變頻器在油田中的應(yīng)用

1 引言
變頻器自20世紀(jì)80年代在中國推出以后，在在國民經(jīng)濟(jì)和日常生活中發(fā)揮著日益重要作用，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)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(yīng)用,主要得益于其優(yōu)良的節(jié)能特性和調(diào)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)品能耗問題，除其它相關(guān)的技術(shù)問題需要改進(jìn)外，變頻調(diào)速已成為節(jié)能及提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效措施。油田作為一個特殊行業(yè)，有其獨(dú)特的背景，在油田中的以風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載為主，因而決定了變頻器在油田中的應(yīng)用應(yīng)以節(jié)能為第一目標(biāo)。油田中變頻器的應(yīng)用主要集中在游梁式抽油機(jī)控制、電潛泵控制、注水井控制和油氣集輸控制等幾個場合。下面從這幾個方面對變頻器在油田中應(yīng)用情況進(jìn)行詳細(xì)的說明。2 變頻器在游梁式抽油機(jī)控制中的應(yīng)用
目前，在勝利油田采用的抽油設(shè)備中，以游梁式抽油機(jī)應(yīng)用最為普遍，數(shù)量也最多。一方面，游梁式抽油機(jī)運(yùn)動為反復(fù)地上下提升，一個沖程提升一次，其動力來自于電動機(jī)帶動的兩個重量相當(dāng)大的鋼質(zhì)滑塊，當(dāng)滑塊提升時，類似于杠桿的作用，將采油機(jī)桿送入井中，滑塊下降時，采油桿提出帶油至井口，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速一定，在滑塊下降過程中，負(fù)荷減輕，電機(jī)拖動產(chǎn)生的能量無法被負(fù)載吸引，勢必會尋找能量消耗的渠道，導(dǎo)致電機(jī)進(jìn)入再生發(fā)電狀態(tài)，將多余的能量反饋到電網(wǎng)，引起主回路母線電壓的升高，勢必會對整個電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，導(dǎo)致電網(wǎng)供電質(zhì)量下降，功率因數(shù)降低，面臨被供電企業(yè)罰款的危險;頻繁的高壓沖擊會損壞電機(jī)，對電動機(jī)沒有可靠的保護(hù)功能，一旦電機(jī)損害，造成生產(chǎn)效率降低、維護(hù)量加大，極不利于抽油設(shè)備的節(jié)能降耗，給企業(yè)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。另一方面，游梁式抽油機(jī)引入兩個大質(zhì)量的鋼質(zhì)滑塊，導(dǎo)致抽油機(jī)的起動沖擊大等諸多問題。除了上述兩方面問題之外，油田采油的特殊地理環(huán)境決定了采油設(shè)備有其自有的運(yùn)行特點，在油井開采前期儲油量大，供液足，為提高功效可采用工頻運(yùn)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(jī)若仍工頻運(yùn)行，勢必浪費(fèi)電能，造成不必要的損耗，這時須考慮實際工作情況，適當(dāng)降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，減少沖程，有效提高充盈率。為了解決上述問題，可將變頻技術(shù)引入到游梁式抽油機(jī)控制中去。根據(jù)電機(jī)理論可知，其轉(zhuǎn)速公式為:

其中:p為電動機(jī)的極對數(shù)，s為轉(zhuǎn)差率，f為供電電源頻率，n為電動機(jī)的實際轉(zhuǎn)速。從式可以看出，電機(jī)轉(zhuǎn)速與頻率近似成正比，改變頻率即可以平滑地調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而可以連續(xù)地改變提油機(jī)的抽油速度。根據(jù)電動機(jī)工作電流的大小確定電動機(jī)的工作頻率，這樣可以根據(jù)井況的變化，方便的調(diào)節(jié)抽油機(jī)的沖程，達(dá)到節(jié)能和提高電網(wǎng)功率因數(shù)的目的。同時變頻調(diào)速器具有低速軟啟動，轉(zhuǎn)速可以平滑地大范圍調(diào)節(jié)，對電動機(jī)保護(hù)功能齊全，如短路、過載、過壓、欠壓及失速等，可有效地保護(hù)電機(jī)及機(jī)械設(shè)備，保證設(shè)備在安全的電壓下工作，具有運(yùn)行平穩(wěn)、可靠，提高功率因數(shù)等諸多優(yōu)點，是采油設(shè)備改造的理想方案。
目前，對游梁式抽油機(jī)的變頻器改造主要有以下3個方面:
(1) 以提高電網(wǎng)質(zhì)量，減小對電網(wǎng)影響為目標(biāo)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(jī)工作過程對電網(wǎng)的影響。這種應(yīng)用在勝利油田的臨盤采油廠已經(jīng)提上應(yīng)用日程。
(2) 以節(jié)能為第一目標(biāo)的變頻改造。這一點比較普遍，一方面，油田的抽油機(jī)為了克服大的起動轉(zhuǎn)矩，采用的電動機(jī)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實際所需功率，工作時電動機(jī)的利用率一般在20%-30%之間，最高不會超過50%，電動機(jī)常常處于輕載狀態(tài)，造成了電動機(jī)資源的浪費(fèi)。另一方面，抽油機(jī)的工作情況是連續(xù)變化的，這些都取決于地底下的狀態(tài)，若始終處于工頻運(yùn)行，勢必也會造成電能的浪費(fèi)。為了節(jié)能，提高電動機(jī)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(jié)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，是應(yīng)用中的一個重要發(fā)展方向。
在實際的應(yīng)用過程中卻出現(xiàn)了許多問題，這些問題主要集中在游梁式抽油機(jī)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單元可比較方便的實現(xiàn)，這是以多耗電能為代價的，
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，電動機(jī)處于電動狀態(tài)時，電動機(jī)從電網(wǎng)吸收電能(電表正轉(zhuǎn));電動機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時，電動機(jī)釋放能量(電表反轉(zhuǎn))，電能直接回饋電網(wǎng)的，并沒有在本地設(shè)備上耗費(fèi)掉。綜合表現(xiàn)為抽油機(jī)的供電系統(tǒng)的功率因數(shù)較低，對電網(wǎng)質(zhì)量影響較大。但是在使用普通變頻器時，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。上述這部分電能沒有流回電網(wǎng)的通路，必須用電阻來就地消耗，這就是必須使用能耗制動單元的原因。對于第二種情況和第三種情況，必須妥善的處理電動機(jī)發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生的電能，必須將其反饋到電網(wǎng)，否則通過調(diào)節(jié)抽油機(jī)的沖程節(jié)省的電能可能不能抵消變頻器制動單元消耗的電能，造成變頻運(yùn)行時反而耗能，與節(jié)能的目標(biāo)背道而馳。為了解決這個問題，有必要對普通變頻器進(jìn)行改造，在結(jié)構(gòu)上引入雙pwm結(jié)構(gòu)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(yīng)控制以適應(yīng)游梁式抽油機(jī)多變的工作環(huán)境。3 變頻器在電潛泵控制中的應(yīng)用　
油田中應(yīng)用較多的另一種采油設(shè)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(nèi)，地面電源通過變壓器、控制屏和電潛泵專用電纜將電能輸送給井下電潛泵電機(jī)，使電機(jī)帶動多級離心泵旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)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(qiáng)腐蝕等)，傳統(tǒng)的供電方式－全壓、工頻使它故障頻繁，運(yùn)行成本大增。一方面，電潛泵在工頻啟動時，啟動電流大，電機(jī)電纜的壓降較大，使得電機(jī)電纜在啟動過程中的反壓較高，使絕緣性能降低，每次開機(jī)都會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修理，僅工程費(fèi)一項就達(dá)5萬元，價值10萬元的電纜平均提上放下5次就須更換，電潛泵平均每10個月就須維修一次，維修費(fèi)用約8萬元，使用成本較高。另一方面，電潛泵在正常工作時，普遍存在著電機(jī)負(fù)載率較低的情況，“大馬拉小車”現(xiàn)象嚴(yán)重。潛油電泵的功率因數(shù)較低，耗電量多，工頻工作時，電潛泵始終工作在額定轉(zhuǎn)速下，如果井下液量供不應(yīng)求，容易造成“死井”，一旦死井則損失慘重。為了解決這個問題，電潛泵應(yīng)能夠根據(jù)地質(zhì)情況的變化，調(diào)節(jié)抽油量。傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方式是靠更換油嘴來調(diào)節(jié)產(chǎn)量，這樣既造成能量損失又不能精確地控制。有時使得電機(jī)與泵長期在高壓狀態(tài)下運(yùn)行;有時使得油井出沙嚴(yán)重，使設(shè)備壽命縮短，因而有必要引入變頻控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)油壓、調(diào)節(jié)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(zé)任公司都有現(xiàn)成產(chǎn)品提供，并在勝利油田中有一些應(yīng)用，并取得一定的效果。對電潛泵井進(jìn)行變頻改造后，實現(xiàn)了電潛泵的軟啟動、軟停車，有效地保護(hù)了電潛泵與電纜;通過調(diào)節(jié)頻率可方便的調(diào)節(jié)油壓，避免了電潛泵在高壓下長期運(yùn)行;延長了電潛泵的壽命，節(jié)約了油井維修、維護(hù)費(fèi)用，使電泵機(jī)組在最佳工況下運(yùn)行。大大提高了電潛泵采油系統(tǒng)的效率。同時，提高功率因數(shù)，提高了電網(wǎng)的供電能力，節(jié)電效果明顯。大面積推廣電潛泵變頻技術(shù)改造，將帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。應(yīng)用中也暴露出來一些問題，一方面，因為是新產(chǎn)品，在產(chǎn)品的軟硬件設(shè)計和設(shè)備配套上由一些不足，這時就要將新的控制方法引入到實際應(yīng)用中去發(fā)展變化　適應(yīng)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(tǒng)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(yīng)用。4 變頻器在注水泵控制中的應(yīng)用
油田開發(fā)過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)行油田開發(fā)。一方面，注水壓力的高低是決定油田合理開發(fā)和地面管線及設(shè)備的重要參數(shù)�？紤]到后期開發(fā)注水井的增多，注水工藝設(shè)計和機(jī)電設(shè)備配置都比實際寬裕，加之地質(zhì)情況的變化，開關(guān)井?dāng)?shù)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，注水量不均勻，不穩(wěn)定。注水壓力低，注水量滿足不了油田開發(fā)的需要，必然會造成油層壓力下降;注水壓力過高，浪費(fèi)動力，也造成超注，導(dǎo)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(shù)值很難準(zhǔn)確預(yù)測和控制，考慮到油田開發(fā)中的需要，在工藝和機(jī)電設(shè)備的配置上都按照油田最大可能的需求來設(shè)計，這一點在注水系統(tǒng)的設(shè)計當(dāng)中顯得尤為突出。油田注水設(shè)備多采用高壓離心泵匹配高壓電機(jī)，大功率系統(tǒng)運(yùn)行常是“大馬拉小車”，效率低下。注水壓力靠泵出口閘門手動控制，即靠改變管網(wǎng)特性曲線來調(diào)節(jié)泵的排量，泵、電機(jī)匹配難以達(dá)到在泵的最佳工況點運(yùn)行，管網(wǎng)效率低，電能損失高達(dá)50%以上。正是從恒壓注水和節(jié)能的兩個方面考慮，在油田注水系統(tǒng)中引入變頻控制。
通過流體力學(xué)的基本定律可知:風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備均屬平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。通過上述分析可以知道，通過改變電動機(jī)轉(zhuǎn)速可方便地改變水的流量，保證水壓恒定;通過改變電動機(jī)轉(zhuǎn)速，在降低水流量的同時，可有效降低系統(tǒng)的電能損耗。
通過變頻改造的注水系統(tǒng)具有如下優(yōu)點:
(1) 實現(xiàn)了電機(jī)軟起動、自由停車。電機(jī)均通過變頻器或軟起動從0～50hz作緩慢加速起動，可減少機(jī)泵因突然高速起動所帶來的影響，減少了直接起動時起動電流對電網(wǎng)的沖擊。
(2) 提高了功率因數(shù)，改善了電機(jī)電源質(zhì)量，電機(jī)的功率與實際負(fù)荷相匹配，系統(tǒng)達(dá)到節(jié)能運(yùn)行的目的。
(3) 消除了泵的喘振現(xiàn)象，使泵運(yùn)行處于最佳工況狀態(tài)。
(4) 實現(xiàn)了壓力自動控制，被調(diào)節(jié)量得到更平穩(wěn)的調(diào)節(jié)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
目前變頻調(diào)速技術(shù)在注水系統(tǒng)中，主要應(yīng)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(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，對注水設(shè)備的電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到穩(wěn)壓、穩(wěn)流供注水。同時軟起軟停的功能代替了減壓啟動，使電機(jī)起停平穩(wěn)，減少了對電網(wǎng)和機(jī)械設(shè)備的沖擊，不會造成管網(wǎng)壓力、流量、流速的劇烈變化，不需要閥門截流，因此對防止汽蝕、水擊、喘振極為有利，可以延長管網(wǎng)、泵、閥門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、富士及西門子等，國產(chǎn)品牌有佳靈、安圣等，在這個領(lǐng)域的應(yīng)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(yīng)用
在油田生產(chǎn)中，與注水泵類似，輸油泵的額定排量往往大于實際需要排量，現(xiàn)大馬拉小車現(xiàn)象。一方面，如果完全采用閥門調(diào)節(jié)輸油量，一旦油量變化較快，輸油閥門調(diào)節(jié)頻繁，增加了工作人員的勞動強(qiáng)度且所需人員也較多。若閥門調(diào)節(jié)不當(dāng)，易造成被抽干或冒罐現(xiàn)象。泵出現(xiàn)干抽燒損，冒罐則造成原油白白浪費(fèi)。另一方面，為保證輸出油量的恒定，需要保證管壓恒定，閥門的開度直接影響到管壓，太大太小都不行。如果使用變頻調(diào)速器，可以徹底解決這個問題。它通過減小電機(jī)電源頻率實現(xiàn)降低電機(jī)轉(zhuǎn)速。電機(jī)帶動泵運(yùn)行，電動機(jī)轉(zhuǎn)速降低，對于柱塞泵來說，就是降低了柱塞的運(yùn)行頻率，減小了泵的實際排量;對于離心泵來說，降低了葉輪轉(zhuǎn)速，同樣降低了泵的排量。因此，當(dāng)需要排量變化時，可以通過調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，達(dá)到控制排量的目的，保證管壓恒定。泵的排量降低了，電動機(jī)的負(fù)荷也就隨之減小，這樣電機(jī)輸出功率出隨之減小，這樣電機(jī)的效率可以有很大提高，電機(jī)損耗及電機(jī)輸出功率得到有效減小，達(dá)到節(jié)能的目的。6 總結(jié)
總之，變頻調(diào)速技術(shù)作為高新技術(shù)、基礎(chǔ)技術(shù)和節(jié)能技術(shù)，其應(yīng)用已經(jīng)滲透到石油行業(yè)的各個技術(shù)部門。在游梁式抽油機(jī)控制和電潛泵控制中的應(yīng)用還處于開始階段，在應(yīng)用中也出現(xiàn)了許多問題，這些都待于進(jìn)步解決。只有充分考慮油田油井的實際情況，才能促進(jìn)變頻技術(shù)在采油設(shè)備中的應(yīng)用。在油田注水和油氣集輸中的應(yīng)用與生活中的恒壓供水類似，其應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)成熟，應(yīng)用也十分普遍。變頻調(diào)速技術(shù)在油田中的應(yīng)用應(yīng)該集中解決以下兩個方面的問題:
(1) 解決變頻器的控制問題。這個必須解決變頻器如何適應(yīng)多變的工作環(huán)境，對某一臺抽油機(jī)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(yīng)不同井況的能力。
(2) 解決變頻控制成本較高的問題。與一般控制柜相比，變頻控制的成本太高。無論上雙pwm變頻器還是電潛泵專用變頻器，都面臨著這個問題，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(xiàn)
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計算機(jī)技術(shù)在GHH風(fēng)機(jī)中的研究與應(yīng)用
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