能量回饋?zhàn)冾l控制柜在油井生產(chǎn)中的應(yīng)用

陳洪禹（中油電能電力運(yùn)維分公司）

建設(shè)綠色低碳油田，提升油田開發(fā)系統(tǒng)能源利用效益，降低碳排放和生產(chǎn)成本，是當(dāng)前各油田的一項(xiàng)重要研究課題。變頻技術(shù)作為目前最有效的一項(xiàng)電氣節(jié)能技術(shù)發(fā)展十分迅速，在油田生產(chǎn)和其它工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。利用變頻調(diào)速技術(shù)，可使油田抽油機(jī)實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)，設(shè)備選型更加合理；利用變頻調(diào)速技術(shù)，通過傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)模糊控制，使機(jī)械采油的效率在運(yùn)行過程中始終保持在最佳狀態(tài)，有效杜絕了設(shè)備的空耗，從而實(shí)現(xiàn)了節(jié)能的目的[2]。變頻控制技術(shù)是采用信息技術(shù)、模糊控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)等現(xiàn)代高新技術(shù)的綜合運(yùn)用，是一項(xiàng)全新的節(jié)能控制技術(shù)，特別適用于熱采區(qū)塊吞吐輪次高，地下參數(shù)變化大的油井生產(chǎn)，具有油井調(diào)參方便，節(jié)能控制效果好等優(yōu)點(diǎn)。而游梁式抽油機(jī)在運(yùn)行時(shí)是周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在抽油桿下行時(shí)會(huì)產(chǎn)生再生電能，處于油井釋放能量狀態(tài)，存在能源浪費(fèi)問題[3]。為此，在調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，提出《能量回饋?zhàn)冾l控制柜在油井生產(chǎn)中的應(yīng)用》這一研究應(yīng)用課題，并取得良好現(xiàn)場(chǎng)效果。

1 運(yùn)行機(jī)理

1.1 工作原理

當(dāng)前在各種抽油機(jī)變頻柜中處理再生電能的方法有制動(dòng)電阻、吸收電容、回饋制動(dòng)等，其中較為先進(jìn)的方法是利用回饋制動(dòng)的方式將這部分電能回饋電網(wǎng)[4]。抽油機(jī)能量回饋智能變頻控制柜，在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)的狀態(tài)時(shí)由主變頻器從電網(wǎng)吸收電能，而在油井釋放能量狀態(tài)時(shí)由回饋?zhàn)冾l器將這部分能量變成與電網(wǎng)電壓同步同相位的正弦波經(jīng)過濾波后回饋電網(wǎng)，利用變頻控制柜+永磁電動(dòng)機(jī)配合使用，進(jìn)行節(jié)能改造經(jīng)實(shí)踐證明效果非常明顯，節(jié)電率可高達(dá)30%～60%。

1.2 增產(chǎn)原理

能量回饋?zhàn)冾l控制柜節(jié)能裝置通過輸入正常頻率、最小載荷、最高頻率、最低頻率，能夠根據(jù)實(shí)時(shí)采集載荷及示功圖進(jìn)行分析處理。在一個(gè)沖程內(nèi)采集的載荷大于最小載荷，抽油機(jī)按正常頻率運(yùn)行，如果采集的載荷小于最小載荷，變頻柜將在最高頻率和最低頻率之間分成多段運(yùn)行。對(duì)于上下不平衡油井，控制抽油機(jī)按不同的頻率運(yùn)行，達(dá)到上快、下慢的方式運(yùn)行，減少空抽，提高泵效，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源，提高抽油泵充滿系數(shù)，提升原油產(chǎn)量。

1.3 電動(dòng)機(jī)節(jié)能原理

如果電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在額定負(fù)荷或額定負(fù)荷附近，則電動(dòng)機(jī)屬于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。實(shí)際上，電動(dòng)機(jī)以輕載運(yùn)行的情況是常見的。因此，電動(dòng)機(jī)節(jié)能是不容忽視的重要問題。電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率取決于電動(dòng)機(jī)負(fù)荷率，Y2系列37 kW/6 極電動(dòng)機(jī)的負(fù)荷率應(yīng)大于0.40；22 kW/6 極電動(dòng)機(jī)的負(fù)荷率應(yīng)大于0.46，此時(shí)電動(dòng)機(jī)為經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。對(duì)于不同功率的Y 系列電動(dòng)機(jī)，效率下降點(diǎn)也不同。一般情況下，功率因數(shù)、效率和負(fù)荷率關(guān)系見圖1。把效率將要快速下降點(diǎn)α所對(duì)應(yīng)的負(fù)荷率稱為臨界負(fù)荷率βα，當(dāng)負(fù)荷率β＞βα?xí)r，效率的變化不大，這是由于電動(dòng)機(jī)的可變損耗和不變損耗的對(duì)比關(guān)系所決定的，當(dāng)負(fù)荷率β＜0.7時(shí)，功率因數(shù)下降很快。功率因數(shù)的低下不但使電動(dòng)機(jī)本身能耗有所增加，而且給電網(wǎng)造成了附加損耗，降低了電網(wǎng)容量和變壓器設(shè)備的利用率[6]。從以上討論可以看出，只要負(fù)荷率β不低于βα，輕載運(yùn)行的影響主要是降低功率因數(shù)。對(duì)于一般負(fù)荷如風(fēng)機(jī)、水泵，節(jié)能的關(guān)鍵是提高負(fù)荷率。如果將負(fù)荷率提高到0.7～0.8 可以說是最佳運(yùn)行，沒有必要提高到1.0。一般工作在β在0.7 以上，功率因數(shù)就比較高。

圖1 功率因數(shù)、效率和負(fù)荷率的關(guān)系曲線

2 游梁式抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)

游梁式抽油機(jī)是機(jī)械采油的主要設(shè)備，約占機(jī)采井總數(shù)的75%。一個(gè)沖次內(nèi)功率和電流與時(shí)間關(guān)系見圖2。可見工作時(shí)承受帶沖擊性的周期交變負(fù)荷[7]（圖2a）。這一負(fù)荷特性要求驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)在選擇容量時(shí)留有足夠的裕度，以保證帶載啟動(dòng)時(shí)能克服抽油機(jī)較大的慣性矩，滿足啟動(dòng)要求；在運(yùn)行時(shí)有足夠的過載能力，以克服交變載荷的最大扭矩。因此，電動(dòng)機(jī)容量選擇就過大，負(fù)荷匹配不合理，大多數(shù)情況下電動(dòng)機(jī)處于輕載狀態(tài)，負(fù)荷率一般為0.25，同時(shí)，電動(dòng)機(jī)在一個(gè)沖次中還存在兩段發(fā)電狀態(tài)，一個(gè)沖次內(nèi)電動(dòng)機(jī)電流如圖2b 所示，在一個(gè)沖次內(nèi)其電壓與電流向量圖見圖3。在一個(gè)沖次內(nèi)，電流的大小及相位角總是變化的，相位有大于90°的情況，這段時(shí)間有功電流為負(fù)，為發(fā)電狀態(tài)，這已從理論上和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到證明[8-9]。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)中，采用兩種方法：一是接入三相電度表，在一個(gè)沖次內(nèi)有兩次電表反轉(zhuǎn)；二是用計(jì)算機(jī)采集電壓、電流的正弦波形，也清楚看出相位角甲大于90°的情況。發(fā)電情況與平衡有關(guān)，平衡效果越差，發(fā)電越多。平衡效果較好時(shí)，只有一次發(fā)電狀態(tài)。這種特殊負(fù)荷給電動(dòng)機(jī)節(jié)能帶來很大難度。另外，抽油桿運(yùn)動(dòng)時(shí)的慣性作用和彈性變形，使抽油機(jī)在上下死點(diǎn)產(chǎn)生沖擊，而普通Y 系列電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是硬特性。在運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)速隨負(fù)荷變化不大，抽油泵柱塞的實(shí)際行程由此變短，從而影響泵的充滿率，降低泵效，使整個(gè)游梁式抽油機(jī)的系統(tǒng)效率降低。

圖2 一個(gè)沖次內(nèi)功率和電流與時(shí)間的關(guān)系

圖3 電壓與電流向量圖

由以上分析可知，游梁式抽油機(jī)節(jié)能應(yīng)包括兩個(gè)方面：一是從電動(dòng)機(jī)本身考慮，就是提高電動(dòng)機(jī)效率和負(fù)荷率，從而提高運(yùn)行效率和功率因數(shù)。提高電動(dòng)機(jī)效率的潛力不大，而且是以增加電動(dòng)機(jī)成本為代價(jià)的。因此，如果負(fù)荷率高于臨界負(fù)荷率，只要適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電容器就達(dá)到節(jié)能的目的。二是從系統(tǒng)考慮，就是改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，使機(jī)、桿、泵整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到較好地配合，提高系統(tǒng)效率。兩者比較，后者的節(jié)能潛力比前者大得多。因此，后者應(yīng)該是游梁式抽油機(jī)用電動(dòng)機(jī)節(jié)能的主要研究方向。

3 能量回饋智能變頻控制柜的應(yīng)用

抽油機(jī)能量回饋智能變頻控制柜采用雙變頻技術(shù)，與普通變頻柜的主要區(qū)別是可以把返回變頻器直流環(huán)節(jié)的再生電能變換成一個(gè)和電網(wǎng)電源同步同相位的交流正弦波，經(jīng)過濾波后把電能反饋回電網(wǎng)，再生利用，抽油機(jī)能量回饋智能變頻控制柜能流見圖4。

圖4 能量回饋智能變頻控制柜能流

在對(duì)電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)進(jìn)行節(jié)能技術(shù)改造后，將電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)上的調(diào)速器速度設(shè)定旋鈕調(diào)整到最大，然后降低變頻器運(yùn)行頻率以達(dá)到正常的生產(chǎn)沖次。

3.1 特點(diǎn)

實(shí)現(xiàn)調(diào)速無須更換電動(dòng)機(jī)，省時(shí)省力；實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)、軟停止，降低工頻啟動(dòng)造成的電動(dòng)機(jī)和電纜的絕緣老化，延長了設(shè)備的維修周期及使用壽命；具有過流、過壓、過載、缺相、短路、三相不平衡等安全保護(hù)功能，提高了設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性；實(shí)現(xiàn)油井能量回饋電網(wǎng)。采用雙變頻控制技術(shù)，能把負(fù)載輕重變化時(shí)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的再生電能中97%的電能回饋電網(wǎng)，增加運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益；安全可靠，該裝置的應(yīng)用，可以降低抽油機(jī)全系統(tǒng)的運(yùn)行速度，以減輕傳動(dòng)、運(yùn)動(dòng)部分的疲勞和磨損（如油桿、皮帶等），有完全故障保護(hù)，使用安全；獨(dú)特的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，變頻主機(jī)做了防腐處理，具有防潮、防延誤功能及運(yùn)行溫度在-10～55 ℃，提高抽油機(jī)運(yùn)行的可靠性；具有備用工頻旁路系統(tǒng)，根據(jù)需要可轉(zhuǎn)工頻旁路運(yùn)行，以保障正常生產(chǎn)。

3.2 節(jié)能效果評(píng)價(jià)

抽油機(jī)能量回饋智能變頻控制柜對(duì)某采油廠8口油井的調(diào)速電動(dòng)機(jī)實(shí)施節(jié)能技術(shù)改造后，經(jīng)過前后對(duì)比測(cè)試統(tǒng)計(jì)，其節(jié)電率達(dá)到31.55%。應(yīng)用前后對(duì)比數(shù)據(jù)見表1。

表1 應(yīng)用前后測(cè)試對(duì)比數(shù)據(jù)

從表1 中可以看出，應(yīng)用抽油機(jī)能量回饋智能變頻控制柜后8 口油井平均日耗量減少91 kWh，單井電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)平均提高0.3，平均節(jié)電率達(dá)到31.55%，充分說明抽油機(jī)能量回饋智能變頻控制柜節(jié)電效果良好。

4 結(jié)束語

實(shí)踐證明，要進(jìn)一步提高游梁式抽油機(jī)的節(jié)能效果，一方面應(yīng)從改善現(xiàn)有電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性入手，使其機(jī)械特性與抽油機(jī)的負(fù)載特性互相配合，在負(fù)荷較小時(shí)工作特性較硬，負(fù)荷變大時(shí)特性變軟，既可減小輕載時(shí)的轉(zhuǎn)差損耗，又可像超高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)那樣增大抽油泵柱塞行程，提高泵效，提高系統(tǒng)效率。要達(dá)到此目的，最理想的是用頻敏材料制造電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組，但目前還未見有關(guān)研制成功頻敏效果較好（在0～50 Hz 內(nèi)）材料的報(bào)道，一旦頻敏材料的研究取得突破，必將給電動(dòng)機(jī)的制造和節(jié)能降耗開創(chuàng)新的途徑[10]。另一方面是研制應(yīng)用四象限變頻器，這樣就可以把電動(dòng)機(jī)發(fā)電狀態(tài)所發(fā)的電回饋電網(wǎng)，推廣應(yīng)用抽油機(jī)能量回饋智能變頻控制柜具有良好的推廣前景。