抽油機(jī)多功能調(diào)速裝置節(jié)能評價與認(rèn)識

黃晶楊 關(guān)宏業(yè)（大慶油田有限責(zé)任公司第七采油廠）

1 調(diào)速裝置結(jié)構(gòu)及原理

抽油機(jī)多功能調(diào)速裝置主要由傳感器、控制面板、變頻器、濾波器組成[1]。設(shè)備共設(shè)有兩個控制回路，可實現(xiàn)工頻、變頻之間任意切換[2]。其中傳感器負(fù)責(zé)傳輸曲柄旋轉(zhuǎn)過程中的位置信號，分辨出抽油機(jī)懸點位于上沖程或是下沖程，并將信號傳遞給控制面板；控制面板向變頻器傳達(dá)工作指令，測量電參數(shù)，分析判斷工況，監(jiān)測設(shè)備運行，同時具備過載、欠載保護(hù)功能；變頻器接受控制面板工作指令，實現(xiàn)節(jié)能、軟起、軟停、電動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整和無級調(diào)整沖速的功能[3]；濾波器可有效減少對周邊其他電力設(shè)備的干擾及電網(wǎng)的沖擊，有效控制諧波對電動機(jī)的影響[4]。

2 調(diào)速裝置軟啟動特性試驗

根據(jù)抽油機(jī)變負(fù)載的運行特性[5]，針對啟動困難、液面波動較大的井應(yīng)用抽油機(jī)多功能調(diào)速裝置，并通過跟蹤測試應(yīng)用前后電動機(jī)工作電壓、電流和功率變化曲線，分析曲線變化規(guī)律，對比啟動電流和有功功率等電能參數(shù)，評價該裝置的軟啟動特性。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)井軟啟動試驗

在動液面200 m情況下（其他工況類似），對比標(biāo)準(zhǔn)井工頻啟動與變頻啟動的啟動電流。由圖1可以看出，工頻啟動時的啟動電流為正常運行時的7～8倍，而變頻啟動的電流小于正常運行時電流值。

圖1 啟動電流對比

2.2 生產(chǎn)井軟啟動試驗

為驗證該裝置軟啟動特性，選擇啟動困難且功率利用率低于20%的抽油機(jī)井作為試驗對象（表1）。以葡A井為例，該井機(jī)型CYJ10-3-37HB，電動機(jī)額定功率37 kW，功率利用率僅為16.8%，且啟動困難。應(yīng)用多功能調(diào)速裝置后，采用變頻順利啟動。將原電動機(jī)更換18.5/28 kW雙速電動機(jī)，工頻無法啟動，變頻正常啟動。因此，證明多功能調(diào)速裝置的軟啟動特性既能解決抽油機(jī)啟動困難問題，而且能合理匹配裝機(jī)功率，提高電動機(jī)利用效率。

表1 葡A井軟啟動性能評價

3 調(diào)速裝置無級調(diào)速功能試驗

該裝置的變頻器以“交-直-交”轉(zhuǎn)換的方式，通過三項逆變電路來調(diào)整頻率[6]，來達(dá)到控制電動機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)，實現(xiàn)不停機(jī)調(diào)整沖速的功能。該裝置的控制面板上帶有電動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)旋鈕，轉(zhuǎn)動旋鈕可以實現(xiàn)沖速的無級調(diào)節(jié)。綜合考慮電動機(jī)承受能力，將變頻調(diào)整范圍設(shè)定為工頻頻率的60%～120%。即可在30～60 Hz進(jìn)行無級調(diào)節(jié)。實現(xiàn)無級調(diào)速后，節(jié)省更換皮帶、皮帶輪費用，降低工人勞動強(qiáng)度，提高抽油機(jī)運行時率的目的。

為驗證裝置的無級調(diào)速功能，選擇供液不足且參數(shù)無法下調(diào)的抽油機(jī)井作為試驗對象。以葡B井為例（圖2），該井沖程1.8 m、沖速4次/min，參數(shù)已無法下調(diào)。通過頻率調(diào)整后，沖速變?yōu)?.4次/min，沉沒度逐漸下降，并保持相對穩(wěn)定。對比試驗前后功圖情況（圖3），發(fā)現(xiàn)試驗井功圖得到明顯改善。

圖2 葡B井沖速調(diào)節(jié)與沉沒度變化曲線

同時，為防止非機(jī)采井管理人員隨意調(diào)節(jié)沖速，造成抽油機(jī)井動液面急速下降，導(dǎo)致干磨、燒泵現(xiàn)象發(fā)生。將變頻器主板內(nèi)數(shù)字處理器程序進(jìn)行升級改造。通過簡單設(shè)置，可將電位器鎖定。此時，任意旋轉(zhuǎn)電位器，生產(chǎn)參數(shù)也不會發(fā)生變化。

4 調(diào)速裝置“上快下慢”運行工況技術(shù)試驗

該裝置傳感器安裝于曲柄下方，它是通過監(jiān)測曲柄旋轉(zhuǎn)過程中的曲柄位置信號，分辯出抽油機(jī)懸點位于上沖程或是下沖程，提供變頻器開關(guān)信號，使抽油機(jī)下慢上快運行。根據(jù)單井的生產(chǎn)參數(shù)，在保證或接近原井沖速的前提下，跟蹤測試在一個沖程周期內(nèi)，對抽油機(jī)的上、下行程速度的優(yōu)化分配狀況，試驗其能否實現(xiàn)延長下行程時間、縮短上行程時間，提高油井泵效，減緩桿、管沖擊，延長油井檢泵周期。表2為200 m時變頻器40 Hz與變頻上沖程45 Hz下沖程35 Hz時的對比數(shù)據(jù)，由數(shù)據(jù)可以看出，“上快下慢”基本沒有節(jié)能效果，但是泵效大幅度提高。

表2 200 m時變頻器不同沖程時的對比數(shù)據(jù)

5 節(jié)能效果及適應(yīng)性評價

5.1 標(biāo)準(zhǔn)井節(jié)能效果評價

圖3 葡B井試驗前后功圖變化

按照標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6422—2008《石油企業(yè)節(jié)能產(chǎn)品節(jié)能效果測定》中的要求，分別在動液面為200 m、300 m、400 m、500 m，抽油機(jī)平衡率在80%～110%的條件下，進(jìn)行裝置安裝前后對比測試。共對比8井次，標(biāo)準(zhǔn)井平均功率因數(shù)0.938、系統(tǒng)效率31.90%、有功單耗0.889 kWh/100 m·t，平均無功單耗0.211 kvarh/100 m·t。與同型常用抽油機(jī)對比結(jié)果：有功節(jié)電率7.81%，無功節(jié)電率90.31%，綜合節(jié)電率13.11%。同時，發(fā)現(xiàn)沉沒度在200 m、300 m時，調(diào)速裝置節(jié)能效果最好。綜合節(jié)電率分別為14.70%、15.99%（表3）。

表3 不同負(fù)載條件下匯總

5.2 生產(chǎn)井效果評價

按照標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6422—2008《石油企業(yè)節(jié)能產(chǎn)品節(jié)能效果測定》中的要求，油井產(chǎn)液量和動液面變化不應(yīng)超過±5%，抽油機(jī)平衡度應(yīng)在80%～110%，進(jìn)行裝置安裝前后對比測試。對比測試884井次，平均有功節(jié)電率11.63%，無功節(jié)電率47.87%，綜合節(jié)電率16.35%，單井日節(jié)電37.8kWh。

1）生產(chǎn)井單井效果。運行功率和運行電流大幅度下降，運行電流和功率降低幅度在50%以上（表4）。

表4 葡C井運行電流和啟動功率對比

2）綜合節(jié)電率與產(chǎn)液量級別關(guān)系。該裝置適用于任何產(chǎn)液量級別的機(jī)采井，平均綜合節(jié)電率均可達(dá)15%以上。

3）綜合節(jié)電率與沉沒度關(guān)系。當(dāng)沉沒度控制在該區(qū)塊合理沉沒度界限時（160～360 m），綜合節(jié)電率相對較高?？紤]到現(xiàn)場參數(shù)實際調(diào)整情況，建議將沉沒度控制在200～300 m。

4）單井日節(jié)電與產(chǎn)液量及沉沒度。沉沒度控制在合理范圍內(nèi)（200～300 m）時，單井日節(jié)電隨著產(chǎn)液量的增加而增加。當(dāng)沉沒度大于合理范圍時，單井日節(jié)電呈下降趨勢。

6 結(jié)論與認(rèn)識

1）適用于0～140 t產(chǎn)液量級別的機(jī)采井，當(dāng)沉沒度控制在區(qū)塊合理沉沒度界限內(nèi)時，隨著產(chǎn)液量增加，單井日節(jié)電也隨之增加。

2）根據(jù)其軟啟動特點，可應(yīng)用于啟動困難且功率利用率低于20%的機(jī)采井。

3）根據(jù)其無級調(diào)速功能，可應(yīng)用于供液不足且參數(shù)無法下調(diào)的低產(chǎn)井。

4）在新井上應(yīng)用“多功能調(diào)速裝置+雙速電動機(jī)”，可有效降低裝機(jī)功率和機(jī)型。同時，起到節(jié)能降耗的效果。

[1]吳學(xué)博.多功率電動機(jī)在抽油機(jī)井上的應(yīng)用[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2017（4）：82-85.

[2]姜杰.抽油機(jī)節(jié)能配電裝置應(yīng)用效果評價[J].石油石化節(jié)能，2015（7）：40-42.

[3]張利.抽油機(jī)多功能調(diào)速裝置與伺服試驗對比[J].石油石化節(jié)能，2013（3）：17.

[4]徐勇.低壓變頻器中的濾波器設(shè)計[J].電動機(jī)與控制應(yīng)用，2007（12）：10-13.

[5]白連平.關(guān)于游梁式抽油機(jī)用電動機(jī)節(jié)能的討論[J].石油機(jī)械，1999（3）：15-17.

[6]劉慧芳.變頻調(diào)速技術(shù)在游梁式抽油機(jī)中的應(yīng)用[J].石油礦場機(jī)械，2004（5）：22-24.