變頻儲能技術(shù)原理及現(xiàn)場應(yīng)用研究

趙亞杰++黃華++董濤

摘 要：抽油機(jī)帶動油桿上、下往復(fù)運(yùn)動過程中，電動機(jī)會進(jìn)入重負(fù)荷—輕負(fù)荷—空載—發(fā)電—空載—輕負(fù)荷—重負(fù)荷的循環(huán)狀態(tài)。目前，延長油田抽油機(jī)存在沖次大、井下供液不足，抽油泵多數(shù)存在干抽現(xiàn)象。為了降低耗電量，減少采油成本，采用變頻儲能技術(shù)控制電機(jī)，無級調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，降低抽油機(jī)沖次。同時(shí)，將電機(jī)負(fù)發(fā)電產(chǎn)生的電能儲存在儲能電容中，在抽油機(jī)另外半個周期中供給電機(jī)使用。在延長油田永寧采油廠實(shí)施了168口井，穩(wěn)定運(yùn)行了10個月，利用抽油機(jī)系統(tǒng)效率測試儀進(jìn)行電機(jī)耗電量測試，結(jié)果顯示平均節(jié)電率37.68%，功率因數(shù)平均值為0.98。

關(guān)鍵詞：抽油機(jī)；沖次；干抽；變頻儲能；節(jié)電率；功率因素

中圖分類號： TE933 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）35-188-2

0 引言

延長油田基本采用游梁式抽油機(jī)。游梁式抽油機(jī)是一種特殊的四連桿機(jī)構(gòu)，其整個結(jié)構(gòu)特點(diǎn)像一架天平，一端是抽油載荷，另一端是平衡配重載荷。地面采油系統(tǒng)耗電設(shè)備主要為抽油機(jī)，在抽油機(jī)帶動油桿上、下往復(fù)運(yùn)動過程中，電動機(jī)會進(jìn)入重負(fù)荷—輕負(fù)荷—空載—發(fā)電—空載—輕負(fù)荷—重負(fù)荷的循環(huán)狀態(tài)。當(dāng)抽油桿上升時(shí)，由于電動機(jī)需要克服液柱負(fù)載、油桿負(fù)載、摩擦阻力等而處于重載荷運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)抽油桿下降時(shí)，由于電動機(jī)需要克服較小的負(fù)載而處于輕負(fù)載或空載狀態(tài)。

由于抽油桿、光桿、液柱是有一定重量的，再加上油管、油桿的形變，導(dǎo)致抽油機(jī)啟動的瞬間，需要克服較大的啟動負(fù)荷；當(dāng)抽油機(jī)正常運(yùn)行后，需要的功率又大幅減少，由于液面深度是動態(tài)變化的，抽油載荷也隨之發(fā)生變化，平衡配重載荷和抽油載荷工作的變化規(guī)律一致是不可能的，地面采油系統(tǒng)中的抽油機(jī)就會出現(xiàn)欠平衡或過平衡現(xiàn)象，而電動機(jī)提供的功率是額定的，因此就出現(xiàn)了電動機(jī)“大馬拉小車”、電動機(jī)空載等現(xiàn)象，造成能源的巨大浪費(fèi)。

目前，延長油田約有99%的油井使用有桿泵，加上游梁式抽油機(jī)存在能耗大、效率低、成本高等問題。從單純的機(jī)械角度來看，抽油機(jī)的節(jié)能方法有三種：一是使用節(jié)能型抽油機(jī)，如異相曲柄平衡抽油機(jī)、異型游梁式抽油機(jī)和寬帶機(jī)等，盡可能地使抽油機(jī)的平衡曲線和抽油機(jī)載荷曲線的變化規(guī)律相抵消，而且和不同階段的抽油機(jī)載荷相適應(yīng)；二是抽油機(jī)調(diào)平衡，通過使用電流表測上下行電流，使抽油機(jī)的平衡度處于80%～100%之間；三是扎實(shí)推進(jìn)抽油機(jī)調(diào)參工作，優(yōu)化抽油機(jī)工作參數(shù)。

為了降低抽油機(jī)沖次，同時(shí)回收電機(jī)負(fù)發(fā)電的能量，采用變頻儲能技術(shù)控制抽油機(jī)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)無級調(diào)節(jié)抽油機(jī)沖次，同時(shí)將電機(jī)負(fù)發(fā)電的能量儲存在儲能電容中，在抽油機(jī)另外半個周期中使用，取得了較好的使用效果。

1 變頻調(diào)速儲能技術(shù)原理

變頻調(diào)速儲能技術(shù)是實(shí)現(xiàn)了電動機(jī)的軟啟動，對電網(wǎng)無沖擊，電動機(jī)功率因數(shù)可由0.25～0.50 提高到0.90以上，從而減輕了電網(wǎng)及變壓器的負(fù)擔(dān)，降低了線損。操作方便，不需停產(chǎn)即可根據(jù)油井的實(shí)際供液能力，動態(tài)調(diào)整抽取速度。利用最新研制的四象限矢量控制變頻調(diào)速器，配以過程控制、位置傳感等技術(shù)改造現(xiàn)有的抽油機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)油井節(jié)電、增效和增產(chǎn)，從而提高整個有桿抽油系統(tǒng)的機(jī)采效率。

目前抽油機(jī)的能量回收方式有兩種：逆變器和超級電容（大容量電容），電氣原理圖分別見圖1和圖2。逆變器和超級電容（大容量電容）能量回收方式不一樣，前者是實(shí)時(shí)將能量回饋到電網(wǎng)上對電網(wǎng)有污染，后者是將抽油機(jī)前半周期電機(jī)發(fā)電的能量儲存在超級電容（大容量電容）中，在抽油機(jī)后半周期使用。

逆變器接在變頻器的母線上，抽油機(jī)平衡塊下落過程中，電動機(jī)發(fā)電在變頻器的母線上產(chǎn)生直流電，通過逆變器加到電網(wǎng)上，以節(jié)省電能，同時(shí)須增加濾波器去除變頻器產(chǎn)生的高次諧波，盡量減少對電網(wǎng)的污染。

超級電容（大容量電容）同樣接在變頻器母線上，抽油機(jī)平衡塊下落過程中，電動機(jī)發(fā)電在變頻器的母線上產(chǎn)生直流電，電能儲存在超級電容（大容量電容）上，平衡塊上升時(shí)優(yōu)先使用超級電容（大容量電容）上的電能，以節(jié)省電能，同時(shí)須增加濾波器去除變頻器產(chǎn)生的高次諧波。此方案對電網(wǎng)沒有任何污染，但電能回收效率沒有逆變器高。慣性負(fù)載中利用“超級電容”儲能，早先使用在高鐵中，目前已經(jīng)在油電混合汽車上廣泛應(yīng)用，將前半周期產(chǎn)生的能量暫時(shí)儲存，后半周期使用。

2 現(xiàn)場應(yīng)用及效果評價(jià)

168套變頻儲能柜于2016年1月在永寧采油廠實(shí)施完畢后，正常運(yùn)行3個多月后，于2016年3月利用荊州市微遠(yuǎn)網(wǎng)絡(luò)科技有限公司生產(chǎn)的XTZH-IIIP型抽油機(jī)系統(tǒng)效率綜合測試儀，對已經(jīng)實(shí)施的168口井的電機(jī)進(jìn)行能耗測試，測得工頻和變頻（40Hz）狀態(tài)下電機(jī)功率曲線、電機(jī)電流曲線和電機(jī)兩端電壓曲線，及電機(jī)平均有功功率、平均正有功功率、平均負(fù)有功功率、功率因數(shù)。

為了更好地分析電機(jī)能耗，將視在功率、有功功率、無功功率及功率因數(shù)之間的關(guān)系闡述如下：

S2=P2+Q2；P=S·cos?；Q=S·sin?

式中，S——視在功率，kW；P——有功功率，kW；Q——無功功率，kW；?——工作電流與電壓之間的相位角；cos——功率因數(shù)，一般要求大于0.9，純電阻性質(zhì)電路為1。

另外，分析電機(jī)耗電量時(shí)需要注意以下幾點(diǎn)：①無功功率越小越好，但一般不為0，除非是純電阻性電路；②負(fù)有功功率，即為用電設(shè)備向電網(wǎng)回饋的能量，這是國家電網(wǎng)禁止的；③其中平均有功功率=平均正有功功率+平均負(fù)有功功率+線損壞+其他能量損失；④耗電量計(jì)算一般以平均正有功功率為準(zhǔn)。

為了更好地比較平均有功功率、平均正有功功率、平均負(fù)有功功率、平均無功功率及功率因數(shù)，根據(jù)測試數(shù)據(jù)用Origin將它們繪制成曲線如圖3、圖4所示。

根據(jù)圖3、圖4可知：①工頻狀態(tài)下每臺電機(jī)的平均正有功功率均值為3.53kW、功率因數(shù)平均值為0.312。②變頻（40Hz）狀態(tài)下每臺電機(jī)的平均正有功功率均值為2.2kW，功率因數(shù)平均值為0.98。

3 結(jié)論

①采用變頻儲能調(diào)速技術(shù)后，平均正有功功率可降低37.68%，即節(jié)電率為37.68%。②采用變頻儲能調(diào)速技術(shù)后，功率因數(shù)均值由0.312提高為0.98，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的軟啟動，大大減少無功消耗和電網(wǎng)的沖擊。