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案例頻道1． 前言
變頻器從上個(gè)世紀(jì)80年代在中國推出以后，在國民經(jīng)濟(jì)和日常生活中發(fā)揮著日益重要作用，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)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(yīng)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(guān)的技術(shù)問題需要改進(jìn)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(gè)特殊行業(yè)，有其獨(dú)特的背景，在油田中以風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載為主，因而決定了變頻器在油田中的應(yīng)用，以節(jié)能為第一目標(biāo)。油田中變頻器的應(yīng)用主要集中在游梁式抽油機(jī)控制、潛泵控制、注水井控制和油氣集輸控制等幾個(gè)場(chǎng)合。下面從這個(gè)方面對(duì)變頻器在油田中應(yīng)用情況進(jìn)行簡(jiǎn)單的說明。
變頻器從上個(gè)世紀(jì)80年代在中國推出以后，在國民經(jīng)濟(jì)和日常生活中發(fā)揮著日益重要作用，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)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(yīng)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(guān)的技術(shù)問題需要改進(jìn)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(gè)特殊行業(yè)，有其獨(dú)特的背景，在油田中以風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載為主，因而決定了變頻器在油田中的應(yīng)用，以節(jié)能為第一目標(biāo)。油田中變頻器的應(yīng)用主要集中在游梁式抽油機(jī)控制、潛泵控制、注水井控制和油氣集輸控制等幾個(gè)場(chǎng)合。下面從這個(gè)方面對(duì)變頻器在油田中應(yīng)用情況進(jìn)行簡(jiǎn)單的說明。
2 變頻器在游梁式抽油機(jī)控制中的應(yīng)用
目前，在陜北、甘肅和寧夏等地，油田采用的抽油設(shè)備中，有一部分為游梁式抽油機(jī)，數(shù)量也比較多。一方面，游梁式抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)為反復(fù)地上下提升，一個(gè)沖程提升一次，其動(dòng)力來自于電動(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)，類似于杠桿的作用，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，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速一定，在滑塊下降過程中，負(fù)荷減輕，電機(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)致電機(jī)進(jìn)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，這樣會(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，為了不被供電企業(yè)罰款的危險(xiǎn);頻繁的高壓沖擊會(huì)損壞電機(jī)，對(duì)電動(dòng)機(jī)沒有可靠的保護(hù)功能，一旦電機(jī)損害，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)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。另一方面，游梁式抽油機(jī)引入兩個(gè)大質(zhì)量的鋼質(zhì)滑塊，導(dǎo)致抽油機(jī)的起動(dòng)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(shè)備有其自有的運(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，保證較高的產(chǎn)油量;在中、后期，由于石油儲(chǔ)量減少，易造成供液不足，電機(jī)若仍工頻運(yùn)行，勢(shì)必浪費(fèi)電能，造成不必要的損耗，這時(shí)須考慮實(shí)際工作情況，適當(dāng)降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，減少?zèng)_程，有效提高充盈率。為了解決上述問題，可將變頻技術(shù)引入到游梁式抽油機(jī)控制中去。根據(jù)電機(jī)理論可知，其轉(zhuǎn)速公式為:
其中:p為電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)，s為轉(zhuǎn)差率，f為供電電源頻率，n為電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。從式可以看出，電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速，從而可以連續(xù)地改變提油機(jī)的抽油速度。根據(jù)電動(dòng)機(jī)工作電流的大小確定電動(dòng)機(jī)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(jī)的沖程，達(dá)到節(jié)能和提高電網(wǎng)功率因數(shù)的目的。同時(shí)變頻調(diào)速器具有低速軟啟動(dòng)，轉(zhuǎn)速可以平滑地大范圍調(diào)節(jié)，對(duì)電動(dòng)機(jī)保護(hù)功能齊全，如短路、過載、過壓、欠壓及失速等，可有效地保護(hù)電機(jī)及機(jī)械設(shè)備，保證設(shè)備在安全的電壓下工作，具有運(yùn)行平穩(wěn)、可靠，提高功率因數(shù)等諸多優(yōu)點(diǎn)，是采油設(shè)備改造的理想方案。
目前，對(duì)此抽油機(jī)的變頻器改造主要有以下幾個(gè)方面:
(1) 以提高電網(wǎng)質(zhì)量，減小對(duì)電網(wǎng)影響為目標(biāo)的變頻改造。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(jī)工作過程對(duì)電網(wǎng)的影響。這種應(yīng)用在勝利油田的臨盤采油廠已經(jīng)提上應(yīng)用日程。
(2) 以節(jié)能為第一目標(biāo)的變頻改造。這一點(diǎn)比較普遍，一方面，油田的抽油機(jī)為了克服大的起動(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)的利用率一般在20%-30%之間，最高不會(huì)超過50%，電動(dòng)機(jī)常常處于輕載狀態(tài)，造成了電動(dòng)機(jī)資源的浪費(fèi)。另一方面，抽油機(jī)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(yùn)行，勢(shì)必也會(huì)造成電能的浪費(fèi)。為了節(jié)能，提高電動(dòng)機(jī)的工作效率，需進(jìn)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(diǎn)，是應(yīng)用中的一個(gè)重要發(fā)展方向。
在實(shí)際的應(yīng)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(jī)的發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生的能量的處理上。對(duì)于第一種情況，采用普通變頻器加能耗制動(dòng)單元可比較方便的實(shí)現(xiàn)，這是以多耗電能為代價(jià)的。
這主要是因?yàn)榘l(fā)電能量不能回饋電網(wǎng)造成的。在未采用變頻器時(shí)，電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)吸收電能(電表正轉(zhuǎn));電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，電動(dòng)機(jī)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(shè)備上耗費(fèi)掉。綜合表現(xiàn)為抽油機(jī)的供電系統(tǒng)的功率因數(shù)較低，對(duì)電網(wǎng)質(zhì)量影響較大。但是在使用普通變頻器時(shí)，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(dòng)。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(dòng)單元的原因。對(duì)于第二種情況和第三種情況，必須妥善的處理電動(dòng)機(jī)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(jī)的沖程節(jié)省的電能可能不能抵消變頻器制動(dòng)單元消耗的電能，造成變頻運(yùn)行時(shí)反而耗能，與節(jié)能的目標(biāo)背道而馳。在控制方法引入自適應(yīng)控制以適應(yīng)游梁式抽油機(jī)多變的工作環(huán)境。
目前，在陜北、甘肅和寧夏等地，油田采用的抽油設(shè)備中，有一部分為游梁式抽油機(jī)，數(shù)量也比較多。一方面，游梁式抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)為反復(fù)地上下提升，一個(gè)沖程提升一次，其動(dòng)力來自于電動(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)，類似于杠桿的作用，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，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速一定，在滑塊下降過程中，負(fù)荷減輕，電機(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)致電機(jī)進(jìn)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，這樣會(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，為了不被供電企業(yè)罰款的危險(xiǎn);頻繁的高壓沖擊會(huì)損壞電機(jī)，對(duì)電動(dòng)機(jī)沒有可靠的保護(hù)功能，一旦電機(jī)損害，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)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。另一方面，游梁式抽油機(jī)引入兩個(gè)大質(zhì)量的鋼質(zhì)滑塊，導(dǎo)致抽油機(jī)的起動(dòng)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(shè)備有其自有的運(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，保證較高的產(chǎn)油量;在中、后期，由于石油儲(chǔ)量減少，易造成供液不足，電機(jī)若仍工頻運(yùn)行，勢(shì)必浪費(fèi)電能，造成不必要的損耗，這時(shí)須考慮實(shí)際工作情況，適當(dāng)降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，減少?zèng)_程，有效提高充盈率。為了解決上述問題，可將變頻技術(shù)引入到游梁式抽油機(jī)控制中去。根據(jù)電機(jī)理論可知，其轉(zhuǎn)速公式為:
其中:p為電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)，s為轉(zhuǎn)差率，f為供電電源頻率，n為電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。從式可以看出，電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速，從而可以連續(xù)地改變提油機(jī)的抽油速度。根據(jù)電動(dòng)機(jī)工作電流的大小確定電動(dòng)機(jī)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(jī)的沖程，達(dá)到節(jié)能和提高電網(wǎng)功率因數(shù)的目的。同時(shí)變頻調(diào)速器具有低速軟啟動(dòng)，轉(zhuǎn)速可以平滑地大范圍調(diào)節(jié)，對(duì)電動(dòng)機(jī)保護(hù)功能齊全，如短路、過載、過壓、欠壓及失速等，可有效地保護(hù)電機(jī)及機(jī)械設(shè)備，保證設(shè)備在安全的電壓下工作，具有運(yùn)行平穩(wěn)、可靠，提高功率因數(shù)等諸多優(yōu)點(diǎn)，是采油設(shè)備改造的理想方案。
目前，對(duì)此抽油機(jī)的變頻器改造主要有以下幾個(gè)方面:
(1) 以提高電網(wǎng)質(zhì)量，減小對(duì)電網(wǎng)影響為目標(biāo)的變頻改造。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(jī)工作過程對(duì)電網(wǎng)的影響。這種應(yīng)用在勝利油田的臨盤采油廠已經(jīng)提上應(yīng)用日程。
(2) 以節(jié)能為第一目標(biāo)的變頻改造。這一點(diǎn)比較普遍，一方面，油田的抽油機(jī)為了克服大的起動(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)的利用率一般在20%-30%之間，最高不會(huì)超過50%，電動(dòng)機(jī)常常處于輕載狀態(tài)，造成了電動(dòng)機(jī)資源的浪費(fèi)。另一方面，抽油機(jī)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(yùn)行，勢(shì)必也會(huì)造成電能的浪費(fèi)。為了節(jié)能，提高電動(dòng)機(jī)的工作效率，需進(jìn)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(diǎn)，是應(yīng)用中的一個(gè)重要發(fā)展方向。
在實(shí)際的應(yīng)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(jī)的發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生的能量的處理上。對(duì)于第一種情況，采用普通變頻器加能耗制動(dòng)單元可比較方便的實(shí)現(xiàn)，這是以多耗電能為代價(jià)的。
這主要是因?yàn)榘l(fā)電能量不能回饋電網(wǎng)造成的。在未采用變頻器時(shí)，電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)吸收電能(電表正轉(zhuǎn));電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，電動(dòng)機(jī)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(shè)備上耗費(fèi)掉。綜合表現(xiàn)為抽油機(jī)的供電系統(tǒng)的功率因數(shù)較低，對(duì)電網(wǎng)質(zhì)量影響較大。但是在使用普通變頻器時(shí)，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(dòng)。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(dòng)單元的原因。對(duì)于第二種情況和第三種情況，必須妥善的處理電動(dòng)機(jī)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(jī)的沖程節(jié)省的電能可能不能抵消變頻器制動(dòng)單元消耗的電能，造成變頻運(yùn)行時(shí)反而耗能，與節(jié)能的目標(biāo)背道而馳。在控制方法引入自適應(yīng)控制以適應(yīng)游梁式抽油機(jī)多變的工作環(huán)境。
目前我公司已在陜北、甘肅和寧夏等地油田上成功的將變頻器應(yīng)用在此設(shè)備上，得到很好的使用效果。
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)