yōu)點:
(1) 實現(xiàn)了電機軟起動、自由停車。電機均通過變頻器或軟起動從0～50hz作緩慢加速起動，可減少機泵因突然高速起動所帶來的影響，減少了直接起動時起動電流對電網(wǎng)的沖擊。
(2) 提高了功率因數(shù)，改善了電機電源質(zhì)量，電機的功率與實際負荷相匹配，系統(tǒng)達到節(jié)能運行的目的。
(3) 消除了泵的喘振現(xiàn)象，使泵運行處于最佳工況狀態(tài)。
(4) 實現(xiàn)了壓力自動控制，被調(diào)節(jié)量得到更平穩(wěn)的調(diào)節(jié)，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
目前變頻調(diào)速技術在注水系統(tǒng)中，主要應用在供水水源井電潛泵、注水站注水泵、配水間增壓泵工藝中。應用變頻調(diào)速技術，對注水設備的電機轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，達到穩(wěn)壓、穩(wěn)流供注水。同時軟起軟停的功能代替了減壓啟動，使電機起停平穩(wěn)，減少了對電網(wǎng)和機械設備的沖擊，不會造成管網(wǎng)壓力、流量、流速的劇烈變化，不需要閥門截流，因此對防止汽蝕、水擊、喘振極為有利，可以延長管網(wǎng)、泵、閥門的維修周期和使用壽命。在注水泵變頻改造中涉及的品牌比較多，進口品牌有abb、ab、三菱、東芝、富士及西門子等，國產(chǎn)品牌有佳靈、安圣等，在這個領域的應用技術已經(jīng)比較成熟。5 變頻器在油氣集輸控制中的應用
在油田生產(chǎn)中，與注水泵類似，輸油泵的額定排量往往大于實際需要排量，現(xiàn)大馬拉小車現(xiàn)象。一方面，如果完全采用閥門調(diào)節(jié)輸油量，一旦油量變化較快，輸油閥門調(diào)節(jié)頻繁，增加了工作人員的勞動強度且所需人員也較多。若閥門調(diào)節(jié)不當，易造成被抽干或冒罐現(xiàn)象。泵出現(xiàn)干抽燒損，冒罐則造成原油白白浪費。另一方面，為保證輸出油量的恒定，需要保證管壓恒定，閥門的開度直接影響到管壓，太大太小都不行。如果使用變頻調(diào)速器，可以徹底解決這個問題。它通過減小電機電源頻率實現(xiàn)降低電機轉(zhuǎn)速。電機帶動泵運行，電動機轉(zhuǎn)速降低，對于柱塞泵來說，就是降低了柱塞的運行頻率，減小了泵的實際排量;對于離心泵來說，降低了葉輪轉(zhuǎn)速，同樣降低了泵的排量。因此，當需要排量變化時，可以通過調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，達到控制排量的目的，保證管壓恒定。泵的排量降低了，電動機的負荷也就隨之減小，這樣電機輸出功率出隨之減小，這樣電機的效率可以有很大提高，電機損耗及電機輸出功率得到有效減小，達到節(jié)能的目的。6 總結(jié)
總之，變頻調(diào)速技術作為高新技術、基礎技術和節(jié)能技術，其應用已經(jīng)滲透到石油行業(yè)的各個技術部門。在游梁式抽油機控制和電潛泵控制中的應用還處于開始階段，在應用中也出現(xiàn)了許多問題，這些都待于進步解決。只有充分考慮油田油井的實際情況，才能促進變頻技術在采油設備中的應用。在油田注水和油氣集輸中的應用與生活中的恒壓供水類似，其應用技術已經(jīng)成熟，應用也十分普遍。變頻調(diào)速技術在油田中的應用應該集中解決以下兩個方面的問題:
(1) 解決變頻器的控制問題。這個必須解決變頻器如何適應多變的工作環(huán)境，對某一臺抽油機控制的成功并不代表對所有油井都成功，因而必須提高變頻器控制技術適應不同井況的能力。
(2) 解決變頻控制成本較高的問題。與一般控制柜相比，變頻控制的成本太高。無論上雙pwm變頻器還是電潛泵專用變頻器，都面臨著這個問題，因而必須提高相關產(chǎn)品的配套能力，在保證可靠性的前提下降低成本。參考文獻
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計算機技術在GHH風機中的研究與應用
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