油田變頻電機(jī)的節(jié)能控制分析

金立川 韓濤 尹學(xué)超 李華晶

摘 要：在油田抽油機(jī)采油過(guò)程中其裝備的三相異步電機(jī)運(yùn)行所需功率一般小于其裝機(jī)功率，這就會(huì)導(dǎo)致抽油機(jī)電機(jī)效率低下。在日常實(shí)際采油的過(guò)程中“大馬拉小車”的現(xiàn)象非常普遍，即這種情況就是大功率電機(jī)帶動(dòng)小功率負(fù)荷的現(xiàn)象。特別是在油井產(chǎn)量下降時(shí)，會(huì)導(dǎo)致抽油機(jī)效率大幅的下降和能耗的増加。因此本文選擇抽油機(jī)中三相異步電機(jī)的節(jié)能控制為研究對(duì)象，分別在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)和輕載運(yùn)行時(shí)進(jìn)行節(jié)能控制，降低電機(jī)的能耗，達(dá)到抽油機(jī)節(jié)能的效果。

關(guān)鍵詞：抽油機(jī);電機(jī);節(jié)能;控制

抽油機(jī)作為油田開(kāi)采過(guò)程中不可或缺的組成設(shè)備，其性能的研發(fā)和改進(jìn)也得到了蓬勃發(fā)展，逐漸向自動(dòng)化、智能化、高適應(yīng)性、低耗電性和高效率性方向邁進(jìn)。如果把抽油機(jī)電機(jī)的運(yùn)行效率僅提高1%，則就可以在一年內(nèi)節(jié)約大量的能耗，這表明節(jié)能潛力巨大。因此，本文選擇抽油機(jī)三相異步電機(jī)的節(jié)能控制為研究對(duì)象，以提高電機(jī)的功率因數(shù)、降低抽油機(jī)的能耗為研究目的，最終達(dá)到提高抽油機(jī)的系統(tǒng)效率的效果。

1.抽油機(jī)電機(jī)效率低的原因分析

游梁式抽油機(jī)目前是國(guó)內(nèi)外各大油田的主要機(jī)械采油的設(shè)備。然而抽油機(jī)整體效率非常低，導(dǎo)致出現(xiàn)抽油機(jī)電機(jī)效率低下這種情況主要是因?yàn)椋阂皇窃诔橛瓦^(guò)程中，油井的油液表面將緩慢減少，抽油機(jī)過(guò)剩的能力就變的越發(fā)明顯;二是為了防止在啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)意外，都按照啟動(dòng)時(shí)的啟動(dòng)功率來(lái)設(shè)計(jì)抽油機(jī)，但是往往在抽油機(jī)運(yùn)行中所需要的功率要比啟動(dòng)時(shí)低很多。三是在采油過(guò)程中留有一定的備用容量來(lái)防止在開(kāi)采石油過(guò)程中出現(xiàn)意外，這樣使得抽油機(jī)的負(fù)載遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于此時(shí)抽油機(jī)中裝備的電機(jī)的負(fù)載，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是大功率電機(jī)運(yùn)行在輕載的情況下，就出現(xiàn)了所謂的“大馬拉小車”的現(xiàn)象。

2.電機(jī)節(jié)能的調(diào)壓方法

當(dāng)電機(jī)處于空載或者輕載的情況時(shí)：電機(jī)輸出功率較小，但是此時(shí)輸入電壓還是額定值，導(dǎo)致此時(shí)的電機(jī)效率和電機(jī)的功率因數(shù)都不高。如果在此時(shí)進(jìn)行電機(jī)調(diào)壓節(jié)能控制則需要降低電機(jī)的電壓，可以使得定子中勵(lì)磁電流相應(yīng)減小，電機(jī)的銅耗會(huì)進(jìn)一步降低，鐵耗也有所降低，顯然電機(jī)的總損耗會(huì)顯著的降低，系統(tǒng)運(yùn)行效率得到了大幅的提高。電機(jī)調(diào)壓節(jié)能主要是以效率最高或者損耗最低為目的，從而達(dá)到最優(yōu)調(diào)壓控制。

2.1最優(yōu)定子電流法

當(dāng)異步電機(jī)處于某一負(fù)載時(shí)，必然存在著一個(gè)最優(yōu)的定子電流，這時(shí)可以使異步電機(jī)達(dá)到最高的工作效率。所以當(dāng)異步電機(jī)降壓運(yùn)行在所謂的定子電流最優(yōu)狀態(tài)時(shí)，這時(shí)電機(jī)的損耗是最小的。如果此時(shí)和電機(jī)全壓?jiǎn)?dòng)運(yùn)行時(shí)相比較，很大幅度的提高了異步電機(jī)的工作效率。該方法的工作原理是以電機(jī)定子電流為反饋量，在電機(jī)運(yùn)行中自動(dòng)尋找定子電流最優(yōu)值點(diǎn)，使電機(jī)一直運(yùn)行在最佳效率下。

2.2最小輸入有功功率法

異步電機(jī)以輸入端的有功功率值最小為控制目標(biāo)，計(jì)算輸入的有功功率需要三個(gè)變量，分別是電機(jī)的電壓、電流及功率因數(shù)角，所以必須要采集這三個(gè)參數(shù)變量。降低電機(jī)端電壓來(lái)搜索最小輸入功率運(yùn)行點(diǎn)，當(dāng)異步電機(jī)的輸入功率最小時(shí)，異步電機(jī)的效率會(huì)處于近似最優(yōu)的工作狀態(tài)，此時(shí)電機(jī)效率也是最高的。

2.3最小功率因數(shù)角法

當(dāng)異步電機(jī)處于輕載或空載狀態(tài)時(shí)，這時(shí)適當(dāng)?shù)亟档彤惒诫姍C(jī)的端電壓，相應(yīng)地電機(jī)的定子電流也會(huì)變小，減少的主要部分是定子電流中的無(wú)功分量。因此，異步電機(jī)的功率因數(shù)將相應(yīng)地增加，即功率因數(shù)角將減小。異步電機(jī)將具有一個(gè)功率因數(shù)角最小的工作點(diǎn)，在這時(shí)候電機(jī)運(yùn)行在最優(yōu)的工作狀態(tài)下，從而實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)節(jié)能控制的目的。

2.4恒功率因數(shù)法

通過(guò)對(duì)電機(jī)某相電壓與電流之間的相位關(guān)系進(jìn)行分析，再調(diào)節(jié)電機(jī)的電壓可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的恒功率因數(shù)節(jié)能控制。在電機(jī)處于空載或輕載運(yùn)行時(shí)，恒功率因數(shù)角控制首先通過(guò)比較電壓與電流之間的相位關(guān)系，再調(diào)整晶閘管的觸發(fā)角，這樣就可以使電機(jī)的電壓電流之間的相位差穩(wěn)定在固定值，同樣功率因數(shù)也會(huì)維持在給定值附近。當(dāng)電機(jī)空載時(shí)代表?yè)p耗部分的有功分量小于電機(jī)有負(fù)載時(shí)，兩者無(wú)功分量基本一樣。這樣電機(jī)帶負(fù)載后的功率因數(shù)大于電機(jī)空載時(shí)功率因數(shù)。如果在電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)使用了恒功率因數(shù)控制器，則有功分量電流基本為固定值，這依舊小于電機(jī)有負(fù)載時(shí)的有功分量電流，然而，由于電機(jī)端電壓降低，因此電機(jī)的無(wú)功分量電流比未采用恒功率因數(shù)控制器時(shí)的電流要小，這就意味著此時(shí)電機(jī)的功率因數(shù)將提高。因此，當(dāng)電機(jī)在空載或輕載條件下運(yùn)行時(shí)，恒功率因數(shù)控制器可以提高電機(jī)的功率因數(shù)，并相應(yīng)地提高電機(jī)的工作效率。

3.電機(jī)節(jié)能技術(shù)研究

3.1軟啟動(dòng)器技術(shù)

軟啟動(dòng)器技術(shù)可以在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)降低啟動(dòng)電流等其他參數(shù)值，達(dá)到節(jié)能效果的一種技術(shù)。軟啟動(dòng)器種類有很多種，利用軟啟動(dòng)器，有較好的降低啟動(dòng)電流的效果。

3.2功率因數(shù)檢測(cè)技術(shù)

功率因數(shù)檢測(cè)的準(zhǔn)確性直接影響著模糊控制器的效果，因此功率檢測(cè)技術(shù)環(huán)節(jié)非常重要，通過(guò)檢測(cè)某相電壓與電流的之間的相位差來(lái)得到功率因數(shù)的方法。此方法的電路不是很復(fù)雜，檢測(cè)的功率因數(shù)值也相對(duì)準(zhǔn)確。

3.3模糊控制技術(shù)

三相異步電機(jī)通常是一個(gè)嚴(yán)重的非線性控制對(duì)象，很難建立電機(jī)節(jié)能數(shù)學(xué)模型。如果采用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)分析方法來(lái)進(jìn)行控制，則所獲得的節(jié)能效果不是太讓人滿意。采用模糊控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的節(jié)能控制，這種控制技術(shù)不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型，而是在模糊模型的基礎(chǔ)上，運(yùn)用近似推理的手段方法實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制。

3.4仿真模型的建立

利用仿真軟件，對(duì)三相異步電機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，包括軟啟動(dòng)器模型、三相交流調(diào)壓模型、電機(jī)及其測(cè)量模塊、功率因數(shù)檢測(cè)模型、PID控制器模型和模糊控制器模型等。

4.節(jié)能發(fā)展趨勢(shì)分析

目前我國(guó)的抽油機(jī)上裝備的設(shè)備消耗電能太大，為了響應(yīng)國(guó)家節(jié)能降耗的口號(hào)，未來(lái)抽油機(jī)的發(fā)展要朝著節(jié)能減排的方向前進(jìn)，下面介紹抽油機(jī)未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。

4.1智能閉環(huán)控制

在油田的抽油機(jī)和控制室中安裝監(jiān)控設(shè)備，達(dá)到在控制室就可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)抽油機(jī)工作情況的目的，當(dāng)油田中油量發(fā)生較大變化或者氣候天氣等各種因素發(fā)生時(shí)，此時(shí)就可以根據(jù)實(shí)際情況改變抽油機(jī)的工作方式，從而達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控及時(shí)做出改變的目的。

4.2智能化專家控制與診斷

智能化專家控制與診斷就是在安裝監(jiān)控設(shè)備的油井中，當(dāng)抽油機(jī)發(fā)生例如：電機(jī)的過(guò)流、過(guò)壓、斷相保護(hù)和油井故障自動(dòng)停機(jī)保護(hù)等故障時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)及時(shí)在線式解決問(wèn)題的方式。解決問(wèn)題迅速且準(zhǔn)確，這樣大大提升了抽油機(jī)抽油的效率，也是未來(lái)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。

4.3負(fù)功率電能回饋

負(fù)功率大都產(chǎn)生在抽油機(jī)運(yùn)行在下沖程過(guò)程中，由于在下沖程過(guò)程中在接近底層時(shí)抽油機(jī)做減速運(yùn)動(dòng)，此時(shí)將之前產(chǎn)生的負(fù)功率都在此階段損失掉了，也是一種浪費(fèi)，如果將在下沖程過(guò)程中產(chǎn)生的負(fù)功率通過(guò)反饋環(huán)節(jié)回收到電網(wǎng)，則可以在很大程度上防止電能的浪費(fèi)。但是，如果回收電能的反饋環(huán)節(jié)穩(wěn)定性強(qiáng)的話，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能，不會(huì)影響抽油機(jī)及電網(wǎng)的穩(wěn)定。相反，如果此環(huán)節(jié)效果不好或者運(yùn)行不可靠的話，直接導(dǎo)致電網(wǎng)電能的污染，嚴(yán)重的話則會(huì)導(dǎo)致抽油機(jī)出現(xiàn)故障甚至停止工作。

4.5降低抽油機(jī)變頻智能控制裝置的成本

目前變頻器的價(jià)格較為昂貴，由于有時(shí)不是針對(duì)專門的抽油機(jī)所制作的，會(huì)導(dǎo)致在油田抽油機(jī)環(huán)境下工作時(shí)會(huì)發(fā)生不匹配的情況，影響整體的工作效率。因此，可以聯(lián)合專門的產(chǎn)品部門，再結(jié)合抽油機(jī)其特殊性批量生產(chǎn)，這樣既可以降低成本費(fèi)用，也可以提高其可靠性。

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