交流變頻調(diào)速技術(shù)與油田節(jié)能

1、交流變頻調(diào)速技術(shù)與油田節(jié)能| 修改 交流變頻調(diào)速技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)和日 常生活中發(fā)揮著日益重要的作用，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)以及人們?nèi)粘Ｉ钪校@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，除其他相關(guān)技術(shù)問題需改進(jìn)外，交流變頻調(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(gè)特殊行業(yè)，有其獨(dú)特的背景，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)用應(yīng)以節(jié)能為第一目標(biāo)。油田中交流變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用主要集中在下述5個(gè)方面。 一 在游梁式抽油機(jī)控制中的應(yīng)用 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。一方面，游梁式抽油

2、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，勢必會(huì)對整個(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。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

3、等諸多問題。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。目前，對游梁式抽油機(jī)的交流變頻調(diào)速技術(shù)改造主要有以下3個(gè)方面：(1)以提高電網(wǎng)質(zhì)量，減小對電網(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(jī)工作過程對電網(wǎng)的影響。這種應(yīng)用在勝利油田臨盤采油廠

4、已提上應(yīng)用日程。(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)。為了節(jié)能，提高電動(dòng)機(jī)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)際應(yīng)用過程中出現(xiàn)了許多問題，主要集中在游梁式抽油機(jī)發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生能量的處理上。對于上述第一種情況，采用普通變頻器加能耗制動(dòng)單

5、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，對電網(wǎng)質(zhì)量影響較大。但在使用普通變頻器時(shí)，情況發(fā)生了變化。普通變頻器輸入是二極管整流，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，須用電阻就地消耗，這是必須使用能耗制動(dòng)單元的原因。對于上述第二、三種情況，必須妥善處理電動(dòng)機(jī)發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生的電能，將其反饋到電網(wǎng)，否則通過調(diào)節(jié)抽油機(jī)沖程節(jié)省的電能可能無法抵消變頻器制動(dòng)單元消耗的電能，造成變頻運(yùn)行時(shí)反

6、而耗能，與節(jié)能的目標(biāo)背道而馳。為解決這個(gè)問題，有必要對普通變頻器進(jìn)行改造，在結(jié)構(gòu)上引入雙PWM結(jié)構(gòu)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(yīng)控制、模糊控制等以適應(yīng)游梁式抽油機(jī)多變的工作環(huán)境。 二 在電潛泵控制中的應(yīng)用 油田中應(yīng)用較多的另一種采油設(shè)備是電潛泵，它是井下工作的多級(jí)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動(dòng)機(jī)，使電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)多級(jí)離心泵旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，把油井中的液體舉升到地面。由于電潛泵在地下兩千多米的井底工作，環(huán)境非常惡劣(高溫、強(qiáng)腐蝕等)，傳統(tǒng)供電方式全壓、工頻使它故障頻繁，運(yùn)行成本大增。一方面，電潛泵

7、在工頻啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流大，電動(dòng)機(jī)電纜壓降較大，使得啟動(dòng)過程中反壓較高，絕緣性能降低，每次開機(jī)都會(huì)使電潛泵壽命大打折扣，影響使用壽命。電潛泵損壞后提到地面上修理，僅工程費(fèi)一項(xiàng)就達(dá)5萬元，價(jià)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(gè)月就須維修一次，維修費(fèi)用約8萬元，成本較高。另一方面，電潛泵在正常工作時(shí)，普遍存在著電動(dòng)機(jī)負(fù)載率較低情況，“大馬拉小車”現(xiàn)象嚴(yán)重。潛油電泵功率因數(shù)較低，耗電量多，工頻工作時(shí)，始終在額定轉(zhuǎn)速下，如井下液量供不應(yīng)求，容易造成“死井”，則損失慘重。為解決該問題，電潛泵應(yīng)能根據(jù)地質(zhì)情況變化，調(diào)節(jié)抽油量。傳統(tǒng)調(diào)節(jié)方式是靠更換油嘴調(diào)節(jié)產(chǎn)量，既造成能量損失又不能精確

8、控制。有時(shí)使得電動(dòng)機(jī)與泵長期在高壓狀態(tài)下運(yùn)行；有時(shí)使得油井出沙嚴(yán)重，使設(shè)備壽命縮短，因而有必要引入交流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)油壓、調(diào)節(jié)產(chǎn)量。針對電潛泵特殊情況，成都佳靈電氣制造有限公司和山東風(fēng)光電子有限責(zé)任公司都有現(xiàn)成產(chǎn)品提供，并在勝利油田有一些應(yīng)用，取得了一定效果。對電潛泵井進(jìn)行變頻改造后，實(shí)現(xiàn)了電潛泵的軟啟動(dòng)、軟停車，有效保護(hù)了電潛泵與電纜；通過調(diào)節(jié)頻率可方便調(diào)節(jié)油壓，避免了電潛泵在高壓下長期運(yùn)行；延長了電潛泵壽命，節(jié)約了油井維修、維護(hù)費(fèi)用，使電泵機(jī)組在最佳工況下運(yùn)行，大大提高了電潛泵采油系統(tǒng)的效率。同時(shí)，提高功率因數(shù)，提高電網(wǎng)供電能力，節(jié)電效果明顯。大面積推廣電潛泵變頻技術(shù)改造，將帶來良

9、好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。應(yīng)用中也暴露出一些問題，一方面，因是新產(chǎn)品，在產(chǎn)品軟硬件設(shè)計(jì)和設(shè)備配套上有一些不足，這時(shí)就要將新的控制方法引入到實(shí)際應(yīng)用中去發(fā)展變化適應(yīng)多變的工作環(huán)境，提高配套產(chǎn)品質(zhì)量；另一方面，控制系統(tǒng)一次性投資較高，有的甚至高于電潛泵投資，只有進(jìn)一步降低成本，才能促進(jìn)交流變頻調(diào)速控制技術(shù)在電潛泵中的應(yīng)用。 三 在注水泵控制中的應(yīng)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(jìn)行油田開發(fā)。一方面，注水壓力高低是決定油田合理開發(fā)和地面管線及設(shè)備狀態(tài)的重要參數(shù)?？紤]到后期開發(fā)注水井的增多，注水工藝設(shè)計(jì)和機(jī)電設(shè)備配置都比實(shí)際寬裕，加之地質(zhì)情況的變化，開關(guān)井?dāng)?shù)的增減，洗井及供水

10、不足的影響，經(jīng)常引起注水壓力的波動(dòng)，注水量不均勻，不穩(wěn)定。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(chǔ)油地層壓力及油氣水分布不斷發(fā)生變化，其數(shù)值很難準(zhǔn)確預(yù)測和控制，考慮到油田開發(fā)中的需要，在工藝和機(jī)電設(shè)備配置上都按照油田最大可能需求設(shè)計(jì)，這點(diǎn)在注水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中尤為突出。油田注水設(shè)備多采用高壓離心泵匹配高壓電動(dòng)機(jī)，大功率系統(tǒng)運(yùn)行常是“大馬拉小車”，效率低下。注水壓力靠泵出口閘門手動(dòng)控制，即靠改變管網(wǎng)特性曲線來調(diào)節(jié)泵的排量，泵、電動(dòng)機(jī)匹配難以達(dá)到在泵的最佳工況點(diǎn)運(yùn)行，管網(wǎng)效率低，電能損失高達(dá)50%以上。正是從恒壓注水和節(jié)能兩個(gè)方面考慮，在油田注水系統(tǒng)

11、中引入變頻控制。目前變頻調(diào)速技術(shù)在注水系統(tǒng)中主要應(yīng)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(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，對注水設(shè)備的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到穩(wěn)壓、穩(wěn)流供注水。同時(shí)軟起軟停功能代替減壓啟動(dòng)，使電動(dòng)機(jī)起停平穩(wěn)，減少對電網(wǎng)和機(jī)械設(shè)備的沖擊，不會(huì)造成管網(wǎng)壓力、流量、流速劇烈變化，無需閥門截流，因此對防止汽蝕、水擊、喘振極為有利，可延長管網(wǎng)、泵、閥門維修周期和使用壽命。注水泵變頻改造中涉及品牌較多，進(jìn)口品牌有ABB、A-B、三菱、東芝、富士、西門子等，國產(chǎn)品牌有佳靈、安圣等，在該領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)已較成熟。 四 在油氣集輸控制中的應(yīng)用 在油田生產(chǎn)中，與注水泵類似，輸油泵額定排量往往大于實(shí)

12、際需要排量，出現(xiàn)“大馬拉小車”現(xiàn)象。一方面，如完全采用閥門調(diào)節(jié)輸油量，一旦油量變化較快，輸油閥門調(diào)節(jié)頻繁，增加了工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度且所需人員也較多。若閥門調(diào)節(jié)不當(dāng)，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(fèi)。另一方面，為保證輸出油量恒定，需保證管壓恒定，閥門開度直接影響到管壓。如使用變頻調(diào)速器，可徹底解決該問題。它通過減小電動(dòng)機(jī)電源頻率實(shí)現(xiàn)降低電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)泵運(yùn)行，轉(zhuǎn)速降低，對于柱塞泵，就是降低了柱塞運(yùn)行頻率，減小泵實(shí)際排量；對于離心泵，降低了葉輪轉(zhuǎn)速，同樣降低泵排量。因此，當(dāng)需排量變化時(shí)，可通過調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率，達(dá)到控制排量的目的，保證管壓恒定。泵排量降低，電動(dòng)機(jī)

13、負(fù)荷也隨之減小，這樣電動(dòng)機(jī)輸出功率亦減小，效率可大大提高，達(dá)到節(jié)能目的。 五 在電驅(qū)鉆機(jī)中的應(yīng)用 由于石油特殊行業(yè)背景，決定了石油鉆機(jī)有其本身特點(diǎn)。整個(gè)鉆井過程的復(fù)雜性決定了電動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)的復(fù)雜性和多樣性。當(dāng)前常用機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)按其驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)類型分為直流傳動(dòng)和交流傳動(dòng)兩大類，目前發(fā)展為SCR傳動(dòng)系統(tǒng)和交流變頻傳動(dòng)系統(tǒng)。SCR電傳動(dòng)系統(tǒng)是柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)交流發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電通過SCR整流裝置，將交流電變換為可控的直流電控制直流電動(dòng)機(jī)，由直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)絞車、轉(zhuǎn)盤及泥漿泵等；交流變頻傳動(dòng)系統(tǒng)是柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)交流發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電通過變頻裝置，將交流電變換為可大范圍調(diào)整頻率的交流電，控制交流變頻

14、電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)絞車、轉(zhuǎn)盤及鉆井泵等。一方面，交流變頻電傳動(dòng)鉆機(jī)的絞車、轉(zhuǎn)盤可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍寬，這樣不僅可去掉絞車、轉(zhuǎn)盤內(nèi)變速系統(tǒng)，且使絞車結(jié)構(gòu)簡化、質(zhì)量減輕、體積縮小，為工程作業(yè)提供非常優(yōu)越的施工條件。另一方面，交流變頻電傳動(dòng)鉆機(jī)可使電動(dòng)機(jī)短時(shí)過載倍數(shù)達(dá)2倍以上，提高了鉆機(jī)提升和處理事故能力，尤其是在帶負(fù)載情況下，可平穩(wěn)啟動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速，具有軟啟動(dòng)性能，可降低供電電源容量；可采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)，便于對現(xiàn)場情況的監(jiān)控現(xiàn)控制；對于交流變頻電傳動(dòng)鉆機(jī)鉆井泵排量、沖數(shù)、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)數(shù)、扭矩等參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)全數(shù)字顯示，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)的自動(dòng)化、智能化和對外界變化的自適應(yīng)控制。與SCR直流傳動(dòng)系統(tǒng)相比，交流變頻

15、電傳動(dòng)鉆機(jī)具有能耗制動(dòng)功能，可實(shí)現(xiàn)輔助剎車；可簡化掉絞車、轉(zhuǎn)盤內(nèi)變速系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速；具有輔助剎車功能，采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)主電動(dòng)機(jī)自動(dòng)送鉆。交流電動(dòng)機(jī)沒有碳刷換向器，維護(hù)費(fèi)用低，使用安全可靠，易于操作管理，具有安全保護(hù)功能，可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的免維護(hù)運(yùn)行；負(fù)載功率因數(shù)高，能耗低、傳動(dòng)效率高。綜上所述，由于交流電動(dòng)機(jī)自身優(yōu)點(diǎn)，使得交流變頻電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)無需再配電磁輔助剎車、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送鉆、鉆機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、效率高、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等，自產(chǎn)生以來在國內(nèi)得到一定發(fā)展。但是，當(dāng)前情況下，各油田應(yīng)用的鉆機(jī)以直流驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)為主，且鉆機(jī)品種和質(zhì)量基本滿足了國內(nèi)不同地區(qū)、不同井深的需要。已有一批國產(chǎn)鉆機(jī)在國外承擔(dān)鉆

16、井作業(yè)服務(wù)，并受到用戶好評(píng)。而在交流鉆機(jī)方面，僅有長慶石油勘探局ZJ15DB型鉆機(jī)、四川石油管理局ZJ40DBS鉆機(jī)等少量機(jī)型應(yīng)用了交流變頻電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并在應(yīng)用過程中受到了鉆井隊(duì)工程技術(shù)人員和設(shè)備管理人員的好評(píng)。但其交流變頻功能并沒能完全開發(fā)，因而有廣泛的應(yīng)用前景。在國內(nèi)，交流鉆機(jī)正成為研究熱點(diǎn)，許多單位和科研院所將其作為重點(diǎn)開發(fā)產(chǎn)品?？傊?，交流變頻調(diào)速技術(shù)作為高新技術(shù)、基礎(chǔ)技術(shù)和電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)，其應(yīng)用已滲透到石油行業(yè)各個(gè)技術(shù)部門。在游梁式抽油機(jī)控制、電潛泵控制和電驅(qū)鉆機(jī)控制中的應(yīng)用還處于開始階段，在應(yīng)用中也出現(xiàn)了許多問題，有待進(jìn)一步解決。只有充分考慮油田油井實(shí)際情況，才能促進(jìn)交流變頻調(diào)速技術(shù)在采油設(shè)備中的應(yīng)用。在油田注水和油氣集輸中的應(yīng)用與生活中的恒壓供水類似，其