油井變頻能耗監(jiān)測(cè)技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用

熊慶生（大慶油田工程有限公司）

近幾年來，隨著油田節(jié)能降耗工作的迫切需要，油井變頻節(jié)能控制柜在油田生產(chǎn)中得到大量推廣應(yīng)用[1，2]。由于傳統(tǒng)的能耗監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備只能在50Hz工作頻率下運(yùn)行，缺乏必要的能在變頻條件下滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試要求的測(cè)試裝備和相關(guān)測(cè)試技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，油井變頻節(jié)能控制柜在油田應(yīng)用過程中遇到的變頻柜損耗和變頻柜效率測(cè)試等問題也隨之而來，且關(guān)于解決這些問題的相關(guān)文獻(xiàn)和研究也較少。因此，引進(jìn)應(yīng)用先進(jìn)的測(cè)試技術(shù)裝備，開展油田油井變頻控制柜節(jié)能監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究與應(yīng)用工作，提高對(duì)油井變頻控制柜的應(yīng)用認(rèn)識(shí)，對(duì)推廣應(yīng)用變頻節(jié)能技術(shù)、實(shí)現(xiàn)企業(yè)節(jié)能降耗具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義[3]。

1 油井變頻能耗監(jiān)測(cè)技術(shù)的主要研究?jī)?nèi)容

利用具有高精度、寬頻帶特點(diǎn)的功率分析儀對(duì)機(jī)采系統(tǒng)油井變頻節(jié)能控制柜進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，主要監(jiān)測(cè)油井變頻節(jié)能控制柜在不同工作頻率（主要選擇45、40、35、30、25Hz和20Hz等6個(gè)運(yùn)行頻率點(diǎn)）的損耗情況；對(duì)采油廠油井最常用的兩種游梁式抽油機(jī)變頻拖動(dòng)控制技術(shù)方案，即采用普通變頻器加能耗制動(dòng)單元和變頻器加回饋單元控制方案分別進(jìn)行測(cè)試評(píng)價(jià)；對(duì)同一臺(tái)油井變頻節(jié)能控制柜在50Hz運(yùn)行頻率下工頻運(yùn)行與變頻運(yùn)行的損耗情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)；進(jìn)行應(yīng)用測(cè)試分析，提出油井變頻節(jié)能控制柜優(yōu)化運(yùn)行技術(shù)方案。

通過引進(jìn)高精度、寬頻帶功率分析儀（配400 W便攜式多功能移動(dòng)電源），開展油井變頻節(jié)能控制柜不同工作條件下自身損耗量和工作效率的測(cè)試，計(jì)算油井變頻節(jié)能控制柜損耗，分析油井變頻節(jié)能控制柜對(duì)油井系統(tǒng)效率的影響，這不僅可對(duì)油井變頻節(jié)能控制柜性能和質(zhì)量做出客觀評(píng)價(jià)，而且可通過測(cè)試掌握油井變頻節(jié)能控制柜不同頻率工作段實(shí)際損耗量的變化規(guī)律，便于制定油井變頻節(jié)能控制柜應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為開展油井變頻節(jié)能技術(shù)推廣和節(jié)能監(jiān)測(cè)提供技術(shù)指導(dǎo)。

2 功率分析儀的主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)

2.1 功能

1）可用于高效化變頻控制系統(tǒng)能耗的測(cè)試與評(píng)價(jià)：進(jìn)行高精度、高穩(wěn)定性且再現(xiàn)性良好的功率測(cè)量；進(jìn)行電動(dòng)機(jī)能效分析所需的電氣測(cè)量；可連接高精度扭矩表與編碼器測(cè)量電動(dòng)機(jī)效率。

2）可用于變頻控制系統(tǒng)的維護(hù)：現(xiàn)場(chǎng)簡(jiǎn)單地測(cè)量變頻器次級(jí)側(cè)的功率；可同時(shí)進(jìn)行變頻器初級(jí)側(cè)與次級(jí)側(cè)的測(cè)量；測(cè)量變頻器的噪音。

3）可用于新能源的開發(fā)與評(píng)價(jià)：同時(shí)測(cè)量AC功率與DC功率；通過DC模式、RMS模式的電流與功率累積，測(cè)量受電、售電、消耗與再生功率；可將測(cè)量數(shù)據(jù)長期保存到大容量媒介中。

2.2 特點(diǎn)

1）對(duì)應(yīng)各種電力線路測(cè)量。由于電壓輸入與電流輸入均配備有4個(gè)通道，并且所有通道均施以絕緣，因此可進(jìn)行包括變頻器初級(jí)側(cè)與次級(jí)側(cè)同時(shí)測(cè)量等在內(nèi)的多個(gè)系統(tǒng)的同時(shí)測(cè)量；可對(duì)應(yīng)單相或三相4線的測(cè)量線路；可對(duì)應(yīng)DC～變頻器的寬廣頻率范圍（基波0.5Hz～5kHz）。

2）高精度、寬頻帶。基本精度為±0.05%rdg±0.05%f.s.的高精度，帶寬為DC、0.5Hz～5kHz的寬頻帶；10kHz時(shí)，可測(cè)量±0.2%rdg±0.1%f.s.；100kHz時(shí)，可測(cè)量±1.52%rdg±0.5%f.s.，即使在變頻器載波頻帶內(nèi)，也可以進(jìn)行高精度的測(cè)量。

3）兼顧高速度數(shù)據(jù)處理與高精度。在保持高精度的狀態(tài)下，功率測(cè)量與諧波分析可按50ms速率進(jìn)行數(shù)據(jù)更新；由于低頻率測(cè)量時(shí)也根據(jù)頻率自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)更新，因此，無需進(jìn)行從低轉(zhuǎn)數(shù)到高轉(zhuǎn)數(shù)的響應(yīng)（數(shù)據(jù)更新速率）切換。

4）標(biāo)準(zhǔn)配備豐富的數(shù)據(jù)分析功能?？赏瑫r(shí)測(cè)量RMS、MEAN、AC成分、DC成分與基波；也可進(jìn)行最多100次的諧波分析或最大100kHz的變頻器噪音分析（FFT分析）；可進(jìn)行500kS/s的高速波型顯示；可利用X-Y圖功能進(jìn)行多方面分析。

5）可同時(shí)測(cè)量諧波分析、噪音分析、累積功能與波形顯示等。

6）兼顧簡(jiǎn)單的夾鉗測(cè)量與高精度的通貫型傳感器測(cè)量?？蛇x擇20A～500A之間、AC型或AC/DC型各種電流傳感器；通過對(duì)應(yīng)高精度貫通型電流傳感器，可高精度地測(cè)量大電流；因?qū)?yīng)夾鉗型電流傳感器，可免除繁瑣的電流直接接線；由于電流輸入以傳感器來絕緣，因此，可大幅度減輕測(cè)量變頻器時(shí)的同相噪音的影響。

7）標(biāo)準(zhǔn)配備豐富的接口。標(biāo)配高速100M Ethernet與USB2.0高速通訊接口；對(duì)應(yīng)于高速數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)；前面板上標(biāo)配U盤專用端口與CF卡插槽；可高速將數(shù)據(jù)保存在大容量媒介中。

8）備有遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)獲取用PC應(yīng)用軟件。如果利用PC應(yīng)用軟件，并用LAN電纜或USB連接線連接本儀器與計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)則可從本儀器獲取數(shù)據(jù)，或由計(jì)算機(jī)對(duì)本儀器進(jìn)行遠(yuǎn)程操作；即使不安裝PC應(yīng)用軟件，也可以利用HTTP服務(wù)器功能，通過瀏覽器進(jìn)行同樣的操作。

9）防止接線錯(cuò)誤的接線確認(rèn)功能。復(fù)雜的三相接線也可以通過矢量顯示進(jìn)行接線確認(rèn)，以防止接線錯(cuò)誤。

10）可對(duì)應(yīng)多通道的多臺(tái)同步功能。連接副機(jī)的本儀器可在和主機(jī)時(shí)間或測(cè)量時(shí)序同步的狀態(tài)下測(cè)量并記錄數(shù)據(jù)；利用PC應(yīng)用軟件，可在最多4臺(tái)本儀器取得同步的狀態(tài)下獲取與記錄數(shù)據(jù)。

11）備有電動(dòng)機(jī)分析選件。如果輸入扭矩表的輸出與轉(zhuǎn)數(shù)，則可測(cè)量電動(dòng)機(jī)輸出功率；扭矩輸入也對(duì)應(yīng)于模擬DC輸出與頻率輸出型扭矩表；轉(zhuǎn)數(shù)輸入對(duì)應(yīng)于模擬DC輸出與旋轉(zhuǎn)脈沖輸出；對(duì)應(yīng)編碼器的Z相輸出，可進(jìn)行以編碼器脈沖為基準(zhǔn)的相位測(cè)量。

12）可波形輸出的D/A輸出選件。配備有16通道的D/A輸出，可對(duì)任意測(cè)量項(xiàng)目進(jìn)行最多16項(xiàng)的模擬輸出；在波形輸出模式下，輸出500kHz的高速采樣電壓與電流波形，可將絕緣（安全）的電壓電流波形輸入到其他測(cè)量?jī)x器中。

13）彩色液晶顯示，可連接溫度計(jì)（非接觸式）和打印機(jī)。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及應(yīng)用情況

功率分析儀屬于無源測(cè)試儀器，所以配置了400W便攜式多功能移動(dòng)電源，可較好地滿足油井生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試要求。2013年9月上旬和11月上旬，在采油6隊(duì)、14隊(duì)、16隊(duì)、18隊(duì)、11隊(duì)和采油1隊(duì)共選取了14口油井對(duì)油井變頻節(jié)能控制柜以及油井系統(tǒng)效率進(jìn)行了系統(tǒng)監(jiān)測(cè)。

采油6隊(duì)32-3186井和36-3175井油井變頻節(jié)能控制柜在不同工作頻率段的損耗測(cè)試數(shù)據(jù)分別見表1和表2。

采油18隊(duì)26-1423井和30-2443井油井變頻節(jié)能控制柜在不同工作頻率段的損耗測(cè)試數(shù)據(jù)分別見表3和表4。

表1 32-3186井變頻節(jié)能控制柜在不同工作頻率段的損耗測(cè)試數(shù)據(jù)

表2 36-3175井變頻節(jié)能控制柜在不同工作頻率段的損耗測(cè)試數(shù)據(jù)

從表1和表2可以看出，同一臺(tái)油井變頻節(jié)能控制柜運(yùn)行頻率越高，油井變頻節(jié)能控制柜損耗越小，變頻器運(yùn)行頻率在45Hz時(shí)變頻柜損耗最小，而運(yùn)行在20Hz時(shí)變頻柜損耗最大。不同型號(hào)、不同生產(chǎn)廠家、采用不同控制技術(shù)方式的油井變頻柜在不同運(yùn)行頻率下產(chǎn)生的變頻柜損耗變化規(guī)律是一致的。

另外，采用不同控制技術(shù)方式的油井變頻柜，其產(chǎn)生的變頻柜損耗在同一運(yùn)行頻率點(diǎn)是不同的，采用能量回饋單元控制技術(shù)方式的變頻柜其損耗要明顯小于采用能耗制動(dòng)單元控制技術(shù)方式的變頻柜。這是因?yàn)椴捎媚芎闹苿?dòng)單元控制技術(shù)方式的變頻柜將抽油機(jī)勢(shì)能轉(zhuǎn)化電能的能量以電阻散熱方式消耗掉，對(duì)節(jié)能不利，還會(huì)產(chǎn)生發(fā)熱、過熱問題，綜合表現(xiàn)為抽油機(jī)的代電系統(tǒng)的功率因數(shù)較低，對(duì)電網(wǎng)質(zhì)量影響較大；而采用能量回饋單元控制技術(shù)方式的變頻柜啟動(dòng)電流小、速度平穩(wěn)、性能可靠、對(duì)電網(wǎng)沖擊小，可實(shí)現(xiàn)上下速度任意調(diào)節(jié)和閉環(huán)控制運(yùn)行，用戶根據(jù)油井的液位、壓力確定抽油機(jī)的沖速、速度和產(chǎn)液量，可降低能耗，提高泵效，采用該技術(shù)還可以減少設(shè)備磨損，延長設(shè)備使用壽命，實(shí)現(xiàn)在最大節(jié)能狀態(tài)下的自動(dòng)化運(yùn)行。

表3 26-1423井變頻節(jié)能控制柜在不同工作頻率段的損耗測(cè)試數(shù)據(jù)

表4 30-2443井變頻節(jié)能控制柜在不同工作頻率段的損耗測(cè)試數(shù)據(jù)

對(duì)比表1和表3、表2和表4，采用同一控制技術(shù)方式的變頻柜不同生產(chǎn)廠家在同一運(yùn)行頻率點(diǎn)運(yùn)行，其損耗量存在明顯不同。這是因?yàn)椴煌a(chǎn)廠家選用器件、生產(chǎn)安裝工藝、變頻器基準(zhǔn)頻率設(shè)置以及采用的諧波抑制措施不同等諸多原因造成的。

同一臺(tái)油井變頻節(jié)能控制柜在50Hz運(yùn)行頻率下，監(jiān)測(cè)其工頻運(yùn)行與變頻運(yùn)行的損耗情況，測(cè)試數(shù)據(jù)見表5。

表5 40-206井同一臺(tái)變頻節(jié)能控制柜50Hz運(yùn)行頻率下工頻與變頻損耗測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

從表5可以看出，同一臺(tái)油井變頻節(jié)能控制柜在50Hz運(yùn)行頻率下，變頻運(yùn)行模式下變頻柜損耗為3.79%，而工頻運(yùn)行模式下變頻柜損耗為0.94%，同一頻率下相比前者多產(chǎn)生損耗2.85%。

表6為其他4臺(tái)油井變頻節(jié)能控制柜變頻運(yùn)行條件下?lián)p耗測(cè)試數(shù)據(jù)。油井變頻節(jié)能控制柜對(duì)油井系統(tǒng)效率的影響見表7。

從表6可以看出，采用能量回饋單元控制技術(shù)方式的同型變頻器不同廠家生產(chǎn)的變頻柜，采油16隊(duì)和采油14隊(duì)4口井的在用4臺(tái)變頻柜實(shí)際運(yùn)行損耗均在5%左右。

表7表明，在各變頻節(jié)能控制柜輸出端測(cè)試油井系統(tǒng)效率測(cè)試結(jié)果都明顯要高于輸入端的測(cè)試結(jié)果，這說明變頻節(jié)能控制柜存在著明顯的損耗，各種在用變頻柜其損耗量因運(yùn)行頻率和生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量的不同而不同，一般情況下其損耗在3%至6%之間。

表6 油井變頻節(jié)能控制柜變頻運(yùn)行條件下?lián)p耗測(cè)試數(shù)據(jù)

表7 油井變頻節(jié)能控制柜對(duì)油井系統(tǒng)效率影響數(shù)據(jù)對(duì)比

4 綜合效益分析

4.1 測(cè)試效益

該技術(shù)不僅有效解決了油井變頻節(jié)能控制柜損耗測(cè)試，解決了一般功率測(cè)試分析儀器只能在50Hz工作頻率下運(yùn)行，只能對(duì)變頻節(jié)能控制柜初級(jí)側(cè)進(jìn)行功率測(cè)試分析，不能開展變頻節(jié)能控制柜自身損耗監(jiān)測(cè)，不能滿足油井機(jī)采系統(tǒng)測(cè)試分析技術(shù)要求，而且還解決了野外施工作業(yè)測(cè)試工作需要的電源問題，具有可觀的測(cè)試效益。

4.2 節(jié)能效益

通過監(jiān)測(cè)得出不同油井變頻節(jié)能控制柜的損耗率，分析產(chǎn)生能量損耗的原因，提出油井變頻節(jié)能控制柜優(yōu)化運(yùn)行措施，降低變頻節(jié)能控制柜的損耗，讓油井變頻節(jié)能控制柜在最大節(jié)能狀態(tài)下自動(dòng)化運(yùn)行，達(dá)到系統(tǒng)節(jié)能降耗的目的，每年具有可觀的節(jié)能效益。

4.3 提高油井系統(tǒng)效率

通過監(jiān)測(cè)、優(yōu)化、調(diào)整，再監(jiān)測(cè)、再優(yōu)化、再調(diào)整等措施，降低油井變頻節(jié)能控制柜損耗，實(shí)現(xiàn)每一臺(tái)油井變頻節(jié)能控制柜在最大節(jié)能狀態(tài)下的自動(dòng)化運(yùn)行，減少損耗2%～3%，則可提高油井系統(tǒng)效率2%～3%。

4.4 提升節(jié)能監(jiān)測(cè)能力

該技術(shù)提升了采油廠測(cè)試技術(shù)能力，使原來只能測(cè)試600V以下工作電壓油井系統(tǒng)效率，延伸到可以進(jìn)行1000V以下工作電壓油井系統(tǒng)效率的測(cè)試。

5 結(jié)論與建議

1）采用能量回饋單元控制技術(shù)方式的變頻柜其損耗要明顯小于采用能耗制動(dòng)單元控制技術(shù)方式的變頻柜，建議油井選用采用能量回饋單元控制技術(shù)方式的變頻柜。

2）同一臺(tái)油井變頻柜運(yùn)行頻率越高，油井變頻節(jié)能控制柜損耗越小，反之，則越大。不同型號(hào)、不同生產(chǎn)廠家、采用不同控制技術(shù)方式在不同運(yùn)行頻率下產(chǎn)生的變頻柜損耗變化規(guī)律是一致的。根據(jù)油井生產(chǎn)需要，建議油井變頻節(jié)能控制柜在25Hz～40kHz之間運(yùn)行，運(yùn)行頻率過低或過大均不適合油井變頻節(jié)能控制柜節(jié)能經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

3）采用同一控制技術(shù)方式的變頻柜，不同生產(chǎn)廠家在同一運(yùn)行頻率點(diǎn)運(yùn)行，其損耗明顯不同。

4）同一臺(tái)油井變頻節(jié)能控制柜在50Hz運(yùn)行頻率下，變頻運(yùn)行模式的變頻柜損耗明顯比工頻運(yùn)行方式下的損耗要大得多。建議變頻柜運(yùn)行頻率大于45kHz的油井，改為工頻下運(yùn)行。

5）加強(qiáng)油井變頻柜的優(yōu)化運(yùn)行管理，合理確定油井變頻柜的生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)，開展變頻柜運(yùn)行管理監(jiān)督檢查，提升變頻柜運(yùn)行質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)油井變頻節(jié)能控制柜在最大節(jié)能狀態(tài)下的自動(dòng)化運(yùn)行。

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