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          石化
          英威騰油田抽油機解決方案
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          摘   要:本文主要介紹了變頻器在幾類主流抽油機上的應用,進一步提高了抽油機采油系統效率,節約能源,降低開采成本,實現油田經濟有效開發,并實現真正意義上的數字化管理和智能控制。
          關鍵詞:油田 抽油機 變頻器 能源
          1.引言
          目前,我國油田使用的抽油機80%以上是采用旋轉電機為動力源的游梁式抽油機,工作時將旋轉運動轉換為上限往復運動,實現舉升采油。由于系統結構復雜,中間傳動部件多,機械損耗大,使得系統整體效率很低,一般不超過30%。近年來研究人員提出了許多新的抽油機系統設計方案,如塔式抽油機、直線電機抽油機等技術的應用正逐漸成為新的研究熱點。
          2.游梁式抽油機解決方案
          2.1項目背景
          游梁式抽油機運動為反復地上下提升,一個沖程提升一次,其動力來自于電動機帶動的兩個重量相當大的平衡塊,當平衡塊提升時,將采油機桿送入井中,平衡塊下降時,采油桿提出帶油至井口。由于電機轉速一定,在滑塊下降過程中,負荷減輕,電機拖動產生的能量無法被負載吸引,導致電機進入再生發電狀態,將多余的能量反饋到電網,引起主回路母線電壓的升高,勢必會對整個電網產生沖擊,導致電網供電質量下降,功率因數降低,頻繁的高壓沖擊會損壞電機,縮短電機壽命、維護量加大。
          另一方面游梁式抽油機為了克服大的起動轉矩,采用的電動機遠遠大于實際所需功率,工作時電動機的利用率一般在20%~30%之間,最高不會超過50%,電動機經常處于輕載狀態,造成了電動機資源的浪費。并且抽油機的工作情況是連續變化的,這些都取決于地底下的狀態,若始終處于工頻運行,勢必也會造成電能的浪費。為了節能,提高電動機的工作效率,需進行變頻改造。


          圖1游梁式抽油機

          2.2方案介紹
          為了回饋再生能量,提高效率,采用能量回饋裝置,將再生能量回饋電網。所謂能量回饋裝置,其實就是一臺有源逆變器。按采用的功率開關器件的不同又可以分為晶閘管(SCR)有源逆變器及絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)逆變器兩種,它們的共同特點是可以將變頻器直流回路的電壓反饋到電網。



          圖2變頻器+能量回饋單元
          2.3方案特點
          通過油田現場測試的抽油機的示功圖表明變頻器組成數字化抽油機運行良好,抽油機工作在最佳的狀態。變頻器作為控制的解決方案在數字化抽油機應用中有如下優點:
          (1)變頻解決方案,可以根據現場油井負荷大小使抽油機達到最佳的平衡狀態,根據油井的產液量使抽油機工作在合理的沖次,并根據油井工況對抽油機進行有效的保護;從而最大限度的使抽油機的運行參數與油井參數相一致,發揮抽油機的工作能力,實現低碳開發和節能開采;
          (2)變頻器內置的通訊功能,提供RS485通訊接口,使之與RTU控制模塊的通訊連接更加簡便;
          (3)模塊化設計,系統的維護更加簡單;
          (4)變頻器具有短路、過載、過壓、缺相、失速等多種保護和故障輸出功能,能有效保證系統安全高效的運行;
          (5)可以通過站控平臺有效實現變頻器的參數調整及管理要求,實現真正意義上的井場無人值守。
          2.4客戶反饋
          勝利油田某采油廠2012年使用能量回饋式電磁調速電動機135臺。經測試其平均噸液有功節電率為32%,平均噸液無功節電率為43%,功率因數平均提高0.21,綜合節電率為35%。形成年節電能力456萬千瓦時,年節電效益320萬元。
          3.塔式抽油機解決方案
          3.1項目背景
          塔式抽油機由動力傳動系統、控制系統、機架及移動裝置、平衡箱,平衡箱安全剎車系統,適用于普通油井的采油作業,尤其適用于長沖程、低沖次的采油工況使用。該系統核心在于永磁同步電動機。永磁同步電機具有低速啟動力矩大、寬調速、高效率和穩態轉速誤差小等特點。
          塔式抽油機所帶為恒轉矩性質負載,啟動時需要超過額定轉矩值的轉矩。工作狀態與電梯工作比較接近,分上升和下降兩個過程,支持懸停,對變頻器轉矩控制特性要求較高,由于永磁同步電機特性決定,在塔式抽油機配重不平衡時會出現能量回饋,因此需要通過反饋裝置反送給電網或者消耗在制動電阻上,以防止母線電壓過沖。



          圖3塔式抽油機
          3.2方案介紹
          采用永磁同步電機帶動的螺桿式抽油機需要超過額定轉矩的啟動轉矩,要實現迅速的啟??刂?,對控制精度的要求也較高,必須選用矢量控制型變頻器。螺桿式抽油機需滿足快速啟停,有效制動,這樣變頻器的制動單元應有較大的制動電流,縮短制動過程,須搭配制動單元。整個變頻驅動系統如下圖所示:



          圖4塔式抽油機變頻驅動系統
          3.3方案特點
          ●高級矢量控制模式,優異控制效果
          --無論在加減速時間、力矩、轉矩動態響應速度、運行電流、電機噪聲、穩速精度等方面均有出色表現,對變頻電機擁有優異的控制性能;
          ●標配內置C3濾波器,有效濾除電源輸入側高次諧波,有效防止變頻器整流過程中產生諧波干擾控制部分及弱電信號,保證系統工作穩定可靠;
          ●環境適應能力強
          --完全獨立風道設計加法蘭安裝模式可大幅提高抗擊油污、粉塵及濕熱等惡劣環境,有效降低變頻故障率,延長使用壽命;
          ●過載能力強
          --優異電流限幅特性,可有效降低變頻過載、過流保護,最大限度保障生產連續性;
          ●優越的AVR功能,超強電網適應性
          ●可用于電網長期偏低或電網波動等電源惡劣場合,保障輸出電壓、電流、速度穩定性;
          ●變頻器內部集成塔式抽油機專用工藝控制邏輯,結合人機界面,轉換成抽油機操控語言。
          3.4客戶反饋
          通過在長時間的運行觀察和一線員工的反饋,塔式抽油機變頻器驅動性能良好,可很好的替代國外同類產品。
          4.直線電機抽油機解決方案
          4.1項目背景
          直線電機抽油機結構緊湊、重量輕、體積小。動子(相當旋轉電機的轉子)是直線往復運動,通過柔性連接件、鋼絲繩導向輪直接與抽油桿連接。動子的運動與抽油泵柱塞上下運動完全一致,其生產成本低、運行效率高。它的沖程長度、上沖行程時間、下沖行程時間、分別連續可調,能很方便地實現:上快下慢、上慢下快、上下行程同速的三種作業方式。在工作過程中,直線電機抽油機有以下要求:
          (1)動子運動時頻繁換向,要求換向平穩、無撞擊現象;
          (2)動子頻繁切換于上升(重載)和下降(輕載)狀態,盡量保證負載變化時運行電流保持較小值,保證系統效率;
          (3)往復運動行程可調,即調整沖程,根據出油量選擇行程;
          (4)上行下行時間可調,上極限下極限停留時間可調,從而調整沖次;
          (5)三相輸出電壓,額定值為660V,考慮長距離傳輸時的壓降;
          (6)上行到上極限后保壓時間要長,保證較多的出油量。



          圖5直線電機抽油機
          4.2方案介紹
          本方案采用Goodrive300系列變頻器,具有V/F和無PG矢量兩種控制模式,其中在突加減載荷的情況下,速度波動非常輕微;可支持永磁同步電機、變頻器電機、直驅電機等,可以為用戶減少庫存,不再需要為不同的電機備用不同變頻器的庫存;具有準確的電機參數自學習功能,支持旋轉自學習與靜態自學習,其中靜態自學習可以在電機無法脫開負載的場合準確的學習電機的參數;具有先進的全程三相調制方式,使電機運行更平穩,噪音更小。
          4.3客戶反饋
          Goodrive300系列變頻器運行平穩,工作穩定,能很好地滿足工況要求。
          5.結束語
          變頻器控制功能的日益完善,使得此類高性能變頻器將會在越來越多的工業場合中得到應用。變頻器在性能優異的基礎上價格上也有一定的優勢,對于設備制造和使用者既可以降低成本還可以提高原有變頻傳動的性能,此外,使用變頻器大大降低能耗,既位企業節約了成本,節約了能源消耗,又保護了生態環境,在我國制造業升級的過程中,變頻器的應用將會更加廣泛。


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