淺論變頻節(jié)能系統(tǒng)在油田的應(yīng)用

王石磊

(特變電工新疆新能源股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830011)

一 引言

1.新疆油田用電狀況

目前，在我國(guó)油田抽油設(shè)備中，以游梁式磕頭抽油機(jī)應(yīng)用最為普遍，數(shù)量也最多。但是，傳統(tǒng)的磕頭機(jī)普遍存在著起動(dòng)沖擊大，運(yùn)行耗電多，大馬拉小車、效率低下等諸多問(wèn)題，加之油井情況復(fù)雜，稠油、結(jié)蠟、沙卡現(xiàn)象較多，斷桿、燒電機(jī)等現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，對(duì)電動(dòng)機(jī)沒(méi)有可靠的保護(hù)功能，設(shè)備維修量大，同時(shí)，油田采油機(jī)屬于單回路供電，無(wú)備用電源。為此，急需對(duì)現(xiàn)有的抽油機(jī)設(shè)備進(jìn)行改造。

目前新疆很多油田多為低滲透的低能、低產(chǎn)性為主。在油田企業(yè)開(kāi)采過(guò)程中主要消耗的能源為水，電，因此，電費(fèi)在石油開(kāi)采成本中占了相當(dāng)大的比例，比重占據(jù)了整個(gè)開(kāi)支的30%～40%，因此高能耗成了油田企業(yè)很大的負(fù)擔(dān)。

近年來(lái)，新疆油區(qū)大部分油田已經(jīng)進(jìn)入了開(kāi)發(fā)后期，開(kāi)發(fā)深度和難度也隨之俱增，油田供液能力明顯不足，再加之油田大部分油田為貧油井，在這種環(huán)境下，應(yīng)用的抽油設(shè)備仍是機(jī)械游粱式采油機(jī)，占據(jù)了總比重的90%以上，因而整個(gè)油井的電耗也日俱攀高。

2.油田用電要求

國(guó)家于2005年頒布的《中國(guó)節(jié)能技術(shù)大綱》也明確要求，石油天然氣行業(yè)機(jī)械采油等主要運(yùn)行效率要提高2%至3%，強(qiáng)調(diào)堅(jiān)持把節(jié)約能源放在首位。因此，石油行業(yè)大力節(jié)約能源已成為一項(xiàng)行政指標(biāo)。

前不久，“中國(guó)石油石化協(xié)會(huì)石油節(jié)能抽油設(shè)備專業(yè)委員會(huì)”的成立可以充分說(shuō)明了當(dāng)前各油田三抽設(shè)備節(jié)能的迫切性和必要性。

進(jìn)一步落實(shí)節(jié)能工作，提倡節(jié)能企業(yè)是當(dāng)前各油田實(shí)現(xiàn)節(jié)約降耗增效、提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)能力、樹(shù)立企業(yè)良好形象的必然選擇。目前各油田企業(yè)的組織領(lǐng)導(dǎo)已經(jīng)從戰(zhàn)略高度充分認(rèn)識(shí)到了節(jié)能的重要性，并在堅(jiān)持執(zhí)行“節(jié)約與開(kāi)發(fā)并舉，把節(jié)約放在首位”的方針，積極推進(jìn)管理機(jī)制創(chuàng)新。這種管理理念對(duì)“用電大戶”油田企業(yè)來(lái)說(shuō)顯然是邁向高效率，低成本的良性發(fā)展之路。

二 油田電能癥狀分析

由于油田采油生產(chǎn)使用的抽油機(jī)電機(jī)載荷是帶有沖擊性的邊載荷，特別是稠油和高凝結(jié)構(gòu)井，故為了使拖動(dòng)抽油機(jī)的電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行并具有一定的過(guò)載能力，需按抽油機(jī)的最大功率來(lái)配備電動(dòng)機(jī)，長(zhǎng)期以來(lái)，油田抽油機(jī)大多都處于輕載運(yùn)行，甚至個(gè)別運(yùn)行段是空載運(yùn)行，造成極大的能源浪費(fèi)。

油井設(shè)備選型時(shí)，所選擇的電機(jī)考慮負(fù)載的頻繁啟動(dòng)的因素，其設(shè)計(jì)功率必須大于驅(qū)動(dòng)負(fù)載的平均需求，并且應(yīng)用負(fù)荷本身就是變化的，而選擇的電機(jī)大小必須能滿足最大負(fù)荷時(shí)的需求，盡管最大負(fù)荷只是間斷出現(xiàn)，而其它時(shí)間負(fù)荷要小的多，因而就出現(xiàn)了嚴(yán)重的“大馬拉小車”的現(xiàn)象。

“三抽”本身的性能和使用壽命、維護(hù)和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用都與采油成本有直接關(guān)系，“三抽”設(shè)備的質(zhì)量、水平直接關(guān)系到油田的原油產(chǎn)量和綜合經(jīng)濟(jì)效益，一般而言，油田所用的抽油機(jī)均普遍存在抽取能力大于油井實(shí)際負(fù)荷的問(wèn)題，泵空抽、半抽現(xiàn)象便相伴而生，泵空抽增加了無(wú)效行程，浪費(fèi)大量的電能，同時(shí)也使抽油設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用增高，因而拖住經(jīng)濟(jì)效益的后腿。毫無(wú)疑問(wèn)，電能的有效利用已成為油田企業(yè)迫在抓緊的一項(xiàng)工作，近年來(lái)在大力提倡降低成本，高效采油的思想指導(dǎo)下落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀，建設(shè)節(jié)約型企業(yè)已成為油田企業(yè)今后發(fā)展的關(guān)鍵和主攻方向。

三 油田節(jié)能解決措施

1.用電的品質(zhì)和控制層面

由于日益嚴(yán)峻的用電需求和國(guó)內(nèi)電網(wǎng)傳輸?shù)脑O(shè)備老化(80年代初期所裝配的用電設(shè)備部分已達(dá)不到現(xiàn)代企業(yè)的要求)，使得企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的正常運(yùn)作受到電力品質(zhì)的嚴(yán)重干擾，加之企業(yè)的自身技術(shù)手段及設(shè)備日益老化等客觀因素的存在，導(dǎo)致企業(yè)在問(wèn)題和損失發(fā)生之后才采取危機(jī)管理手段和方法，做臨時(shí)的技術(shù)處理，在一次事故處理之后并不知道下一次事故或故障會(huì)出現(xiàn)在何時(shí)，何處，又能造成什么樣的后果，因而就造成了不必要的損失和浪費(fèi)。

2.三抽設(shè)備的運(yùn)行效率層面

針對(duì)抽油機(jī)而言，這個(gè)層面的節(jié)能空間是最大的，通常，油田所有的抽油機(jī)普遍存在抽取能力大于油井實(shí)際負(fù)荷的問(wèn)題，油泵空抽或半抽是常有的事，因?yàn)槌橛蜋C(jī)的電機(jī)載荷是帶有沖擊性的變載荷，特別是稠油和高凝結(jié)構(gòu)的油井來(lái)說(shuō)這種現(xiàn)象更嚴(yán)重，但是為了能使拖動(dòng)抽油機(jī)的電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行并有一定的過(guò)載能力，還得按抽油機(jī)的最大功率來(lái)選用電動(dòng)機(jī)，這樣一來(lái)，抽油機(jī)長(zhǎng)期在輕載運(yùn)行，甚至空栽運(yùn)行，這就如同運(yùn)輸車空車來(lái)回或少量運(yùn)貨，形成極大的電能浪費(fèi)，也造成抽油機(jī)本身設(shè)備維護(hù)費(fèi)用的增高。

四 采用變頻節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)

抽油機(jī)電機(jī)部分節(jié)能，其可選用變頻器對(duì)其電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，抽油電機(jī)改用變頻器拖動(dòng)后有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①提高抽油機(jī)拖動(dòng)電機(jī)功率因數(shù)(實(shí)際測(cè)量得電機(jī)功率因素由0.25～0.7提升至0.9以上)，有效減小了電機(jī)供電電流，從而減輕了供電電網(wǎng)及變壓器的負(fù)荷，降低線路線損。②根據(jù)油井的實(shí)際采液能力，可動(dòng)態(tài)調(diào)整抽取速度，以達(dá)到負(fù)荷供需均衡，實(shí)現(xiàn)節(jié)能，增產(chǎn)目的。③由于變頻器自身具有的“斜坡電流起動(dòng)”功能，對(duì)電動(dòng)機(jī)、變速箱、抽油機(jī)都可實(shí)現(xiàn)平滑啟動(dòng)，避免啟動(dòng)過(guò)程中的機(jī)械沖擊，提高設(shè)備使用效率。

五 運(yùn)用變頻節(jié)能時(shí)需注意事項(xiàng)

變頻器用于抽油機(jī)電機(jī)時(shí)，由于負(fù)載運(yùn)行特性也有幾個(gè)問(wèn)題需要注意并進(jìn)行解決。

1.設(shè)備運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的沖擊電流對(duì)變頻器的影響

游梁式抽油機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可看做天平機(jī)理，一端為抽油管路負(fù)荷，另一端為配重平衡系統(tǒng)。抽油機(jī)運(yùn)行時(shí)對(duì)平衡要求較高，平衡率越低，則需要電動(dòng)機(jī)提供的動(dòng)力越大。同時(shí)由于抽油載荷是時(shí)刻都在發(fā)生變化的，而平衡配重需要求與抽油載荷作進(jìn)行同步的變化，這一要求也使得抽油機(jī)的變頻節(jié)能技術(shù)變得復(fù)雜，同時(shí)也給采用變頻器調(diào)速控制提出很高的平衡要求。

變頻器的選型一般是按電動(dòng)機(jī)的額定功率進(jìn)行選配，抽油機(jī)運(yùn)行時(shí)在上下抽取過(guò)程中將產(chǎn)生過(guò)大的正向沖擊電流，使變頻器發(fā)生過(guò)載保護(hù)動(dòng)作，導(dǎo)致抽油機(jī)不能正常工作。故在抽油機(jī)配用變頻器進(jìn)行選型時(shí)應(yīng)選用與電機(jī)額定功率相同容量或向上提升一個(gè)等級(jí)容量(視抽油機(jī)的負(fù)載量及平衡率而定)，可對(duì)抽油機(jī)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行起保障作用。同時(shí)由于抽油機(jī)的起動(dòng)扭矩較大，故要將變頻器的加減速時(shí)間設(shè)置為30～50秒，不致在起動(dòng)時(shí)引起過(guò)載過(guò)流保護(hù)動(dòng)作。

2.再生能量的處理問(wèn)題

由于抽油機(jī)屬位能性負(fù)載，尤其當(dāng)配重不平衡時(shí)，在抽油機(jī)工作的一個(gè)沖程周期中，會(huì)出現(xiàn)電動(dòng)機(jī)處于再生制動(dòng)工作狀態(tài)(發(fā)電狀態(tài))，電動(dòng)機(jī)由于位能或慣性，其轉(zhuǎn)速會(huì)超過(guò)同步轉(zhuǎn)速，再生能量通過(guò)與變頻器逆變橋開(kāi)關(guān)器件(IGBT)并聯(lián)的續(xù)流二極管的整流作用，反饋到直流母線。由于交一直一交變頻器的直流母線采用普通二級(jí)管整流橋供電，不能向電網(wǎng)回饋電能，所以反饋到直流母線的再生能量只能對(duì)濾波電容器充電而使直流母線電壓升高，得到“泵升電壓”。直流母線電壓過(guò)高時(shí)將會(huì)對(duì)濾波電容器和功率開(kāi)關(guān)器件構(gòu)成威脅，為了保護(hù)電容器及功率開(kāi)關(guān)器件的安全，所以變頻器都必須設(shè)置了“OUD”保護(hù)——直流母線電壓高保護(hù)停機(jī)功能。

(1)對(duì)于抽油機(jī)運(yùn)行所產(chǎn)生的反向再生電流，可通過(guò)增大變頻器直流母線上濾波電容器的容量，將再生能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，等電動(dòng)狀態(tài)時(shí)再釋放給拖動(dòng)電機(jī)作功。這種方法對(duì)節(jié)能有利，但是電容器的儲(chǔ)能作用是有限的，因此在大容量或者負(fù)載慣量大的系統(tǒng)中，不可能只靠濾波電容器來(lái)限制泵升電壓。

(2)第二種辦法是采用“放”的辦法，可以采用由分流電阻器和開(kāi)關(guān)管組成的泵升電壓限制電路，也就是將回饋能量消耗在電阻上，這是一種耗能的方法，對(duì)節(jié)能不利。尤其是在大容量或者大慣量拖動(dòng)系統(tǒng)中，能量的損失較大。當(dāng)然也可以采用現(xiàn)成的變頻器選件：制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)。

六 結(jié)束語(yǔ)

變頻節(jié)能技術(shù)目前已在新疆油田得到良好應(yīng)用，各項(xiàng)節(jié)能技術(shù)在油田企業(yè)的應(yīng)用是創(chuàng)造油田企業(yè)依托科技開(kāi)發(fā)和集成創(chuàng)新，形成企業(yè)價(jià)值的最大化和產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)期、健康、持續(xù)的發(fā)展，為油田創(chuàng)建和諧發(fā)展的節(jié)約型社會(huì)邁向長(zhǎng)遠(yuǎn)步伐的有力保障。

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