機(jī)采系統(tǒng)中使用變頻調(diào)速技術(shù)的探索與實(shí)踐

崔淑嶺

摘要：本文對(duì)變頻調(diào)速技術(shù)工作原理及在油田機(jī)采系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀及工作原理進(jìn)行了深入剖析，并根據(jù)應(yīng)用實(shí)踐提出結(jié)論與認(rèn)識(shí)。

關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速；工作原理；油田生產(chǎn)；技術(shù)應(yīng)用

一、變頻調(diào)速技術(shù)在機(jī)采系統(tǒng)應(yīng)用概況

交流變頻調(diào)速技術(shù)是電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和控制技術(shù)高度發(fā)展的產(chǎn)物，隨著晶閘管技術(shù)和電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，因其在節(jié)約電能，提高設(shè)備的應(yīng)用效率，延長設(shè)備的運(yùn)行壽命等方面的出色表現(xiàn)，在油田機(jī)采系統(tǒng)得到日益廣泛的應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

目前油田油井在生產(chǎn)過程中，無論是有桿泵還是電潛泵都是用帶異步電動(dòng)機(jī)的不可調(diào)節(jié)的電驅(qū)動(dòng)裝置。因此，當(dāng)油井產(chǎn)量下降時(shí)，就要更換泵抽設(shè)備或者轉(zhuǎn)為周期性的停泵。這樣，就降低了井的產(chǎn)量，并會(huì)對(duì)油井的近井地帶造成不利影響。變頻調(diào)速技術(shù)的出現(xiàn)，使“頻率”變?yōu)榭沙浞掷玫馁Y源。變頻調(diào)速以優(yōu)異的調(diào)速和起制動(dòng)性能，高效率、高功率因數(shù)及節(jié)能降耗效果，廣泛的適用范圍及其它許多優(yōu)點(diǎn)，被國內(nèi)外公認(rèn)為最有發(fā)展前途的高新技術(shù)之一。

二、變頻調(diào)速主要技術(shù)原理

1、變頻調(diào)速技術(shù)的電機(jī)學(xué)原理

為了使生產(chǎn)機(jī)械以合理的速度進(jìn)行工作，從而提高效率和質(zhì)量，要求在不同的情況下，以不同的速度工作，此稱之為調(diào)速。

從異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式 n=（1-s）n1=（1-s）*60*f1/p

其中s-轉(zhuǎn)差率 f1——供電頻率 p—極對(duì)數(shù)

可見，若均勻的改變供電頻率f1，則可以平滑地改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，

在交流電動(dòng)機(jī)定子與轉(zhuǎn)子回路的參數(shù)恒定時(shí)，在一定的轉(zhuǎn)差率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩M與加在電動(dòng)機(jī)定子端電壓U的平方成正比，即 M∝U2

而異步電動(dòng)機(jī)的定子端電壓 U≈E1=4.44 f1W1K1∮

其中 W1-定子繞組匝數(shù) K1-繞組系數(shù) ∮-電機(jī)氣隙磁通

因此，電機(jī)的輸出功率正比于輸出轉(zhuǎn)矩*f1，從而正比于供電頻率f1的三次方，降頻即降功耗。在不要求恒速運(yùn)轉(zhuǎn)的場(chǎng)合，將生產(chǎn)機(jī)械變頻運(yùn)行，不但可以根據(jù)工況自由調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，還可達(dá)到節(jié)能高效的目的。

2、變頻調(diào)速的工作原理

2.1原理

普通變頻器由整流電路、濾波電路、逆變電路三部分組成。整流電路是由三相橋式整流橋組成。它的功能是將工頻電源進(jìn)行整流，經(jīng)中間直流環(huán)節(jié)平波后為逆變電路和控制電路提供所需的直流電源。三相交流電源一般需經(jīng)過吸收電容和壓敏電阻網(wǎng)絡(luò)引入整流橋的輸入端。濾波電路通常是由若干個(gè)電容器串聯(lián)和并聯(lián)構(gòu)成電容器組，以得到所需的耐壓值和容量。逆變電路是利用六個(gè)功率開關(guān)器件（通常為IGBT）組成的三相橋式逆變電路，有規(guī)律的控制逆變器中功率開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，可以得到任意頻率的三相交流輸出。

普通變頻器的輸入是二極管整流，能量不可反方向流動(dòng)。由于配重塊的不平衡，在往復(fù)運(yùn)動(dòng)中，電機(jī)產(chǎn)生反向電勢(shì)，反電勢(shì)經(jīng)逆變單元反加至濾波電容兩端，變頻器直流側(cè)電壓將上升，為避免變頻器過電壓保護(hù)，解決方法1是依據(jù)變頻器功率型號(hào)在直流側(cè)加裝配套的制動(dòng)單元與制動(dòng)電阻，因此，使用普通變頻器后，如果沖次不變，整個(gè)系統(tǒng)消耗的電能就更多了。解決方法2是采用能量回饋單元代替能耗制動(dòng)單元。

變頻器+能量回饋單元是抽油機(jī)能量回饋?zhàn)冾l采油技術(shù)的核心部分，能量回饋逆變，是以高頻電能變換理論為基礎(chǔ)，運(yùn)用能量反饋的方法將各種待測(cè)試或進(jìn)入試運(yùn)行階段的獨(dú)立交、直流供電設(shè)備所輸出的能量循環(huán)使用。它既能完成特定負(fù)載的功能，同時(shí)又把無謂消耗在電阻型功率負(fù)載中的能量，以標(biāo)準(zhǔn)工頻正弦波的形式將負(fù)載能量返回至輸入端，負(fù)載能量的循環(huán)使用率可達(dá)80%以上，從而大大節(jié)約了能源的無謂消耗和電費(fèi)的支出。

2.2特點(diǎn)

（1）變頻器保護(hù)功能齊全，可實(shí)現(xiàn)過壓、過流、欠壓、過載、短路等保護(hù)功能，確保電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行；

（2）實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)功能，使電機(jī)免受大的啟動(dòng)沖擊電流；

（3）節(jié)電運(yùn)行，可提高功率因數(shù)；

（4）抽油機(jī)運(yùn)行沖次及每一沖次上下沖程時(shí)間可調(diào)，滿足增產(chǎn)、節(jié)能的需要；

（5）可實(shí)現(xiàn)變頻與工頻的自動(dòng)切換，保障設(shè)備的連續(xù)工作；

（6）可實(shí)現(xiàn)后臺(tái)啟動(dòng)功能，停電再啟動(dòng)可在后臺(tái)實(shí)現(xiàn)，無須到抽油機(jī)現(xiàn)場(chǎng)；

（7）變頻器具有通訊功能，可方便實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端集中監(jiān)控，便于檢測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀況，對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)端控制。

三、變頻調(diào)速技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果及效益分析

1、變頻調(diào)速技術(shù)在抽油井應(yīng)用效果分析

1.1抽油井變頻調(diào)速技術(shù)可行性分析

抽油機(jī)是利用交流異步電動(dòng)機(jī)，皮帶輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)減速傳動(dòng)平衡連桿機(jī)構(gòu)，牽動(dòng)柱塞泵中活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將進(jìn)入到柱塞中的原油提升到地面。在一定條件下，其產(chǎn)油量主要取決于油井的生產(chǎn)參數(shù)、漏失時(shí)間、井下環(huán)境等因素。由于工頻電機(jī)恒速運(yùn)轉(zhuǎn)，這樣抽油機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)的利用率有所下降，比如在一些不飽和的油井中，地層滲透系數(shù)較小，在上下沖程時(shí)間相等時(shí)，其柱塞中液體的飽和度較小，而漏失時(shí)間較大，不但影響了產(chǎn)量，也增加了能耗。另一方面，由于抽油機(jī)的平衡塊配重調(diào)節(jié)的不平衡，往復(fù)過程中勢(shì)能將以再生反電勢(shì)的形式?jīng)_擊電網(wǎng)，其低頻分量構(gòu)成內(nèi)耗，高頻分量污染電網(wǎng)，降低功率因數(shù)，不利于電網(wǎng)利用率及節(jié)能的需要。因此，采用變頻技術(shù)，改變上下沖程時(shí)間，以及可根據(jù)具體負(fù)載的需要，功率曲線圖作出最佳的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，使得設(shè)備運(yùn)行在優(yōu)化和可靠狀態(tài)之下，達(dá)到增產(chǎn)節(jié)能的目的。

智能抽油機(jī)的變頻控制系統(tǒng)主要由變頻調(diào)速器、可編程控制器和單片機(jī)組成，變頻調(diào)速器輸出的電源控制異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，電動(dòng)機(jī)通過減速器和四連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)抽油桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

1.2應(yīng)用效果分析

比對(duì)應(yīng)用的14臺(tái)變頻器，效果良好：

（1）平均日耗電減少104.8kW.h。

（2）平均節(jié)電率為35.5%。

（3）平均油井免修期延長55天。

2、變頻調(diào)速技術(shù)在電泵井應(yīng)用效果分析

2.1技術(shù)可行性分析

目前，電泵機(jī)組一般在高壓下直接啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)電流可達(dá)到額定電流的4—7倍，巨大的啟動(dòng)脈沖電流將沖擊電網(wǎng)，影響周圍其他用電設(shè)備的使用，對(duì)電泵機(jī)組本身而言，這種脈沖電流的沖擊對(duì)電機(jī)和電纜的破壞力是很大的，它將降低其絕緣強(qiáng)度，縮短其使用壽命。瞬時(shí)啟動(dòng)電泵機(jī)組，造成井筒內(nèi)壓力急劇下降，由此產(chǎn)生的壓力波迅速傳遞到油層，使油層與井筒之間形成巨大的壓力差，引起地層激動(dòng)出砂，容易造成泵砂卡或砂埋油層，出砂嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起井壁坍塌而損壞套管，造成油井報(bào)廢。若采用變頻調(diào)速技術(shù)控制電泵機(jī)組的啟動(dòng)，可在低頻（8—12Hz）下啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)間和啟動(dòng)頻率可方便地設(shè)定，啟動(dòng)電流和額定電流相差不多，即軟起動(dòng)，這樣能有效防止地層激動(dòng)出砂和脈沖電流的沖擊對(duì)電機(jī)和電纜的破壞。

2.2應(yīng)用效果分析

比對(duì)應(yīng)用的3臺(tái)變頻器，效果良好：

（1）平均日耗電減少275.5kW.h。

（2）平均節(jié)電率為13.3%。

四、結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1、機(jī)采系統(tǒng)變頻節(jié)能技術(shù)作為一種節(jié)能技術(shù)，要發(fā)揮它的最佳性能就要選對(duì)井況。它對(duì)供液不足的低沖次油井和需要頻繁調(diào)整參數(shù)的油井尤為適用，是減少設(shè)備故障率、降低設(shè)備運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用、降低采油生產(chǎn)成本的理想技術(shù)。

2、為了延長變頻器的使用壽命，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，對(duì)變頻器的定期檢查和保養(yǎng)是非常重要和有效的，在眾多檢查項(xiàng)目中，應(yīng)重點(diǎn)檢查主回路的平滑電容器，邏輯控制回路和電源回路，以及保護(hù)回路中的電解電容器和冷卻風(fēng)扇等。