變頻調(diào)速技術(shù)在油田中的應(yīng)用與節(jié)能

郭振平，孫鈿翔，武茜

（長(zhǎng)慶油田第十二采油廠， 甘肅 慶陽(yáng) 745400）

變頻調(diào)速技術(shù)在油田中的應(yīng)用與節(jié)能

郭振平，孫鈿翔，武茜

（長(zhǎng)慶油田第十二采油廠， 甘肅 慶陽(yáng) 745400）

隨著油田開(kāi)發(fā)活動(dòng)的不斷擴(kuò)大，油田開(kāi)采中資源浪費(fèi)和環(huán)境污染的問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，嚴(yán)重影響到了油田開(kāi)發(fā)的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。因此，必須針對(duì)油田開(kāi)發(fā)的節(jié)能措施進(jìn)行深入的研究，才能有效提高油田生產(chǎn)的效益。變頻調(diào)速技術(shù)能夠切實(shí)改善油田的節(jié)能效率，促進(jìn)油田事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

變頻調(diào)速技術(shù)；油田開(kāi)發(fā)；節(jié)能應(yīng)用

油田開(kāi)發(fā)系統(tǒng)存在著效率低、能耗大的問(wèn)題，導(dǎo)致油田生產(chǎn)活動(dòng)的成本不斷增加，威脅到了油田生產(chǎn)的穩(wěn)定開(kāi)展。而變頻調(diào)速技術(shù)在油田節(jié)能方面有顯著的效果，能夠提高油田設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。本文結(jié)合當(dāng)前油田開(kāi)采系統(tǒng)存在的節(jié)能問(wèn)題，對(duì)變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用的可能性和具體措施進(jìn)行了分析，以期進(jìn)一步提高油田開(kāi)采系統(tǒng)的效率。

1 油田開(kāi)采的節(jié)能問(wèn)題

當(dāng)前，隨著我國(guó)城市化建設(shè)的不斷推進(jìn)以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步繁榮，社會(huì)生活產(chǎn)生了越來(lái)越大的能源需求。石油作為最重要的能源之一，在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中有著十分廣泛的應(yīng)用。而當(dāng)前油田開(kāi)采中由于技術(shù)不到位、重視程度不夠等原因造成的資源浪費(fèi)現(xiàn)象比較突出，這與我國(guó)社會(huì)能源短缺的現(xiàn)狀構(gòu)成了極大的矛盾，阻礙了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

具體來(lái)說(shuō)，石油開(kāi)采中電費(fèi)支出的比例十分龐大，超過(guò)了石油開(kāi)采總成本的30%。這是因?yàn)槭统橛蜋C(jī)是一個(gè)重型設(shè)備，如果想要維持正常的運(yùn)轉(zhuǎn)，就必須采用大功率的電機(jī)，才能滿足工作需要。而大功率的電機(jī)必然會(huì)產(chǎn)生更多的能耗，增加石油開(kāi)采的總成本。同時(shí)，在設(shè)計(jì)和選用抽油機(jī)的電機(jī)時(shí)，為了保證其正常運(yùn)行，一般都會(huì)在電機(jī)容量上留有更大的余地，也就是說(shuō)，設(shè)計(jì)的容量比實(shí)際的需求還高出了很多，如果運(yùn)行機(jī)械，就會(huì)產(chǎn)生很多不必要的電能浪費(fèi)。

結(jié)合實(shí)際，對(duì)抽油機(jī)的工作進(jìn)行簡(jiǎn)單總結(jié)的話，可以得出如下分析：一是抽油機(jī)沖次快、循環(huán)周期比較短。再加上風(fēng)吹日曬等環(huán)境的影響，設(shè)備很容易老化或者帶病運(yùn)行，更增加了電能的消耗。二是無(wú)功功率高，電機(jī)常常在最大有功負(fù)荷和最小兩種極端狀態(tài)之間運(yùn)行，會(huì)導(dǎo)致供電線路的電能損耗，也可能會(huì)對(duì)電路造成損害。三是存在系統(tǒng)諧波，使得電機(jī)溫度升高，增加了鐵損耗和銅損耗，并且可能引發(fā)機(jī)械振動(dòng)、電磁噪聲等問(wèn)題。

2 變頻調(diào)速技術(shù)的概況

針對(duì)采油系統(tǒng)電能損耗過(guò)大的問(wèn)題，變頻調(diào)速技術(shù)能夠有效降低電機(jī)的能耗，提高其運(yùn)轉(zhuǎn)效率。變頻調(diào)速技術(shù)是融合了現(xiàn)代微電子技術(shù)、信息技術(shù)、電力電子技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的一種綜合性技術(shù)，通過(guò)變頻裝置，可以有效整合資源的利用，進(jìn)而提高資源的利用效率，降低生產(chǎn)成本，促進(jìn)油田企業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。

就變頻器的工作原理來(lái)分析，是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷工作將工頻電源變換成另一頻率的電能控制裝置。由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速和工作電源的輸入頻率是一種正比的關(guān)系，如果改變電機(jī)的工作電源頻率，就能實(shí)現(xiàn)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目標(biāo)。與采油系統(tǒng)過(guò)去的電機(jī)工作狀況相比，即使變頻裝置本身的設(shè)備需要一定成本且會(huì)在長(zhǎng)期使用中損耗，但是總的省電量是非?？捎^的。

因此，在采油系統(tǒng)中推行變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用有很大的必要性。

變頻器通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)節(jié)能。以采油系統(tǒng)的抽油機(jī)為例，一般的抽油機(jī)是采用三相異步電動(dòng)機(jī)來(lái)帶動(dòng)抽油機(jī)上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而使抽油機(jī)能夠工作。在這一運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)的負(fù)荷在發(fā)生變化，由于馬達(dá)的轉(zhuǎn)速基本維持不變，則往復(fù)運(yùn)動(dòng)存在輕載和重載的區(qū)別。

在實(shí)際工作中，執(zhí)行運(yùn)動(dòng)任務(wù)的時(shí)間上也有間隙性，因此不能一直保持滿負(fù)載運(yùn)行，輕載的狀態(tài)下仍然要浪費(fèi)大量的電能和空間。而變頻調(diào)速技術(shù)就可以針對(duì)性的解決空間利用率低下的問(wèn)題，通過(guò)抽油機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的工作，來(lái)檢測(cè)抽油機(jī)的比例壓力和比例流量信號(hào)，從而判斷出各種工況下的實(shí)際所需的馬達(dá)轉(zhuǎn)速，并進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。這樣一來(lái)，整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程就被細(xì)化了，通過(guò)對(duì)每一工況的識(shí)別和調(diào)整，能夠最大限度的利用空間，使抽油機(jī)在工作時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

3 變頻調(diào)速技術(shù)在油田中的應(yīng)用

變頻調(diào)速技術(shù)具有節(jié)能效果好、功率因數(shù)高、實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)等眾多優(yōu)點(diǎn)，因此在各行各業(yè)中都有很多的應(yīng)用。在石油這一高能耗的產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用尤為重要，我國(guó)很多油田如華北油田、中原油田等都進(jìn)行了大量的變頻調(diào)速技術(shù)的研究和使用。事實(shí)證明，變頻調(diào)速技術(shù)可有效節(jié)電超過(guò)20%。由此可見(jiàn)，變頻調(diào)速技術(shù)在油田中的應(yīng)用既有現(xiàn)實(shí)的可行性，又有很強(qiáng)的必要性。

（1）異步電動(dòng)機(jī)。如果原油產(chǎn)量不能滿足泵的額定流量，就只能采用閥門(mén)節(jié)流的方法解決輸油泵供液不足的問(wèn)題。但是這種做法會(huì)導(dǎo)致泵的壓強(qiáng)升高，長(zhǎng)期以往，對(duì)泵的機(jī)封、軸承的磨損造成消極的影響，縮短泵的使用壽命。且這一辦法仍不具有良好的節(jié)能效果，不能大量減少資源的浪費(fèi)。因此，使用變頻調(diào)速技術(shù)來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速，確保供液量符合要求，這樣就能保證泵的高速高效運(yùn)轉(zhuǎn)，減少對(duì)泵設(shè)備本身的磨損，并且實(shí)現(xiàn)節(jié)能和節(jié)電的雙重目標(biāo)。

（2）原油集輸系統(tǒng)。在原油的集輸系統(tǒng)中應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，能夠自動(dòng)跟進(jìn)和調(diào)節(jié)運(yùn)行狀態(tài)，提高系統(tǒng)的工作效率。在實(shí)際的開(kāi)采中，原油的集輸工程容易受到環(huán)境因素的影響，直接影響到原油的產(chǎn)量和運(yùn)輸?shù)男?。而機(jī)泵容量和輸油管線的充分余量可能會(huì)引起節(jié)流運(yùn)行和反輸回流的問(wèn)題，要解決問(wèn)題只能依靠人工操作通過(guò)對(duì)各處閥門(mén)的控制來(lái)控制流量、壓力等，但人工操作不僅效率慢，跟不上運(yùn)行狀態(tài)的隨時(shí)變化，還很可能存在操作誤差，造成更大的能源浪費(fèi)。而在進(jìn)站匯管出口處安裝變頻調(diào)速器，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)石油液量的跟蹤檢測(cè)，根據(jù)差值模擬量及時(shí)調(diào)整輸出頻率，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而提高石油質(zhì)量。

（3）供水系統(tǒng)。在石油開(kāi)采的系統(tǒng)中，供水是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。為了保證設(shè)備用水的需要，以往的做法是由工作人員根據(jù)用水量隨時(shí)調(diào)節(jié)泵出口閥門(mén)，但是這種方法造成的資源浪費(fèi)比較大。如果在水源站外輸泵電動(dòng)機(jī)上安裝變頻器，就可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

壓力傳感器可以將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，與設(shè)定的壓力泵速頻率值進(jìn)行比較，從而得到一個(gè)設(shè)定值，調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速以改變泵工況。同樣的，在水源廠安裝變頻器，能夠保證供水壓力，從而為石油開(kāi)采提供穩(wěn)定的供水。穩(wěn)定的供水不僅能夠保證用水質(zhì)量，促進(jìn)開(kāi)采工作的持續(xù)穩(wěn)定進(jìn)行，還能夠減少對(duì)輸水管道等基礎(chǔ)設(shè)施的損耗，提高相關(guān)設(shè)備的使用效率，有效降低成本。

（4）抽油機(jī)。抽油機(jī)是采油系統(tǒng)中十分關(guān)鍵的設(shè)備之一，也是造成電能損耗過(guò)大的根本原因之一。因此，使用變頻調(diào)速技術(shù)加強(qiáng)抽油機(jī)工作系統(tǒng)的智能化控制和工作效率是解決節(jié)能問(wèn)題的有效途徑。

抽油機(jī)的負(fù)載具有不平衡性，也會(huì)經(jīng)常發(fā)生變化。其多變性主要是井下的液面、油層、油質(zhì)等因素總是不斷變化，且很難找到其中的變化規(guī)律。這就意味著抽油機(jī)的工作負(fù)載也具有一定的特殊性。因此，變頻調(diào)速裝置必須具有追蹤控制的功能，才能及時(shí)適應(yīng)抽油機(jī)工作需要的變化，以便對(duì)抽油機(jī)的功率等參數(shù)進(jìn)行恰當(dāng)?shù)恼{(diào)整。由于變頻調(diào)速技術(shù)融合了電子信息技術(shù)，能夠在很大程度上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。通過(guò)對(duì)抽油機(jī)工作狀態(tài)的時(shí)刻監(jiān)控，能夠及時(shí)掌握各項(xiàng)參數(shù)，并且根據(jù)輸入的程序和計(jì)算自動(dòng)做出調(diào)節(jié)操作，以達(dá)到節(jié)能的目的。智能化的控制能夠減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊力，起到保護(hù)電力設(shè)施的積極作用。

但是，就目前采油系統(tǒng)中變頻調(diào)速裝置的智能化水平來(lái)說(shuō)，離理想的目標(biāo)還有很大的距離。通用變頻器無(wú)法適應(yīng)抽油機(jī)的負(fù)載特點(diǎn)，經(jīng)常出現(xiàn)故障，嚴(yán)重影響了變頻技術(shù)的使用效果和油田開(kāi)采的效益。因此，必須在今后的研究中進(jìn)行針對(duì)性的技術(shù)改進(jìn)。

以上在分析電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速原理的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步介紹變頻調(diào)速裝置在原油系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、鍋爐采暖供熱系統(tǒng)和抽油機(jī)中的應(yīng)用原理以及現(xiàn)狀，在油田的推廣應(yīng)用已取得了很大經(jīng)濟(jì)效益。為解決油田開(kāi)發(fā)的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益,引進(jìn)變頻調(diào)速技術(shù)，可提高油田設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，并且在生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。

[1]楊陽(yáng). 變頻調(diào)速技術(shù)在油田地面采油系統(tǒng)中的應(yīng)用[D].西安石油大學(xué)，2015.

[2]張錦榮. 變頻調(diào)速技術(shù)與節(jié)能應(yīng)用[J]. 自動(dòng)化與儀器儀表，2012,06:111～112+116.

[3]李發(fā)旺,楊仙峰. 變頻調(diào)速技術(shù)在油田節(jié)能中的應(yīng)用研究[J].化工管理，2014,21:170.

[4]栗文洗.抽油機(jī)變頻控制柜數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的研制[D].中國(guó)石油大學(xué)，2007.

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1671-0711（2016）11（下）-0091-02