楊彩梅 辛星志 石福浩
(1.中國(guó)石油化工股份有限公司中原油田分公司;2.中國(guó)石化勝利油田電力分公司;3.中國(guó)石化勝利油田公共事業(yè)服務(wù)中心)
油田是產(chǎn)能大戶(hù),亦是耗能大戶(hù)。目前常規(guī)式游梁抽油機(jī)是油田中應(yīng)用最廣泛的、抽油機(jī)。這種抽油機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,運(yùn)行可靠,操作維護(hù)方便,但是效率低,能耗高。據(jù)統(tǒng)計(jì),中國(guó)石油行業(yè)每年生產(chǎn)原油約1.9×108t,向社會(huì)提供大量能源的同時(shí)年耗電數(shù)達(dá)百億千瓦。在采油成本中,抽油機(jī)的電費(fèi)占30%左右,年耗電量占油田總耗電量20%~30%,為油田電耗的第二位[1]。因此為了節(jié)能降耗,提高效率,人們也對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行了一些改進(jìn),目前也出現(xiàn)了很多新型結(jié)構(gòu)的抽油機(jī),如雙驢頭抽油機(jī)、直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)式抽油機(jī)、漸開(kāi)線(xiàn)抽油機(jī)等[2]。
同時(shí),開(kāi)發(fā)清潔的可再生的能源逐漸成為各國(guó)的能源發(fā)展戰(zhàn)略,如風(fēng)力發(fā)電技術(shù)、光伏發(fā)電技術(shù)都已經(jīng)在油田中得到應(yīng)用,其中太陽(yáng)能的利用在我國(guó)呈上升趨勢(shì),光伏發(fā)電系統(tǒng)也逐漸發(fā)展完善。此外,儲(chǔ)能在另一方面很好的解決了分布式發(fā)電電源出力不穩(wěn)定、不均勻的問(wèn)題,各國(guó)均有不同類(lèi)型的儲(chǔ)能電站在投運(yùn)[3-4]。用含有儲(chǔ)能裝置光伏發(fā)電電源為抽油機(jī)進(jìn)行供電,極大的減少了電能購(gòu)買(mǎi)的經(jīng)濟(jì)成本,并且通過(guò)搭建模型驗(yàn)證了該方案的可行性。
油田應(yīng)用最多的游梁式抽油機(jī)的節(jié)能性能一般用異步電動(dòng)機(jī)的電能消耗量來(lái)衡量。由于抽油機(jī)負(fù)載的復(fù)雜性,抽油機(jī)在一周期內(nèi)的運(yùn)行狀況不同,在下沖程時(shí)抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài),稱(chēng)為倒發(fā)電現(xiàn)象。抽油機(jī)倒發(fā)電現(xiàn)象既是對(duì)電能的浪費(fèi),也會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成干擾。另外,由于抽油機(jī)的負(fù)載的特殊性,在一個(gè)總程中,電動(dòng)機(jī)的額定功率遠(yuǎn)大于實(shí)際功率,即抽油機(jī)長(zhǎng)時(shí)間處于輕載的狀態(tài),產(chǎn)生了低負(fù)荷現(xiàn)象,造成電動(dòng)機(jī)的效率降低,加大了電能的浪費(fèi),已有相關(guān)研究針對(duì)該問(wèn)題提出了相應(yīng)的改進(jìn)方法[5]。從抽油機(jī)本身的性能分析,對(duì)抽油機(jī)的自動(dòng)調(diào)節(jié)能力進(jìn)行改善也十分關(guān)鍵。
1)合理的調(diào)節(jié)運(yùn)行參數(shù)。在抽油機(jī)運(yùn)行過(guò)程中,運(yùn)行參數(shù)會(huì)對(duì)能耗產(chǎn)生重要的影響,并決定了舉升高度,抽油機(jī)的運(yùn)行效率會(huì)隨著舉升高度的增加而增大,通過(guò)設(shè)定合理的參數(shù),可以使得抽油機(jī)的舉升高度取得最優(yōu)值,這樣就能得到最大運(yùn)行效率。因此需要建立抽油機(jī)模型,進(jìn)行反復(fù)的實(shí)驗(yàn),獲得最優(yōu)舉升高度下的運(yùn)行參數(shù)。
2)無(wú)功補(bǔ)償器。這種措施是從用電設(shè)備方面考慮,在抽油機(jī)系統(tǒng)中,主要電器設(shè)備有兩種,分別是變壓器和電動(dòng)機(jī)。在使用變壓器的過(guò)程中,一般會(huì)在高壓側(cè)以及低壓側(cè)都使用集中形式的補(bǔ)償,采用該種方式可以使得電網(wǎng)的功率得到降低,電網(wǎng)的功率因數(shù)可以得到提高,同時(shí),在電動(dòng)機(jī)上添加補(bǔ)償設(shè)備,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)無(wú)功補(bǔ)償?shù)幕灸康摹?/p>
3)內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化。對(duì)抽油機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化是節(jié)能減耗的根本性措施,其主要是對(duì)內(nèi)部的連桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),使得其運(yùn)行過(guò)程中的平衡力得到改進(jìn),通過(guò)該種方式可以使得抽油機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的扭矩降低,運(yùn)行的周期縮短,進(jìn)而使得工作效率得到提升。我國(guó)近十幾年研制的各種新式節(jié)能型抽油機(jī)主要包括有下偏杠鈴游梁復(fù)合平衡抽油機(jī)、調(diào)徑變距游梁平衡抽油機(jī)、懸掛偏置游梁平衡抽油機(jī)等多種改進(jìn)抽油機(jī)[6]。
由于可再生能源的波動(dòng)性,光伏發(fā)電存在間歇性、隨機(jī)性的特點(diǎn),通過(guò)儲(chǔ)能裝置的協(xié)調(diào)配合,使得光伏發(fā)電的功率波動(dòng)減小,逆變器直流母線(xiàn)電壓穩(wěn)定,從而改善抽油機(jī)運(yùn)行質(zhì)量。整體系統(tǒng)的基本流程為光伏陣列將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能,經(jīng)過(guò)控制器判斷光伏發(fā)電功率,進(jìn)而決定蓄電池的工作狀態(tài),由光伏發(fā)電和蓄電池共同決定直流母線(xiàn)電壓,再經(jīng)DC/AC逆變器,將直流電轉(zhuǎn)換成可供抽油機(jī)運(yùn)行的三相交流電,使抽油機(jī)帶動(dòng)負(fù)載進(jìn)行工作。
儲(chǔ)能裝置經(jīng)雙向DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)功率雙向流動(dòng),使儲(chǔ)能部分具有充電和放電兩種工作狀態(tài)。采用了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能量轉(zhuǎn)換直接有效、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的非隔離式Buck/Boost雙向DC/DC變換電路[6]??刂频哪繕?biāo)是保持逆變器輸入側(cè)電壓穩(wěn)定,并控制充電電流。儲(chǔ)能變流器的控制采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制策略,通過(guò)電壓外環(huán)來(lái)控制電流內(nèi)環(huán),電壓調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器均采用PI控制器[7-9]。
從抽油機(jī)的電動(dòng)機(jī)模型和抽油機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩模型兩部分著手,結(jié)合電動(dòng)機(jī)模型和負(fù)載轉(zhuǎn)矩模型模擬了抽油機(jī)的正常工作狀態(tài),并利用MATLAB對(duì)其仿真,通過(guò)仿真繪制了抽油機(jī)的電流曲線(xiàn)和功率曲線(xiàn),由此得到了抽油機(jī)的工作狀態(tài)及倒發(fā)電狀況的運(yùn)行特點(diǎn)。
采用電流突變量夾角余弦的直流電網(wǎng)線(xiàn)路縱聯(lián)保護(hù)方法//周家培,趙成勇,李承昱,許建中//(14):165
然后根據(jù)抽油機(jī)所需供電電壓搭建了光伏-儲(chǔ)能一體化系統(tǒng),集發(fā)電-儲(chǔ)電為一體,對(duì)直流母線(xiàn)電壓進(jìn)行充放電控制,再經(jīng)過(guò)逆變環(huán)節(jié)代替電網(wǎng)電源為抽油機(jī)供電。
抽油機(jī)采用異步電動(dòng)機(jī)模型,從異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型來(lái)進(jìn)行分析,將三相A、B、C坐標(biāo)系變換為α、β坐標(biāo)系,寫(xiě)出該坐標(biāo)系下電動(dòng)機(jī)的電壓方程、磁鏈方程轉(zhuǎn)矩方程來(lái)描述電動(dòng)機(jī)的模型[10]。用Simulink的功能模塊搭建各個(gè)子模塊,然后進(jìn)行模塊之間的連接,異步電動(dòng)機(jī)模型見(jiàn)圖1。
圖1 異步電動(dòng)機(jī)模型
為驗(yàn)證該電動(dòng)機(jī)正確性,采取如下數(shù)組:額定功率P=2.2 kW;額定電流I=4.81 A;額定電壓U=380 V;電動(dòng)機(jī)Δ接法;額定轉(zhuǎn)速n=1 440 r/min;定子電阻R1=1.3Ω;轉(zhuǎn)子電阻R2=1.02Ω;電動(dòng)機(jī)定子自感Lr=0.074 H;電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子自感Ls=0.071 H;定轉(zhuǎn)子互感Lm=0.067 H;電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)np=2;負(fù)載轉(zhuǎn)矩:TL=5 N?m;轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:J=0.000 4 kg/m2。
由異步電動(dòng)機(jī)模型可得到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)(圖2),電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)(圖3)。
圖2 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)
圖3 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)
抽油機(jī)中曲柄軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)四連桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化成驢頭的上下直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)[11]。由于平衡重負(fù)載力矩和抽油機(jī)驢頭懸點(diǎn)載荷呈現(xiàn)周期性的波動(dòng),造成了抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)負(fù)載的復(fù)雜性。由驢頭懸點(diǎn)載荷的計(jì)算及其傳遞轉(zhuǎn)換兩方面探索抽油機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩的求解。
抽油機(jī)異步電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩與減速器的輸入軸扭矩有以下公式(1)關(guān)系為
式中:Tri為減速器輸入軸扭矩,N·m;TL為電動(dòng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩,N·m;ng為抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)上小皮帶轉(zhuǎn)速,r/min;nr為減速器大皮帶輪轉(zhuǎn)速,r/min。
式中:Tro為減速器的輸出轉(zhuǎn)矩;η2為減速器高速級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率;η3為減速器低速級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率;i2為減速器高速級(jí)傳動(dòng)比;i3為減速器低速級(jí)傳動(dòng)比。
減速器的輸出轉(zhuǎn)矩由兩部分組成,分別是油井負(fù)荷轉(zhuǎn)矩和曲柄平衡轉(zhuǎn)矩。
式中:Tp為油井負(fù)荷轉(zhuǎn)矩;Tc為曲柄平衡轉(zhuǎn)矩。
聯(lián)立公式(1)、(2)、(3)就可以得到電動(dòng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩與抽油機(jī)系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩的關(guān)系式(4)。
根據(jù)以上推導(dǎo)的抽油機(jī)負(fù)載關(guān)系式,用Simulink搭建抽油機(jī)負(fù)載模型(圖4)。
圖4 抽油機(jī)負(fù)載模型
4.3.1 放電控制方法仿真與結(jié)果
蓄電池工作在放電狀態(tài)時(shí),雙向DC/DC變換器工作在Boost模式,將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能放電仿真原理見(jiàn)圖5。設(shè)定光伏發(fā)電輸出電壓為550 V,蓄電池向直流母線(xiàn)提供電能,使直流母線(xiàn)電壓上升。
圖5 放電仿真原理
由仿真分析可知,放電時(shí),光伏發(fā)電輸出550 V電壓,變流器工作于Boost升壓模式,升壓全控器件工作在PWM模式,降壓全控器件不工作。仿真初期光伏電源迅速給直流母線(xiàn)側(cè)供電,使電壓上升到550 V。蓄電池的放電控制根據(jù)給定直流母線(xiàn)電壓,通過(guò)控制升壓全控器件的開(kāi)通與關(guān)斷,在升壓全控器件關(guān)斷時(shí)蓄電池給直流母線(xiàn)側(cè)供電,在升壓全控器開(kāi)通時(shí)停止給直流母線(xiàn)側(cè)供電,從而控制直流母線(xiàn)電壓的上升。
4.3.2 充電控制方法仿真與結(jié)果
蓄電池工作在充電狀態(tài)時(shí),雙向DC/DC變換器工作在Buck模式,具體充電過(guò)程仿真原理見(jiàn)圖6。設(shè)定光伏發(fā)電輸出電壓為600 V,直流母線(xiàn)向蓄電池充電,使直流母線(xiàn)電壓下降。
圖6 充電仿真原理
由仿真分析可知,充電時(shí),光伏發(fā)電輸出600 V電壓,變流器工作于Buck降壓模式,Q2工作在PWM模式,Q1不工作。仿真初期光伏電源迅速給直流母線(xiàn)側(cè)供電,直流母線(xiàn)電壓達(dá)600V。蓄電池的充電控制根據(jù)給定直流母線(xiàn)電壓,通過(guò)控制Q2的開(kāi)通與關(guān)斷,在Q2開(kāi)通時(shí)直流母線(xiàn)側(cè)向蓄電池充電,在Q2關(guān)斷時(shí)停止給蓄電池充電,從而控制直流母線(xiàn)電壓的下降與蓄電池的。最終直流母線(xiàn)電壓能夠維持穩(wěn)定并達(dá)到額定電壓。
本文介紹了抽油機(jī)的節(jié)能降耗需求以及常用措施,引入近年發(fā)展迅速的光伏發(fā)電技術(shù)以及儲(chǔ)能技術(shù)。儲(chǔ)能系統(tǒng)使用常規(guī)蓄電池,采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易控制、易實(shí)現(xiàn)的非隔離式Buck/Boost雙向DC/DC變換電路對(duì)儲(chǔ)能裝置的工作狀態(tài)進(jìn)行控制,組成光伏-儲(chǔ)能一體化系統(tǒng),共同對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行供電。通過(guò)MATLAB仿真進(jìn)行簡(jiǎn)單的驗(yàn)證,實(shí)現(xiàn)了蓄電池與光伏發(fā)電相配合對(duì)直流母線(xiàn)進(jìn)行充放電的控制,根據(jù)直流母線(xiàn)電壓水平控制蓄電池的充放電狀態(tài),使直流母線(xiàn)電壓能夠穩(wěn)定在正常水平,一定程度上解決了可再生能源功率波動(dòng)的問(wèn)題,并提高了能源利用率。