提高油田在用變頻控制設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量的探討

于春光（大慶油田有限責(zé)任公司第八采油廠）

變頻控制設(shè)備作為當(dāng)今電氣領(lǐng)域一種節(jié)能設(shè)備，在油田生產(chǎn)過程中得到廣泛應(yīng)用，也是智能化油田建設(shè)中不可缺少的一種重要智能控制裝備。變頻控制設(shè)備既是一種電氣節(jié)能設(shè)備，又是一種智能控制設(shè)備，在智能化信息化油田建設(shè)過程中，引進(jìn)大量變頻控制設(shè)備投入生產(chǎn)現(xiàn)場應(yīng)用，在抽油機(jī)井、注聚泵站、注汽站、注水泵站、油氣集輸泵站以及油田其它輔助生產(chǎn)設(shè)備中廣泛應(yīng)用，僅在勝利油田仙河地區(qū)在用各種油田變頻控制國內(nèi)外品牌設(shè)備已達(dá)2 000余臺。油田應(yīng)用變頻控制設(shè)備具有以下兩個方面優(yōu)點(diǎn)：一是調(diào)速方便快捷。特別對油井來說能夠?qū)崿F(xiàn)電動機(jī)無級變速[1]，便員工對油井生產(chǎn)參數(shù)的及時(shí)調(diào)整，降低調(diào)參工作量，提高油井生產(chǎn)時(shí)率；二是節(jié)能效果明顯。應(yīng)用變頻控制柜加普通電動機(jī)替代高耗能的調(diào)速電動機(jī)，節(jié)能效果明顯；在油田螺桿泵井上（特別是供液不足），應(yīng)用變頻控制柜既可實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)，又可實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗；對潛油電泵井應(yīng)用變頻調(diào)速節(jié)能控制柜，可以有效控制油井提液，且可降低油井提液單耗[2]。不僅在油井抽油機(jī)上，而且在注聚泵站、注汽站、注水泵站、油氣集輸泵站以及油田其它輔助生產(chǎn)設(shè)備中應(yīng)用變頻調(diào)速節(jié)能控制柜均取得了良好節(jié)電效果。但由于部分設(shè)備使用年限較長，設(shè)備故障率存在著明顯上升趨勢，如何提高變頻器的運(yùn)行質(zhì)量，確保設(shè)備完好率，充分發(fā)揮變頻調(diào)速節(jié)能降耗技術(shù)的作用顯得尤其重要。

1 油田在用變頻器存在的問題

通過對油田在用各種變頻控制設(shè)備的調(diào)研分析，結(jié)合油田在用變頻器的日常故障維修維護(hù)工作，油田在用各種變頻控制設(shè)備主要存在以下幾個方面問題：

1）在用各種變頻控制設(shè)備品牌多，變頻控制設(shè)備質(zhì)量參差不齊。目前，油田在用各種變頻控制設(shè)備品牌規(guī)格達(dá)到30余種，且自身質(zhì)量參差不齊。油田引進(jìn)應(yīng)用各種變頻控制設(shè)備時(shí)，既缺乏統(tǒng)一的產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，又缺乏專業(yè)化的產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)手段，造成各用戶單位對變頻控制設(shè)備入廠要求不統(tǒng)一，設(shè)備產(chǎn)品質(zhì)量難以得到有效保證。另一方面，由于在用各種變頻控制設(shè)備品牌多，給用戶使用日常維護(hù)保養(yǎng)和故障排除維修工作增加難度，影響到設(shè)備因故障維修不及時(shí)而造成設(shè)備的正常使用。

2）變頻控制設(shè)備使用環(huán)境條件惡劣，特別是用于油井生產(chǎn)變頻控制設(shè)備、注汽變頻控制設(shè)備和高壓增壓注水泵控制設(shè)備。由于這些變頻控制設(shè)備長期在野外工作場所工作，工作使用環(huán)境條件差，存在著變頻控制設(shè)備故障率高的問題。

3）變頻控制設(shè)備易產(chǎn)生電網(wǎng)諧波問題。變頻控制設(shè)備易產(chǎn)生電網(wǎng)諧波問題的根本原因是由于非線性負(fù)載所致。當(dāng)電流流經(jīng)負(fù)載時(shí)，與所加的電壓不呈線性關(guān)系，就形成非正弦電流，從而產(chǎn)生諧波[3-5]。變頻控制設(shè)備是一個典型的非線性負(fù)載，若在變頻控制設(shè)備中沒有采取諧波抑制措施，就會對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波干擾信號，高次諧波電流會對電網(wǎng)供電系統(tǒng)、負(fù)載及其他鄰近電氣設(shè)備產(chǎn)生干擾和不利影響。有的變頻控制設(shè)備生產(chǎn)廠家為了降低設(shè)備成本，對變頻控制設(shè)備未采取諧波抑制措施，造成供電線路諧波信號污染。

4）變頻控制設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)不合理。主要表現(xiàn)為啟動時(shí)間設(shè)定過長，制動時(shí)間設(shè)定過短，啟動頻率設(shè)定和啟動轉(zhuǎn)矩設(shè)定等參數(shù)不合理，運(yùn)行頻率設(shè)定過大或過小，變頻器載波頻率設(shè)定值偏低，補(bǔ)償電壓過高，啟動轉(zhuǎn)矩過大等問題，造成變頻控制設(shè)備運(yùn)行不正常，設(shè)備非故障性頻繁停機(jī)現(xiàn)象發(fā)生[6-7]。

5）電網(wǎng)電壓過高或過低對變頻控制設(shè)備的影響。部分油田生產(chǎn)電網(wǎng)處于供電電網(wǎng)的末端，易造成電網(wǎng)電壓波動較大的問題，電網(wǎng)電壓過高或低都會影響變頻控制設(shè)備的正常運(yùn)行。若變頻器在運(yùn)行過程中其輸入電壓高于或低于正常供電電壓380 V的允許偏差范圍，變頻器就會發(fā)出停機(jī)保護(hù)。對于變頻器來說，當(dāng)輸入電壓為380 V時(shí)，變頻器的輸入整流電壓的平均值為513 V，當(dāng)變頻器的輸入整流電壓高于在設(shè)計(jì)時(shí)規(guī)定的其容許承受的最高直流電壓值時(shí)，變頻器控制電路中的元器件就可能被損壞，為保護(hù)變頻器的正常運(yùn)行，每一臺變頻器均設(shè)有過電壓保護(hù)電路，一般其允許最高電壓值為760 V。當(dāng)變頻器的輸入整流電壓上升至760 V左右時(shí)，變頻器過電壓保護(hù)電路就會發(fā)出停機(jī)動作。同理，當(dāng)變頻器的輸入整流電壓低于在設(shè)計(jì)時(shí)規(guī)定的其容許承受的最低直流電壓值時(shí)，變頻器欠電壓保護(hù)電路就會發(fā)出停機(jī)動作。

6）變頻控制設(shè)備故障維修能力相對不足。由于部分設(shè)備老化嚴(yán)重，易損配件更換不及時(shí)，造成設(shè)備故障停機(jī)；現(xiàn)場操作人員對保養(yǎng)知識缺乏，造成維護(hù)維修保養(yǎng)不及時(shí)；現(xiàn)場工作環(huán)境太差，特別油井以及注汽鍋爐在用變頻控制設(shè)備，由于在野外工作存在高溫、高壓、風(fēng)沙大等問題，且油田連續(xù)性生產(chǎn)要求，造成設(shè)備連續(xù)長時(shí)間不間斷運(yùn)行；設(shè)備規(guī)格型號多，技術(shù)資料缺乏，造成維修配件難買。

7）電網(wǎng)電壓暫降對變頻控制設(shè)備的影響。油田電網(wǎng)出現(xiàn)電壓暫降后，出現(xiàn)油田變頻控制設(shè)備大面積停機(jī)現(xiàn)象，不能通過遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程啟動操作，影響油田正常生產(chǎn)和生產(chǎn)時(shí)率。

8）外圍其它控制設(shè)備對變頻控制設(shè)備干擾的問題。如在油田油井變頻控制設(shè)備柜中加裝電網(wǎng)防閃控制器后，出現(xiàn)油田油井變頻控制柜不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程啟停操作功能。

2 對策措施

針對油田在用變頻控制設(shè)備存在的問題，提出提高在用變頻控制設(shè)備質(zhì)量的以下對策措施：

1）加強(qiáng)油田在用變頻控制設(shè)備技術(shù)資料的收集與匯總。通過上網(wǎng)、與廠家聯(lián)系等多種手段，加強(qiáng)技術(shù)資料的收集、整理和使用管理，確保維修技術(shù)資料齊全，配件問題通過及時(shí)與廠家或設(shè)備供應(yīng)代理商聯(lián)系協(xié)調(diào)解決。同時(shí)，充分挖掘社會資源，加強(qiáng)與變頻控制設(shè)備生產(chǎn)廠家或代理供應(yīng)商的聯(lián)系，保證在用控制設(shè)備易損維修配件的及時(shí)供應(yīng)。

2）制定油田在用變頻控制設(shè)備相關(guān)企業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量檢測檢驗(yàn)技術(shù)手段，把好入廠質(zhì)量關(guān)。通過制定油田在用變頻控制設(shè)備相關(guān)企業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，建立專業(yè)化的用變頻控制設(shè)備質(zhì)量檢測檢驗(yàn)技術(shù)項(xiàng)目，對每一臺變頻控制設(shè)備實(shí)行入廠檢測檢驗(yàn)，確保油田入廠控制設(shè)備質(zhì)量。

3）加強(qiáng)保養(yǎng)和維護(hù)，改善控制設(shè)備現(xiàn)場工作環(huán)境條件，盡量減少環(huán)境對設(shè)備的影響。通過加強(qiáng)教育和管理，強(qiáng)化日常巡檢力度，同時(shí)開展變頻控制設(shè)備日常保養(yǎng)知識的培訓(xùn)，提高現(xiàn)場職工使用保養(yǎng)知識。對特殊井站的變頻控制設(shè)備加裝停機(jī)應(yīng)急報(bào)警器，提高故障報(bào)警效果，以便值班人員及時(shí)處理。對使用年限較長，且工作環(huán)境較差的控制設(shè)備，其冷卻風(fēng)扇、控制面板、以及充放電電容進(jìn)行定期檢測，發(fā)現(xiàn)存在故障缺陷的及時(shí)進(jìn)行更換，以減少設(shè)備故障率。

4）對變頻控制設(shè)備采取諧波抑制措施。采取的措施主要有：一是串接安裝電抗器，通過采取在變頻器的輸出電路中串接電抗器的辦法，來抑制5～19次諧波信號，其抑制效果明顯；二是適當(dāng)提高載波頻率，有利于減少諧波信號。當(dāng)變頻器載波頻率適當(dāng)提高后，雖然會增加一點(diǎn)變頻器自身能耗，但可改變變頻器輸出電流波型，正弦性能變好，毛刺減少，波形光滑，對抑制或減少諧波有利；三是增加變壓器的容量，減少回路的阻抗，四是使用無源濾波器或有源濾波器。無源諧波抑制裝置主要由濾波電容器、電抗器和電阻器適當(dāng)組合而成，與諧波源并聯(lián)，除具有濾波作用外，還有無功補(bǔ)償?shù)淖饔谩?/p>

5）優(yōu)化變頻控制設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)設(shè)置。通過組織職工學(xué)習(xí)變頻器工作原理、使用方法和注意事項(xiàng)，提高現(xiàn)場操作人員的變頻設(shè)備操作知識，掌握正確設(shè)備不同工況下的運(yùn)行參數(shù)，以減少非故障性停機(jī)現(xiàn)象的發(fā)生。

在參數(shù)優(yōu)化設(shè)置中，必須做到以下幾點(diǎn)：一是啟動時(shí)間設(shè)定原則是宜短不宜長。若啟動時(shí)間過長，則易產(chǎn)生跳閘動作。通常啟動時(shí)間設(shè)定經(jīng)驗(yàn)值為1.5～2 s/k W，小功率取大些；大于30 k W，取大于2 s/k W為宜；二是制動時(shí)間設(shè)定原則是宜長不宜短，易產(chǎn)生過壓跳閘，應(yīng)以自由制動為宜，避免實(shí)行快速強(qiáng)力制動，防止“水錘”效應(yīng)；三是啟動頻率設(shè)定對加速啟動有利，尤以輕載時(shí)更適用，一般啟動頻率從0開始合適；四是啟動轉(zhuǎn)矩設(shè)定對加速啟動有利，尤以輕載時(shí)更適用，一般啟動轉(zhuǎn)矩從0開始合適；五是制動時(shí)時(shí)間短或制動電阻過小時(shí)，易產(chǎn)生過電壓，造成變頻控制柜無法制動。解決辦法是通過適當(dāng)增長時(shí)間，增加電阻值就可避免；六是防止過補(bǔ)償或啟動時(shí)間短，就會造成啟動時(shí)在低頻小于或等于20 Hz時(shí)跳閘。原因是由于啟動轉(zhuǎn)矩大，保護(hù)值過?。òㄟ^流值及失速過流值），解決辦法是減小基底頻率就可；七是變頻器載波頻率設(shè)定值偏低，通常出廠值為2.5 kHz，容易產(chǎn)生啟動困難、使用變頻器后電動機(jī)溫升提高，振動加大，噪聲增高以及諧波信號增大等問題，通過適當(dāng)增高載波頻率值后，問題就解決了；八是空載跳閘，按照空載不易跳閘，解決辦法是適當(dāng)減小或恢復(fù)出廠值或置于0位。

6）加強(qiáng)過電壓和欠電壓的正確處理。對于變頻控制設(shè)備來說，對于不同的過電壓產(chǎn)生原因不同，因采取不同的對策措施：一是對于采用能量消耗型的變頻器，可采取在變頻器直流回路中并聯(lián)一個制動電阻，通過檢測直流母線電壓來控制一個功率管的通斷。當(dāng)電壓上升至700 V左右時(shí)，功率管導(dǎo)通，將再生能量通入電阻，以熱能的形式消耗掉，從而防止直流電壓的上升；二是對于采用能量回饋型的變頻器，其網(wǎng)側(cè)變流器是可逆的，當(dāng)有再生能量產(chǎn)生時(shí)，可逆變流器將再生能量回饋給電網(wǎng)，使再生能量得到完全利用；三是對于采用并聯(lián)直流母線吸收型的變頻器，可采取通過共用的制動電阻消耗掉。對于變頻控制設(shè)備來說，每一臺變頻器都設(shè)有直流母線過電壓抑制電路，以避免因過電壓保護(hù)動作而造成變頻器停機(jī)。對于因欠電壓引起的變頻控制設(shè)備故障，則通過調(diào)整電網(wǎng)線路變壓器輸出來解決電網(wǎng)電壓過低問題。

7）建立專業(yè)化的維修保障隊(duì)伍。通過導(dǎo)師帶徒，集中培訓(xùn)、現(xiàn)場維護(hù)實(shí)習(xí)、外出維修技術(shù)培訓(xùn)等方式，全面提高維修技術(shù)人員的維修技術(shù)水平和維修能力，增加現(xiàn)場維修工作經(jīng)驗(yàn)。建立定期現(xiàn)場巡檢工作制度，定期深入各生產(chǎn)現(xiàn)場了解和掌握在用變頻控制設(shè)備的使用現(xiàn)狀，特別對使用年限較長和使用環(huán)境在野外條件相對惡劣的設(shè)備進(jìn)行重點(diǎn)跟蹤維護(hù)；同時(shí)建立設(shè)備維修檔案，減少維修設(shè)備返修率，確保節(jié)能控制設(shè)備的良好運(yùn)行，充分發(fā)揮其最大效能，以求得節(jié)能設(shè)備效益最大化。

8）解決電網(wǎng)電壓暫降對在用變頻控制設(shè)備的影響。針對電壓暫降對變頻器正常運(yùn)行的影響，解決這種情況的辦法：一是可以采取在變頻器的前級一定要配置交流進(jìn)線電抗器[8]，進(jìn)線電抗器能限制由于電網(wǎng)電源的突降而產(chǎn)生的電流沖擊，從而保護(hù)變頻器[9]；二是設(shè)置變頻器自啟功能。在電網(wǎng)系統(tǒng)電壓暫降時(shí)，變頻器可能因電壓暫降而跳停，可以通過設(shè)置變頻器自啟，讓變頻器自動啟動，或通過改變變頻器控制電源的方法來躲過電壓暫降。三是加裝自啟動重合控制器。此方法適用于對1.5 s以上的瞬時(shí)失壓，只限于重要負(fù)荷電動機(jī)控制中采用。

9）對在用變頻控制柜的整體優(yōu)化，防止外圍其它控制設(shè)備對變頻控制設(shè)備干擾。通過優(yōu)化在用變頻控制柜的整體優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)在用變頻控制柜整體質(zhì)量提升，滿足在用變頻控制柜特別是油井變頻控制柜的遠(yuǎn)程啟停操作功能要求。

3 實(shí)施效果

1）節(jié)能變頻控制設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量明顯提升。通過采取以上對策措施，油田在用變頻控制設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量狀況得到一定程度的改善，在用變頻控制設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量有了明顯提高，無故障運(yùn)行時(shí)間得到延長，設(shè)備完好率指標(biāo)和設(shè)備故障維修能力進(jìn)一步提升，取得理想的工作效果。目前，油田在用變頻器的設(shè)備完好率達(dá)到100%，現(xiàn)場設(shè)備在線檢修率達(dá)到90%，現(xiàn)場維修質(zhì)量得到顯著提高。

2）降低設(shè)備故障維修費(fèi)用。在用變頻控制設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量的提升，不僅滿足了現(xiàn)場油氣生產(chǎn)的需要，而且延長了各種泵類（機(jī)采、注聚、注水泵、輸油泵和注汽泵）、壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)等設(shè)備的使用壽命，減少了各種機(jī)泵的故障率和維修費(fèi)用。僅以勝利油田孤東采油廠為例，年降低設(shè)備故障維修費(fèi)用10萬元。

3）變頻節(jié)能效益顯著。僅以勝利油田孤東采油廠為例，目前在用各類節(jié)能變頻控制設(shè)備1 260余臺，年實(shí)現(xiàn)變頻節(jié)能效益達(dá)400余萬元，節(jié)能效果明顯。

4）提升節(jié)能變頻控制設(shè)備維修能力。提升節(jié)能變頻控制設(shè)備通過開展變頻控制設(shè)備專業(yè)化維修隊(duì)伍建設(shè)，使油田企業(yè)真正掌握了變頻控制設(shè)備的維修技術(shù)，提高了自身的維修能力，既鍛煉了員工工隊(duì)伍，又充分挖掘了企業(yè)內(nèi)部潛力，發(fā)揮了員工技術(shù)優(yōu)勢，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

4 結(jié)束語

提高油田在用變頻控制設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量是一項(xiàng)十分重要的工作。實(shí)踐證明，加強(qiáng)油田在用變頻控制設(shè)備技術(shù)資料的收集與匯總，制定油田在用變頻控制設(shè)備相關(guān)企業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量檢測檢驗(yàn)技術(shù)手段，把好質(zhì)量入廠質(zhì)量關(guān)，加強(qiáng)保養(yǎng)和維護(hù)，改善控制設(shè)備現(xiàn)場工作環(huán)境條件，盡量減少環(huán)境對設(shè)備的影響，對變頻控制設(shè)備采取諧波抑制措施，優(yōu)化變頻控制設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)設(shè)置，加強(qiáng)過電壓和欠電壓的處理，建立專業(yè)化的維修保障隊(duì)伍，解決電網(wǎng)電壓暫降對在用變頻控制設(shè)備的影響，以及對在用變頻控制柜的整體優(yōu)化等措施均十分有效，有利于提高在用變頻控制設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)更好的節(jié)能降耗效果。