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1　項(xiàng)目背景

大慶油田自1959年第一口井開始，已開采近60年，創(chuàng)造了連續(xù)27年超5000萬噸原油的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)奇跡。以長(zhǎng)垣為代表的主體采油區(qū)，含水量高達(dá)95%，形成了老區(qū)“雙特高”，而外圍采油區(qū)卻是低滲透、低產(chǎn)量、低豐度的“三低”狀況。目前，普遍采取精細(xì)注入、聚合物驅(qū)、復(fù)合驅(qū)、壓驅(qū)等物理、化學(xué)手段，可以進(jìn)一步挖潛，但總體來說開采難度越來越大，開采成本越來越高，也會(huì)造成不可逆轉(zhuǎn)的環(huán)境污染。因此，對(duì)采油技術(shù)進(jìn)行升級(jí)，實(shí)現(xiàn)降耗增產(chǎn)、挖潛成為必然要求。

2　解決方案

眾所周知，變頻器被稱為“工業(yè)維生素”，早在七年前希望森蘭就開始探索將變頻器引入到油田采油設(shè)備中，如螺桿泵、游梁式抽油機(jī)（俗稱磕頭機(jī)）、塔架式抽油機(jī)等，不斷的摸索、試驗(yàn)、創(chuàng)新、優(yōu)化，總結(jié)出適用于各種工況的運(yùn)行模式。

（1）對(duì)于富油區(qū)，通過調(diào)速來調(diào)節(jié)沖次，提高產(chǎn)量，相比于工頻時(shí)調(diào)節(jié)皮帶輪，極大降低了工作強(qiáng)度，避免了停工造成的產(chǎn)量損失。

（2）對(duì)于貧油區(qū)，除了降低沖次，還有幾種創(chuàng)新性的方式，如對(duì)稱擺動(dòng)間抽、半幅擺動(dòng)間抽、定時(shí)間抽等，具體采用哪種方式可以根據(jù)油井的含蠟情況、環(huán)境溫度情況、出油率等確定。在定時(shí)間抽時(shí)，電機(jī)可以停止轉(zhuǎn)動(dòng)，也就降低了電機(jī)在低速低能效區(qū)的無謂消耗。

（3）對(duì)于不平衡性的處理，井下的液位是實(shí)時(shí)變化的，而機(jī)械系統(tǒng)的平衡卻不是實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的，造成很大的不平衡，即對(duì)電機(jī)來說處于發(fā)電狀態(tài)。工頻運(yùn)行時(shí)，發(fā)電的能量通過變壓器返回電網(wǎng)，而使用兩象限變頻器時(shí)，一般處理是通過制動(dòng)單元和電阻的能耗制動(dòng)消耗掉多余的能量。處理方式以及各種方式的成本對(duì)比和可靠性情況如表1所示。

表1 幾種再生能量的處理對(duì)比表

表1中方案4，最簡(jiǎn)單的方式是變頻器設(shè)計(jì)時(shí)增加電容容量，次之是用其他儲(chǔ)能器件如超級(jí)電容等加DC-DC變換實(shí)現(xiàn)。復(fù)合方案5，其本質(zhì)上是利用軟件算法將電機(jī)發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)的動(dòng)能；而電機(jī)需要做大的正功時(shí)，一部分能量來自前面轉(zhuǎn)換的動(dòng)能，一部分來自變頻器的輸出；理想狀態(tài)是從電網(wǎng)吸收的有功為恒定值。

（4）對(duì)于系統(tǒng)節(jié)能的考慮，節(jié)能降耗是社會(huì)全行業(yè)都需要考慮的問題，針對(duì)采油設(shè)備在使用變頻之后，與工頻相比會(huì)增加變頻本體的損耗，一般在2%左右。針對(duì)廣泛應(yīng)用的比較典型的磕頭機(jī)，起動(dòng)時(shí)需要高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，而運(yùn)行時(shí)多數(shù)在輕載狀態(tài)，因此可以針對(duì)這種負(fù)載類型，單獨(dú)設(shè)計(jì)合理的節(jié)能算法，如自尋優(yōu)算法。針對(duì)井組或群井，可以采用整體共直流母線的設(shè)計(jì)方案，使能量有效流轉(zhuǎn)，降低前端變壓器的容量，相應(yīng)也降低了投資。

3　效益分析

在采油設(shè)備上使用變頻器，綜合來看，有如下優(yōu)勢(shì)：

（1）可以無極調(diào)速，調(diào)整沖次方便，徹底突破了靠皮帶輪、雙速電機(jī)等的限制，降低了人力成本和設(shè)備更換成本；

（2）電參數(shù)、沖次、平衡率等實(shí)時(shí)顯示，方便操作工數(shù)據(jù)采集；

（3）起動(dòng)過程避免了工頻直接起動(dòng)的電網(wǎng)沖擊和機(jī)械沖擊，延長(zhǎng)了皮帶、齒輪箱、連桿等設(shè)備的壽命，減少了維護(hù)量；同時(shí)對(duì)電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求降低，起動(dòng)時(shí)對(duì)電機(jī)的電流沖擊也極大降低，電機(jī)的功率也可以適當(dāng)降低；

（4）提高了電網(wǎng)的功率因數(shù)，降低了系統(tǒng)的無功損耗，也無需無功補(bǔ)償；

（5）變頻器本體具有多種保護(hù)功能，可以有效檢出設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并預(yù)報(bào)警，如接地、斷桿、皮帶斷裂等故障；

（6）變頻器一般具有通訊功能，便于后期實(shí)施推廣數(shù)字化油田；

（7）經(jīng)測(cè)試單井有功節(jié)電率在4%~12%不等，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 單井節(jié)能測(cè)試數(shù)據(jù)

從表2的數(shù)據(jù)可以看出，使用變頻后，沖次普遍比工頻高，但電耗比工頻低，且無功消耗基本可以忽略，也側(cè)面說明了使用變頻器后，電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)得以提高。測(cè)試的數(shù)據(jù)沒有具體的產(chǎn)液量，并不嚴(yán)謹(jǐn)，但在測(cè)試時(shí)，同一口井的不同方式的測(cè)試是緊湊進(jìn)行的，井下液位變化可以忽略不計(jì)。

前面從便利性、節(jié)能、維護(hù)、投資等幾方面說明了使用變頻器的好處，通常使用變頻器，也有一些固有的弊端，如對(duì)電機(jī)絕緣的要求比普通電機(jī)高，長(zhǎng)期低速運(yùn)行時(shí)的散熱問題，電網(wǎng)側(cè)的5、7、11、13等次諧波高等，這些可以通過電機(jī)選型設(shè)計(jì)或者采取一些低成本的濾波措施得以減緩。

綜合來看，在油田推廣使用變頻器還是利大于弊的。

精彩對(duì)話

希望森蘭科技股份有限公司副總工程師任光法

自動(dòng)化博覽：希望森蘭能夠?yàn)槭突ば袠I(yè)提供哪些產(chǎn)品和解決方案？核心優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在哪里？

任光法：石油化工行業(yè)上下游橫跨了勘探設(shè)備、采油設(shè)備、管道輸送，到煉油廠、石化廠等諸多領(lǐng)域，應(yīng)該說凡是用到電機(jī)的地方，都可以應(yīng)用變頻器。我們都有相應(yīng)的產(chǎn)品可以提供，如管道輸送的高、低壓變頻器，化工場(chǎng)合的防爆產(chǎn)品、高可靠性長(zhǎng)壽命產(chǎn)品等。

希望森蘭從1995年開始自主研發(fā)，到1998年開始量產(chǎn)變頻器，歷經(jīng)20年持續(xù)不斷的積累，沉淀了技術(shù)，積累了豐富的市場(chǎng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，如今擁有不斷創(chuàng)新的服務(wù)體系和精益求精的產(chǎn)品品質(zhì)。未來，希望森蘭將堅(jiān)持以客戶為中心，更加貼近客戶，為客戶實(shí)現(xiàn)增值，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的全生命周期的管理。

自動(dòng)化博覽：您如何看待中國(guó)石油化工行業(yè)的未來發(fā)展前景？希望森蘭對(duì)此將如何布局？

任光法：石化行業(yè)與我們生活息息相關(guān)，衣食住行都離不開，相比于煤化工、生物質(zhì)，石油仍然頗具優(yōu)勢(shì)，個(gè)人認(rèn)為將有廣闊的發(fā)展全景。相信，未來的石化企業(yè)將不再是重污染企業(yè)的代表，而是向企業(yè)經(jīng)營(yíng)與社會(huì)和自然環(huán)境相協(xié)調(diào)的生態(tài)型發(fā)展。

國(guó)際原油價(jià)格從2014的幾近腰斬開始進(jìn)入低油價(jià)的“寒冬”，對(duì)國(guó)內(nèi)的油企來說，出現(xiàn)了價(jià)格倒掛，一些油田也采取了關(guān)停部分采油區(qū)的措施。即通過降低采油過程中能耗、物耗和人力消耗，從而降低成本。而變頻器以其節(jié)能降耗、工藝調(diào)速的特點(diǎn)，必將在石化行業(yè)的升級(jí)、轉(zhuǎn)型中發(fā)揮更大的作用。我們一直在努力拓展變頻器在石化行業(yè)的應(yīng)用，未來會(huì)更加關(guān)注細(xì)分市場(chǎng)。

摘自《自動(dòng)化博覽》2018年2月刊