抽油機(jī)結(jié)構(gòu)圖

1、1  引言    石油化工行業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)行業(yè)，同時也是耗能大戶。目前，我國石油化工行業(yè)中抽油機(jī)的保有量在10萬臺以上，電動機(jī)裝機(jī)總?cè)萘吭?500MW，每年耗電量逾百億kW·h。抽油機(jī)的運(yùn)行效率特別低，在我國平均效率為25.96，而國外平均水平為30.05，年節(jié)能潛力可達(dá)幾十億kW·h。我國的油田不像中東的油田那樣有很強(qiáng)的自噴能力，多為低滲透的低能、低產(chǎn)油田，大部分油田要靠注水壓油入井，再用抽油機(jī)把油從地層中提升上來。以水換油或者以電換油是我國油田的現(xiàn)實(shí)，因而，電費(fèi)在我國的石油開采成本中占了相當(dāng)大的比例，所以，石油行業(yè)十分重視

2、節(jié)約電能。多年來，各采油廠一直在抽油機(jī)節(jié)能的問題上下功夫，近幾年的實(shí)踐證明，變頻調(diào)速是最理想的高效調(diào)速節(jié)電技術(shù)。在油田生產(chǎn)中，應(yīng)用變頻技術(shù)，一是改造“大馬拉小車”設(shè)備，適應(yīng)變工況運(yùn)行，二是生產(chǎn)工藝自動化的需要，作為閉環(huán)系統(tǒng)中理想的執(zhí)行器。因?yàn)橛吞锷a(chǎn)的特殊性，選用變頻器常重點(diǎn)考慮操作簡單化，運(yùn)行的安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性，出現(xiàn)故障后系統(tǒng)處理的靈活性。變頻技術(shù)的發(fā)展日新月異，在油田生產(chǎn)中也由過去的簡單應(yīng)用發(fā)展到系統(tǒng)集成，自動控制。所以，我們面臨的問題是怎樣做到變頻、電機(jī)、負(fù)載整個系統(tǒng)應(yīng)用最優(yōu)化，節(jié)電效益最大化。  2  抽油機(jī)介紹及相關(guān)功能需求   

3、; 抽油機(jī)(俗稱叩頭機(jī))是石油開采中的必備設(shè)備。一般，每個原油生產(chǎn)井都至少使用一臺抽油機(jī)，將深藏在地下(或海水中)的石油通過抽油管抽出。圖1給出了抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)圖。抽油機(jī)的每個工作循環(huán)可分為上提抽油桿，下放抽油桿，從上提抽油桿轉(zhuǎn)換為下放抽油桿，從下放抽油桿轉(zhuǎn)換為上提抽油桿四個階段。   圖1     抽油機(jī)結(jié)構(gòu)圖圖1中: 1底座; 2支架; 3懸繩器; 4驢頭; 5游梁; 6橫梁軸承座; 7橫梁; 8連桿; 9曲柄銷裝置; 10曲柄裝置; 11減速器; 12剎車保險裝置;  1

4、3剎車裝置;14電動機(jī);15配電箱。     抽油機(jī)的負(fù)荷電流曲線如圖2所示。顯然抽油機(jī)的負(fù)載為一周期性變化的負(fù)載。抽油機(jī)由于其特殊的運(yùn)行要求，所匹配的拖動裝置必須同時滿足三個最大的要求，即最大沖程，最大沖次，最大允許掛重。另外，還須具有足夠的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，以克服抽油機(jī)啟動時嚴(yán)重的靜態(tài)不平衡。因此，往往抽油機(jī)在設(shè)計(jì)時確定的安裝容量裕度較大。圖2     抽油機(jī)負(fù)荷曲線圖     抽油機(jī)是油田用電的主要設(shè)備之一，它的動作原理是由交流電動機(jī)恒速運(yùn)轉(zhuǎn)拖動抽油泵，沿著重力作用方向進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動，從而把原油從數(shù)

5、百至數(shù)千米的井下抽到地面。分析其負(fù)載特性可知其慣量較大，而不同的油井的粘度大小又很不同，當(dāng)油的粘度較大時，泵的效率也變低，往往啟動也很困難。該負(fù)載又是周期負(fù)載，上升、下降行程負(fù)載性質(zhì)亦不同，下降時尚帶有位勢負(fù)載性質(zhì)。為適應(yīng)這些復(fù)雜的工況，抽油機(jī)的配置及其實(shí)際工作狀態(tài)往往只能是大馬拉小車。當(dāng)油井的地下滲透能力小于抽油機(jī)的泵排量時(絕大多數(shù)油井如此)，為了提高抽吸效率，降低單位產(chǎn)量的能耗指標(biāo)，最直接的辦法是實(shí)行間抽。但是大多數(shù)的油井是不允許間歇性工作的，因?yàn)槿绻L時間停機(jī)的話，輕則會影響產(chǎn)油量，重則會使油井無法再開啟。這是因?yàn)楹灹扛呋蚝}量高以及油的粘稠度高，且地處高寒地區(qū)的油井，如果間歇工作，

6、會造成井口結(jié)蠟、結(jié)鹽或結(jié)油的后果，使油井無法再開啟;對于注水油井，如果停止抽取，勢必會影響產(chǎn)油量，這將是得不償失的事，對于這類油井，就要采用其它的節(jié)能方法。為了使抽油泵的排量與油井的滲透能力相適應(yīng)，可以通過改變抽油機(jī)的電動機(jī)轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)。抽油泵是一種柱塞泵，對電動機(jī)來講是一種恒轉(zhuǎn)矩性的負(fù)載，也即電動機(jī)的電功率與其轉(zhuǎn)速成正比。抽油機(jī)電機(jī)的負(fù)荷是一周期性脈動負(fù)荷,并迭加有瞬間的沖擊。抽油機(jī)電機(jī)的負(fù)荷曲線上有兩個峰值,分別為抽油機(jī)上下沖程的“死點(diǎn)”。抽油機(jī)自由停車后再啟動時，總是從死點(diǎn)處啟動,因此抽油機(jī)電機(jī)要求啟動轉(zhuǎn)矩大。為了保證足夠大的啟動轉(zhuǎn)矩,抽油機(jī)電機(jī)正常運(yùn)行時負(fù)荷率很低,一般在20%左右,負(fù)荷

7、率高的也不過30%。低負(fù)荷率運(yùn)行造成功率因數(shù)低,效率低,電能浪費(fèi)大。因此，在設(shè)計(jì)選配抽油機(jī)電機(jī)時，普遍的做法是令其抽取量大于實(shí)際負(fù)荷。它所帶來的新問題是當(dāng)抽油機(jī)排量過剩時，抽油機(jī)的運(yùn)行會出現(xiàn)無功抽取，出現(xiàn)空抽或泵空狀態(tài)，伴隨泵空還會產(chǎn)生井噴、氣鎖等事故，而井噴、氣鎖又是導(dǎo)致鉆具組、泵裝置甚至地面設(shè)備損壞的主要原因。另外，由于過度的不間斷運(yùn)行，機(jī)械設(shè)備的損耗也相應(yīng)上升，造成傳統(tǒng)抽油機(jī)成本高，噪音大，運(yùn)行可靠性低。有效控制泵空是亟待研究的課題。抽油機(jī)是油田耗能大戶，用電量約占油田總用電量的40，其總體效率很低，據(jù)調(diào)查一般在30左右，過剩的抽油能力令抽油機(jī)的無功抽取時間增加，造成油井開采的電費(fèi)成本居

8、高不下，能源浪費(fèi)十分嚴(yán)重。因此，抽油機(jī)的節(jié)能潛力非?？捎^。 3  抽油機(jī)采用倫茨變頻調(diào)速系統(tǒng)后性能分析    近年來，市場上直接針對抽油機(jī)的節(jié)電技術(shù)主要有兩大類:一是開發(fā)不同類型的抽油機(jī)節(jié)能電機(jī)，如超高轉(zhuǎn)差率電動機(jī)、三相永磁同步電機(jī)、高啟動轉(zhuǎn)矩雙定子結(jié)構(gòu)電機(jī)和電磁調(diào)速電機(jī)等。但由于資金投入太大，在許多油田用節(jié)能電機(jī)取代普通異步電機(jī)尚無法全面推廣。二是使用節(jié)能配電箱，其中包括定子繞組Y-轉(zhuǎn)換調(diào)壓和電容器動態(tài)無功補(bǔ)償及靜態(tài)無功補(bǔ)償?shù)取２捎酶淖兌ㄗ永@組的接法可以改變電機(jī)電壓，但電機(jī)只能得到固定電壓，節(jié)電效果并不理想。雖然有些裝置采用雙向晶閘管實(shí)現(xiàn)定子電壓隨負(fù)載

9、變化連續(xù)調(diào)節(jié)，節(jié)電效果較好，但是電源電流波形發(fā)生畸變，電網(wǎng)諧波污染嚴(yán)重，不宜大面積長期使用。而采用變頻調(diào)速控制，則可以改變抽油機(jī)長期處于低效做功的狀態(tài)，使其工作方式與油井實(shí)際負(fù)荷相匹配，保證每次都抽油，減少低效甚至無效抽取，從而降低電費(fèi)開支，減少維護(hù)成本，提高運(yùn)行效率，圖3為過去抽油機(jī)的控制方案。 圖3     過去抽油機(jī)的控制方案     在抽油機(jī)采用倫茨變頻調(diào)速技術(shù)后，有如下幾個方面的顯著效果:(1) 變頻器具有軟起動功能起動時電流較小，對電網(wǎng)沖擊小，起動時能耗大為降低。避免了啟動時的相當(dāng)于37倍的額定電流，避免了不必要

10、的電能損耗。耗同時減少了對電動機(jī)，變速箱，抽油機(jī)等大機(jī)械的沖擊，延長了相關(guān)設(shè)備的使用壽命。在工作中電機(jī)的功率因數(shù)可從0.20.5提高到0.9，減輕電網(wǎng)和變壓器的負(fù)擔(dān)， 降低線損，大量減少了無功損耗;(2) 引進(jìn)變頻器控制可實(shí)現(xiàn)設(shè)備上，下行程自動識別從而控制抽油機(jī)上、下行程的電機(jī)運(yùn)行頻率分別可調(diào)，以改變抽油機(jī)上、下行程的運(yùn)行速度。亦可對變頻器能耗制動進(jìn)行準(zhǔn)確控制，以使變頻器更適應(yīng)該運(yùn)行工況。加上抽油機(jī)沖次的任意調(diào)節(jié)，可使用抽油機(jī)的抽汲參數(shù)對不同油井而言更趨合理，當(dāng)調(diào)節(jié)適當(dāng)時，可提高泵的充滿系數(shù)，減少泵的漏失，從而提高泵效達(dá)到增產(chǎn)目的。沖次的任意調(diào)節(jié)，可不停機(jī)調(diào)節(jié)產(chǎn)量，解決了因更換皮帶輪調(diào)速造成的

11、停產(chǎn)，從而提高了生產(chǎn)效率。同時達(dá)到滿足泵效的情況下耗用最少的電能; (3) 由于抽油機(jī)下行時負(fù)載性質(zhì)為位勢負(fù)載，變頻器加裝能耗制動功能后恰能適應(yīng)其工況。對于改變抽油機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)最佳工作狀態(tài)帶來很大方便。在現(xiàn)場應(yīng)用中感覺到，上行速度慢于下行速度的工作方式往往較為理想，在提高了泵的充滿系數(shù)的同時也提高了泵效，從而提高了采油量。分段轉(zhuǎn)速控制，通過變頻器對抽油機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，根據(jù)抽油機(jī)的特殊工況，把轉(zhuǎn)速控制細(xì)化為上沖程轉(zhuǎn)速和下沖程轉(zhuǎn)速控制，在上沖程時電機(jī)工作在50Hz以上，提高轉(zhuǎn)速，下沖程電機(jī)工作在2030Hz減小轉(zhuǎn)速，從而降低漏失，提高泵效; (4) 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)

12、:油井的供油狀況不是保持不變的，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)行勢必造成電能浪費(fèi)。另一方面，油田抽油機(jī)為克服大的起動轉(zhuǎn)矩，采用的電動機(jī)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際所需功率，工作時電動機(jī)利用率一般為20%30%，最高不會超過50%，電動機(jī)常處于輕載狀態(tài)，造成巨大的電能浪費(fèi)。若應(yīng)用高效回饋型制動單元，結(jié)合倫茨變頻器實(shí)現(xiàn)“變頻+回饋”的完美節(jié)能增效控制方式，相比將抽油機(jī)發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生能量用電阻就地消耗，通常能夠?qū)装紫牡亩啻?0%的電能回饋電網(wǎng)，在提高泵效的同時，達(dá)到最佳節(jié)能效果。 4  倫茨變頻器具體特應(yīng)用和參數(shù)設(shè)置    隨著現(xiàn)代電力電子技

13、術(shù)的發(fā)展，倫茨變頻器已是十分成熟的電氣產(chǎn)品，并且其價格也已經(jīng)大幅度下降，在抽油機(jī)上大量推廣變頻調(diào)速節(jié)能改造已經(jīng)成為可能。 圖4     采用公用直流母線的多變頻器系統(tǒng)主回路    目前，在國內(nèi)的油田所采用的抽油設(shè)備中，采用變頻調(diào)速進(jìn)行控制的節(jié)能效果十分可觀。主電路如圖4所示。倫茨(Lenze)公司是歐洲率先將變頻技術(shù)應(yīng)用于交流調(diào)速系統(tǒng)開發(fā)的廠家，并于20世紀(jì)90年代建成了歐洲第一條全自動化變頻器生產(chǎn)線。在變頻器及其他所有產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造過程中，倫茨始終遵循通用性、開放性、靈活性兼?zhèn)涞脑瓌t。完整的產(chǎn)品體系，合理的等級搭配，以及

14、強(qiáng)大的普適性使倫茨變頻器廣泛應(yīng)用于石油化工行業(yè)的各種機(jī)械。倫茨系列變頻器卓越的品質(zhì)，眾多的功能，緊湊的設(shè)計(jì)，簡易的操作安裝，代表了當(dāng)代變頻器發(fā)展新潮流。卓越的性能首先表現(xiàn)在轉(zhuǎn)矩特征曲線中。倫茨系列變頻器可提供2倍額定轉(zhuǎn)矩、1.5倍額定電流。根據(jù)拖動與再生運(yùn)動狀態(tài)極限電流的分別設(shè)定，給出每個操作點(diǎn)的制動保護(hù)。因此驅(qū)動系統(tǒng)可承受大負(fù)荷并可提供高動態(tài)性能。在550Hz的頻率范圍內(nèi)，在無速度傳感器方式下，速度控制精度可高達(dá)1%以內(nèi)。兩套參數(shù)集可通過端子切換以適應(yīng)不同工藝要求，每套參數(shù)集可提供4個頻率段，先進(jìn)的FTC控制方式，可在任意頻率下無需制動單元進(jìn)行直流制動，內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器、皮帶監(jiān)控(V020版本)。如圖5所示，變頻器的參數(shù)見附表。某油田采用倫茨55kW變頻器一次改造128眼油井，收到了良好的節(jié)電、增產(chǎn)的雙重效果，其它油田應(yīng)用效果亦較理想。根據(jù)以往實(shí)例，節(jié)能均在20%以上，并獲得不同程度的增產(chǎn)。  圖5    符合EMC標(biāo)準(zhǔn)的控制回路圖  附表   抽油機(jī)變頻器主要參數(shù)設(shè)定表  5  結(jié)束語    由于應(yīng)用了正確的變頻調(diào)速系統(tǒng)，使抽油機(jī)動態(tài)適應(yīng)油井負(fù)荷變化，也可方便地進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)。配以流量、載荷等傳感器，可實(shí)現(xiàn)最經(jīng)濟(jì)的控制。同時其軟起動性能好，對延長抽油機(jī)壽命，