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變頻器在油田中的應用
1 引言變頻器自20世紀80年代在中國推出以后，在在國民經(jīng)濟和日常生活中發(fā)揮著(zhù)日益重要作用，已經(jīng)被廣泛的應用于企業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)以及人們的日常生活中。變頻器廣泛應用,主要得益于其優(yōu)良的節能特性和調速特性。中國產(chǎn)值能耗是世界上最高的國家之一。要解決產(chǎn)品能耗問(wèn)題，除其它相關(guān)的技術(shù)問(wèn)題需要改進(jìn)外，變頻調速已成為節能及提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效措施。油田作為一個(gè)特殊行業(yè)，有其獨特的背景，在油田中的以風(fēng)機、泵類(lèi)負載為主，因而決定了變頻器在油田中的應用應以節能為第一目標。油田中變頻器的應用主要集中在游梁式抽油機控制、電潛泵控制、注水井控制和油氣集輸控制等幾個(gè)場(chǎng)合。下面從這幾個(gè)方面對變頻器在油田中應用情況進(jìn)行詳細的說(shuō)明。2 變頻器在游梁式抽油機控制中的應用
目前，在勝利油田采用的抽油設備中，以游梁式抽油機應用最為普遍，數量也最多。一方面，游梁式抽油機運動(dòng)為反復地上下提升，一個(gè)沖程提升一次，其動(dòng)力來(lái)自于電動(dòng)機帶動(dòng)的兩個(gè)重量相當大的鋼質(zhì)滑塊，當滑塊提升時(shí)，類(lèi)似于杠桿的作用，將采油機桿送入井中，滑塊下降時(shí)，采油桿提出帶油至井口，由于電機轉速一定，在滑塊下降過(guò)程中，負荷減輕，電機拖動(dòng)產(chǎn)生的能量無(wú)法被負載吸引，勢必會(huì )尋找能量消耗的渠道，導致電機進(jìn)入再生發(fā)電狀態(tài)，將多余的能量反饋到電網(wǎng)，引起主回路母線(xiàn)電壓的升高，勢必會(huì )對整個(gè)電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，導致電網(wǎng)供電質(zhì)量下降，功率因數降低，面臨被供電企業(yè)罰款的危險;頻繁的高壓沖擊會(huì )損壞電機，對電動(dòng)機沒(méi)有可靠的保護功能，一旦電機損害，造成生產(chǎn)效率降低、維護量加大，極不利于抽油設備的節能降耗，給企業(yè)造成較大的經(jīng)濟損失。另一方面，游梁式抽油機引入兩個(gè)大質(zhì)量的鋼質(zhì)滑塊，導致抽油機的起動(dòng)沖擊大等諸多問(wèn)題。除了上述兩方面問(wèn)題之外，油田采油的特殊地理環(huán)境決定了采油設備有其自有的運行特點(diǎn)，在油井開(kāi)采前期儲油量大，供液足，為提高功效可采用工頻運行，保證較高的產(chǎn)油量;在中、后期，由于石油儲量減少，易造成供液不足，電機若仍工頻運行，勢必浪費電能，造成不必要的損耗，這時(shí)須考慮實(shí)際工作情況，適當降低電機轉速，減少沖程，有效提高充盈率。為了解決上述問(wèn)題，可將變頻技術(shù)引入到游梁式抽油機控制中去。根據電機理論可知，其轉速公式為:
其中:p為電動(dòng)機的極對數，s為轉差率，f為供電電源頻率，n為電動(dòng)機的實(shí)際轉速。從式可以看出，電機轉速與頻率近似成正比，改變頻率即可以平滑地調節電機轉速，從而可以連續地改變提油機的抽油速度。根據電動(dòng)機工作電流的大小確定電動(dòng)機的工作頻率，這樣可以根據井況的變化，方便的調節抽油機的沖程，達到節能和提高電網(wǎng)功率因數的目的。同時(shí)變頻調速器具有低速軟啟動(dòng)，轉速可以平滑地大范圍調節，對電動(dòng)機保護功能齊全，如短路、過(guò)載、過(guò)壓、欠壓及失速等，可有效地保護電機及機械設備，保證設備在安全的電壓下工作，具有運行平穩、可靠，提高功率因數等諸多優(yōu)點(diǎn)，是采油設備改造的理想方案。
目前，對游梁式抽油機的變頻器改造主要有以下3個(gè)方面:
(1) 以提高電網(wǎng)質(zhì)量，減小對電網(wǎng)影響為目標的變頻改造。這主要集中在供電企業(yè)對電網(wǎng)質(zhì)量要求較高的場(chǎng)合，為了避免電網(wǎng)質(zhì)量的下降，需引入變頻控制，其主要目的就是減小抽油機工作過(guò)程對電網(wǎng)的影響。這種應用在勝利油田的臨盤(pán)采油廠(chǎng)已經(jīng)提上應用日程。
(2) 以節能為第一目標的變頻改造。這一點(diǎn)比較普遍，一方面，油田的抽油機為了克服大的起動(dòng)轉矩，采用的電動(dòng)機遠遠大于實(shí)際所需功率，工作時(shí)電動(dòng)機的利用率一般在20%-30%之間，最高不會(huì )超過(guò)50%，電動(dòng)機常常處于輕載狀態(tài)，造成了電動(dòng)機資源的浪費。另一方面，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(tài)，若始終處于工頻運行，勢必也會(huì )造成電能的浪費。為了節能，提高電動(dòng)機的工作效率，需進(jìn)行變頻改造。
(3) 以提高電網(wǎng)質(zhì)量和節能為目的的變頻改造。這種情況綜合了上面兩種改造的優(yōu)點(diǎn)，是應用中的一個(gè)重要發(fā)展方向。
在實(shí)際的應用過(guò)程中卻出現了許多問(wèn)題，這些問(wèn)題主要集中在游梁式抽油機的發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生的能量的處理上。對于第一種情況，采用普通變頻器加能耗制動(dòng)單元可比較方便的實(shí)現，這是以多耗電能為代價(jià)的，
這主要是因為發(fā)電能量不能回饋電網(wǎng)造成的。在未采用變頻器時(shí)，電動(dòng)機處于電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，電動(dòng)機從電網(wǎng)吸收電能(電表正轉);電動(dòng)機處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，電動(dòng)機釋放能量(電表反轉)，電能直接回饋電網(wǎng)的，并沒(méi)有在本地設備上耗費掉。綜合表現為抽油機的供電系統的功率因數較低，對電網(wǎng)質(zhì)量影響較大。但是在使用普通變頻器時(shí)，情況發(fā)生了變化。普通變頻器的輸入是二極管整流，能量不可反方向流動(dòng)。上述這部分電能沒(méi)有流回電網(wǎng)的通路，必須用電阻來(lái)就地消耗，這就是必須使用能耗制動(dòng)單元的原因。對于第二種情況和第三種情況，必須妥善的處理電動(dòng)機發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生的電能，必須將其反饋到電網(wǎng)，否則通過(guò)調節抽油機的沖程節省的電能可能不能抵消變頻器制動(dòng)單元消耗的電能，造成變頻運行時(shí)反而耗能，與節能的目標背道而馳。為了解決這個(gè)問(wèn)題，有必要對普通變頻器進(jìn)行改造，在結構上引入雙pwm結構的變頻器，保證發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生的電能回饋電網(wǎng);在控制方法引入自適應控制以適應游梁式抽油機多變的工作環(huán)境。3 變頻器在電潛泵控制中的應用
油田中應用較多的另一種采油設備是電潛泵。電潛泵是井下工作的多級離心泵，同油管一起下入井內，地面電源通過(guò)變壓器、控制屏和電潛泵專(zhuān)用電纜將電能輸送給井下電潛泵電機，使電機帶動(dòng)多級離心泵旋轉，將電能轉換為機械能，把油井中的液體舉升到地面。
由于電潛泵是在地面以下2000多米的井底工作，工作環(huán)境非常惡劣(高溫、強腐蝕等)，傳統的供電方式－全壓、工頻使它故障頻繁，運行成本大增。一方面，電潛泵在工頻啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流大，電機電纜的壓降較大，使得電機電纜在啟動(dòng)過(guò)程中的反壓較高，使絕緣性能降低，每次開(kāi)機都會(huì )使電潛泵壽命大打折扣，大大影響了電潛泵的使用壽命。電潛泵損壞后提到地面上來(lái)修理，僅工程費一項就達5萬(wàn)元，價(jià)值10萬(wàn)元的電纜平均提上放下5次就須更換，電潛泵平均每10個(gè)月就須維修一次，維修費用約8萬(wàn)元，使用成本較高。另一方面，電潛泵在正常工作時(shí)，普遍存在著(zhù)電機負載率較低的情況，“大馬拉小車(chē)”現象嚴重。潛油電泵的功率因數較低，耗電量多，工頻工作時(shí)，電潛泵始終工作在額定轉速下，如果井下液量供不應求，容易造成“死井”，一旦死井則損失慘重。為了解決這個(gè)問(wèn)題，電潛泵應能夠根據地質(zhì)情況的變化，調節抽油量。傳統的調節方式是靠更換油嘴來(lái)調節產(chǎn)量，這樣既造成能量損失又不能精確地控制。有時(shí)使得電機與泵長(cháng)期在高壓狀態(tài)下運行;有時(shí)使得油井出沙嚴重，使設備壽命縮短，因而有必要引入變頻控制系統，調節油壓、調節產(chǎn)量。
針對電潛泵的特殊情況，我國的成都佳靈電氣制造有限公司和山東風(fēng)光電子有限責任公司都有現成產(chǎn)品提供，并在勝利油田中有一些應用，并取得一定的效果。對電潛泵井進(jìn)行變頻改造后，實(shí)現了電潛泵的軟啟動(dòng)、軟停車(chē)，有效地保護了電潛泵與電纜;通過(guò)調節頻率可方便的調節油壓，避免了電潛泵在高壓下長(cháng)期運行;延長(cháng)了電潛泵的壽命，節約了油井維修、維護費用，使電泵機組在最佳工況下運行。大大提高了電潛泵采油系統的效率。同時(shí)，提高功率因數，提高了電網(wǎng)的供電能力，節電效果明顯。大面積推廣電潛泵變頻技術(shù)改造，將帶來(lái)良好的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。應用中也暴露出來(lái)一些問(wèn)題，一方面，因為是新產(chǎn)品，在產(chǎn)品的軟硬件設計和設備配套上由一些不足，這時(shí)就要將新的控制方法引入到實(shí)際應用中去發(fā)展變化 適應多變的工作環(huán)境，提高配套產(chǎn)品的質(zhì)量;另一方面，控制系統的一次性投資較高，有的甚至要高于電潛泵的投資，只有進(jìn)一步降低成本，才能促進(jìn)變頻器控制在電潛泵中的應用。4 變頻器在注水泵控制中的應用
油田開(kāi)發(fā)過(guò)程中地層能量不斷衰減，常用注水方式以保持地層能量，進(jìn)行油田開(kāi)發(fā)。一方面，注水壓力的高低是決定油田合理開(kāi)發(fā)和地面管線(xiàn)及設備的重要參數�？紤]到后期開(kāi)發(fā)注水井的增多，注水工藝設計和機電設備配置都比實(shí)際寬裕，加之地質(zhì)情況的變化，開(kāi)關(guān)井數的增減，洗井及供水不足的影響，經(jīng)常引起注水壓力的波動(dòng)，注水量不均勻，不穩定。注水壓力低，注水量滿(mǎn)足不了油田開(kāi)發(fā)的需要，必然會(huì )造成油層壓力下降;注水壓力過(guò)高，浪費動(dòng)力，也造成超注，導致水淹，水竄;注水壓力控制難度大，也給油田生產(chǎn)和管理帶來(lái)諸多不便，因而要求油田注水壓力恒定。另一方面，由于儲油地層的壓力及油氣水分布不斷在發(fā)生變化，其數值很難準確預測和控制，考慮到油田開(kāi)發(fā)中的需要，在工藝和機電設備的配置上都按照油田最大可能的需求來(lái)設計，這一點(diǎn)在注水系統的設計當中顯得尤為突出。油田注水設備多采用高壓離心泵匹配高壓電機，大功率系統運行常是“大馬拉小車(chē)”，效率低下。注水壓力靠泵出口閘門(mén)手動(dòng)控制，即靠改變管網(wǎng)特性曲線(xiàn)來(lái)調節泵的排量，泵、電機匹配難以達到在泵的最佳工況點(diǎn)運行，管網(wǎng)效率低，電能損失高達50%以上。正是從恒壓注水和節能的兩個(gè)方面考慮，在油田注水系統中引入變頻控制。
通過(guò)流體力學(xué)的基本定律可知:風(fēng)機、泵類(lèi)設備均屬平方轉矩負載，其轉速n與流量q，壓力h以及軸功率p具有如下關(guān)系:q∝n，h∝n2，p∝n3;即，流量與轉速成正比，壓力與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的立方成正比。通過(guò)上述分析可以知道，通過(guò)改變電動(dòng)機轉速可方便地改變水的流量，保證水壓恒定;通過(guò)改變電動(dòng)機轉速，在降低水流量的同時(shí)，可有效降低系統的電能損耗。
通過(guò)變頻改造的注水系統具有如下優(yōu)點(diǎn):
(1) 實(shí)現了電機軟起動(dòng)、自由停車(chē)。電機均通過(guò)變頻器或軟起動(dòng)從0～50hz作緩慢加速起動(dòng)，可減少機泵因突然高速起動(dòng)所帶來(lái)的影響，減少了直接起動(dòng)時(shí)起動(dòng)電流對電網(wǎng)的沖擊。
(2) 提高了功率因數，改善了電機電源質(zhì)量，電機的功率與實(shí)際負荷相匹配，系統達到節能運行的目的。
(3) 消除了泵的喘振現象，使泵運行處于最佳工況狀態(tài)。
(4) 實(shí)現了壓力自動(dòng)控制，被調節量得到更平穩的調節，增強了系統的穩定性和可靠性。
目前變頻調速技術(shù)在注水系統中，主要應用在供水水源井電潛泵、注水站注水泵、配水間增壓泵工藝中。應用變頻調速技術(shù)，對注水設備的電機轉速進(jìn)行調節，達到穩壓、穩流供注水。同時(shí)軟起軟停的功能代替了減壓?jiǎn)?dòng)，使電機起停平穩，減少了對電網(wǎng)和機械設備的沖擊，不會(huì )造成管網(wǎng)壓力、流量、流速的劇烈變化，不需要閥門(mén)截流，因此對防止汽蝕、水擊、喘振極為有利，可以延長(cháng)管網(wǎng)、泵、閥門(mén)的維修周期和使用壽命。在注水泵變頻改造中涉及的品牌比較多，進(jìn)口品牌有abb、ab、三菱、東芝、富士及西門(mén)子等，國產(chǎn)品牌有佳靈、安圣等，在這個(gè)領(lǐng)域的應用技術(shù)已經(jīng)比較成熟。5 變頻器在油氣集輸控制中的應用
在油田生產(chǎn)中，與注水泵類(lèi)似，輸油泵的額定排量往往大于實(shí)際需要排量，現大馬拉小車(chē)現象。一方面，如果完全采用閥門(mén)調節輸油量，一旦油量變化較快，輸油閥門(mén)調節頻繁，增加了工作人員的勞動(dòng)強度且所需人員也較多。若閥門(mén)調節不當，易造成被抽干或冒罐現象。泵出現干抽燒損，冒罐則造成原油白白浪費。另一方面，為保證輸出油量的恒定，需要保證管壓恒定，閥門(mén)的開(kāi)度直接影響到管壓，太大太小都不行。如果使用變頻調速器，可以徹底解決這個(gè)問(wèn)題。它通過(guò)減小電機電源頻率實(shí)現降低電機轉速。電機帶動(dòng)泵運行，電動(dòng)機轉速降低，對于柱塞泵來(lái)說(shuō)，就是降低了柱塞的運行頻率，減小了泵的實(shí)際排量;對于離心泵來(lái)說(shuō)，降低了葉輪轉速，同樣降低了泵的排量。因此，當需要排量變化時(shí)，可以通過(guò)調節變頻器的輸出頻率，達到控制排量的目的，保證管壓恒定。泵的排量降低了，電動(dòng)機的負荷也就隨之減小，這樣電機輸出功率出隨之減小，這樣電機的效率可以有很大提高，電機損耗及電機輸出功率得到有效減小，達到節能的目的。6 總結
總之，變頻調速技術(shù)作為高新技術(shù)、基礎技術(shù)和節能技術(shù)，其應用已經(jīng)滲透到石油行業(yè)的各個(gè)技術(shù)部門(mén)。在游梁式抽油機控制和電潛泵控制中的應用還處于開(kāi)始階段，在應用中也出現了許多問(wèn)題，這些都待于進(jìn)步解決。只有充分考慮油田油井的實(shí)際情況，才能促進(jìn)變頻技術(shù)在采油設備中的應用。在油田注水和油氣集輸中的應用與生活中的恒壓供水類(lèi)似，其應用技術(shù)已經(jīng)成熟，應用也十分普遍。變頻調速技術(shù)在油田中的應用應該集中解決以下兩個(gè)方面的問(wèn)題:
(1) 解決變頻器的控制問(wèn)題。這個(gè)必須解決變頻器如何適應多變的工作環(huán)境，對某一臺抽油機控制的成功并不代表對所有油井都成功，因而必須提高變頻器控制技術(shù)適應不同井況的能力。
(2) 解決變頻控制成本較高的問(wèn)題。與一般控制柜相比，變頻控制的成本太高。無(wú)論上雙pwm變頻器還是電潛泵專(zhuān)用變頻器，都面臨著(zhù)這個(gè)問(wèn)題，因而必須提高相關(guān)產(chǎn)品的配套能力，在保證可靠性的前提下降低成本。參考文獻
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變頻矢量控制在數控車(chē)床主軸中的應用
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