關(guān)鍵詞：抽油機(jī)械 變頻器 應(yīng)用
Abstract: This paper summarizes the upgrade application results of Fengguang inverters in the pump oil machinery, water pumps, and other equipments in oil field in recent years. It analyses the application complexity and the difficult point with using HV inverters, MV Inverters, has shown that the inverter control upgrade prospect in the oil field.
Key words: Pump oil machinery Inverter Application
[中圖分類(lèi)號(hào)]TE933 [文獻(xiàn)標(biāo)示碼] B 文章編號(hào)1561-0330（2005）03-008-03
1 引言
在我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各行各業(yè)中，石油所起的作用越來(lái)越重要，石油、煤炭已成為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱。但是，我國(guó)的石油儲(chǔ)量低，開(kāi)采成本高，難度大，且多處于地質(zhì)貧寒、鹽堿度高的地帶，石油的開(kāi)采量已遠(yuǎn)不能適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需要。因此降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)今年開(kāi)采，已成為當(dāng)務(wù)之急。
經(jīng)過(guò)對(duì)油田的考察與調(diào)研，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的最直接的手段就是采用變頻調(diào)速控制。對(duì)于我國(guó)的石油機(jī)械，從我國(guó)的幾大油田分析，其中傳統(tǒng)的曲桿式磕頭機(jī)所占的比例仍較大，其次潛油電泵也有相當(dāng)?shù)臄?shù)量。
在油田的輸油系統(tǒng)中，大多采用高壓輸油泵技術(shù)。我們最早與遼河油田聯(lián)合開(kāi)發(fā)的高壓變頻器，到現(xiàn)在已應(yīng)用與大慶油田、勝利油田、中原油田、遼河油田及青海油田的高中低壓變頻器，將變頻技術(shù)成功的應(yīng)用與抽油設(shè)備及附屬設(shè)施上，獲得了較好的效果。現(xiàn)分幾個(gè)方面介紹，以期得同行業(yè)的幫助與支持。
2 曲桿式抽油機(jī)
2．1抽油機(jī)變頻器
曲桿式抽油機(jī)俗稱(chēng)磕頭機(jī)，是利用曲桿的作用，靠動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)，將油從1000M以下的井下帶至地面。
其工作過(guò)程為：用電機(jī)帶動(dòng)減速機(jī)，減速機(jī)帶動(dòng)皮帶輪，皮帶輪帶動(dòng)兩個(gè)很重的鋼之滑塊，靠鋼質(zhì)滑塊的旋轉(zhuǎn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，依靠杠桿作用，將盛油器提上放下，而將油帶出地面進(jìn)入輸油管道中或儲(chǔ)油罐中，完成有抽油過(guò)程。
由于油井情況復(fù)雜，油層又較深，含沙、結(jié)蠟情況嚴(yán)重，油量希稠不勻，在油井的前、中、后期就需要調(diào)節(jié)抽油量，在前期，油量充足，可讓充程短一些，加大出油量，提高產(chǎn)量，而在中后期，井下油量不足時(shí)，可將充程調(diào)長(zhǎng)一些，減少抽油量，緩沖泥沙對(duì)抽油桿的沖擊。
油田上原來(lái)的調(diào)節(jié)是靠調(diào)節(jié)皮帶輪來(lái)調(diào)整充程的，這不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，有的單靠抽油工工都調(diào)節(jié)不了，更換皮帶輪麻煩，更換后的充程也不一定合乎要求，需要反復(fù)調(diào)整，而且這種調(diào)節(jié)方式，電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，也浪費(fèi)了電能。
我們采用變頻器對(duì)這種抽油方式進(jìn)行了改造，調(diào)節(jié)充程時(shí)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速代替調(diào)節(jié)皮帶輪，起到了比較號(hào)的效果。在前期井中，調(diào)高電機(jī)轉(zhuǎn)速，甚至超過(guò)全速（50Hz,一般調(diào)至65Hz），使抽油量加大，提高產(chǎn)量；在中后期井中，降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，使充程滿(mǎn)足工況要求，即可實(shí)現(xiàn)充程調(diào)節(jié)。這種方式簡(jiǎn)便易行，采油工只簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)一下變頻器頻率調(diào)節(jié)旋鈕即可，而且實(shí)現(xiàn)了節(jié)能。在前期井中，提高產(chǎn)量也即意味著節(jié)能，低于50Hz運(yùn)行更可節(jié)約大量的能量。經(jīng)實(shí)測(cè)，節(jié)電率在35％左右。
但這類(lèi)變頻器有一個(gè)特殊的地方應(yīng)注意，在抽油機(jī)提升油時(shí)由于杠桿的作用，相應(yīng)的鋼質(zhì)滑塊要下落，這期間電機(jī)將超過(guò)同步轉(zhuǎn)速而發(fā)電，回送至變頻器，使變頻器的工作安全受到威脅，所以要加耗能環(huán)節(jié)，將該部分能量消耗掉。
為使變頻器故障時(shí)不耽誤生產(chǎn)，可加工工頻旁路，其應(yīng)用示意圖如圖1所示。變頻器運(yùn)行時(shí)，開(kāi)關(guān)C1和C2全部合閘，C3斷開(kāi)；變頻器故障時(shí)C1和C2斷開(kāi)，C3合閘；變頻器運(yùn)行，C3和C1，C2聯(lián)鎖，不會(huì)發(fā)生合閘的情況。
圖1 變頻器外部接線(xiàn)圖
2．2中頻加熱電源
在曲桿式抽油機(jī)中，有很多地質(zhì)情況下油質(zhì)稠，難于開(kāi)采，于是就采取了一種措施，用空心桿進(jìn)行電加熱，將稠油變稀而利于開(kāi)采。
傳統(tǒng)的加熱方式式采用工頻加熱，其原理如圖2所示。
圖2 工頻加熱原理線(xiàn)路圖
將加熱電纜放入空心桿中，空心桿放入油井中當(dāng)加熱電纜通電變熱時(shí)，空心桿也變熱，從而將井中附件的油加熱變稀。
這種加熱方式一是需要專(zhuān)門(mén)的變壓器，將380V的三相交流電變成單相500V的交流電，引起電網(wǎng)的不平衡，污染電網(wǎng)，加熱效果也不好，常會(huì)由于加熱電纜的損壞而造成工作不正常，甚至燒毀變壓器。
鑒于以上情況，我們與油田合作，研制了一種專(zhuān)門(mén)的電源對(duì)電纜進(jìn)行加熱，采用新型的變頻技術(shù)，在中頻狀態(tài)下（大約500Hz左右）加熱，升溫快，溫度高，效果更好，而且可以節(jié)約電能，這就是中頻加熱電源。其工作如圖3所示。
圖3 工頻加熱原理接線(xiàn)圖
采用變頻的原理，將50Hz的三相交流電，變成頻率為500Hz，電壓連續(xù)可調(diào)的中頻電源，是比較容易的。后面接一中壓變壓器，起隔離機(jī)阻抗匹配的作用。利用單片機(jī)檢測(cè)電網(wǎng)的變化、電纜負(fù)載的變化等。將對(duì)整個(gè)系
統(tǒng)的工作起到很好的保護(hù)作用。
根據(jù)油田電網(wǎng)的實(shí)際，我們又開(kāi)發(fā)了1140V的中壓中頻電源、這種電源已有近百臺(tái)在油田上使用，提高了加熱效果，節(jié)省了電能，得到用戶(hù)的好評(píng)。與原來(lái)的工頻相比較，節(jié)電可達(dá)33％以上。
3 潛油電泵改造
在一些油田，由于油層較深，含水量較大，一般油層在2-3km，采用普通的曲桿式抽油機(jī)，開(kāi)采量小，且容易出問(wèn)題，于是人們就采用像抽水的潛水泵抽水一樣，將油提上來(lái)，這就是潛油電泵。
潛油電泵由于潛油較深，電纜較長(zhǎng)，一般采用中壓輸電而減小壓降損耗，采用中壓電機(jī)，一節(jié)泵潛油電泵采用1140V供電，兩節(jié)泵潛油電泵采用2300V供電。
原來(lái)的工頻控制采用工頻全壓?jiǎn)?dòng)，用電機(jī)保護(hù)儀對(duì)電機(jī)進(jìn)行保護(hù)，如圖4所示。
圖4 工頻全壓控制潛油電泵圖
由于采用全壓?jiǎn)?dòng)，對(duì)電網(wǎng)沖擊較大，電機(jī)所受扭矩較大，在油層含沙、結(jié)蠟的情況下，電機(jī)軸扭斷的情況時(shí)有發(fā)生，而電壓經(jīng)過(guò)2-3km的電纜后，到電機(jī)側(cè)將有150V左右的壓降得不到補(bǔ)償，因此時(shí)間長(zhǎng)了電機(jī)也會(huì)被燒毀。一旦出現(xiàn)問(wèn)題，將要花費(fèi)很大的的財(cái)力（油田上稱(chēng)上作業(yè)）將電泵提上來(lái)進(jìn)行更換、檢修，電纜被提上、放下5次就將報(bào)廢，所以損失慘重，需要進(jìn)行改造。
由于變頻器具有軟啟動(dòng)功能，可進(jìn)行軟啟動(dòng)補(bǔ)償?shù)龋什捎脤?zhuān)用變頻器對(duì)潛油電泵進(jìn)行了改造。
潛油電泵變頻器已進(jìn)行了多方面的介紹，由于電壓的\特殊性，加之IGBT模塊的耐壓有限，我們采用模塊串聯(lián)的方式，用三電平電路實(shí)現(xiàn)了1140V-2300V電壓等級(jí)，研制出了潛油電泵專(zhuān)用變頻器。采用低頻補(bǔ)償對(duì)啟動(dòng)不足加以補(bǔ)償控制。用低頻軟啟動(dòng)，使電機(jī)啟動(dòng)平穩(wěn)，較好的彌補(bǔ)了工頻起動(dòng)運(yùn)行不足，而且采油工可根據(jù)油井含油量的多少調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，適應(yīng)實(shí)際工況的需求，節(jié)約了電能，收到了較滿(mǎn)意的效果。節(jié)電率可達(dá)到25％以上。變頻改造的示意如圖5所示。
圖5 潛油電泵變頻器控制接線(xiàn)圖
4 高壓輸油泵及注水泵
4．1輸油泵
輸油泵是油庫(kù)生產(chǎn)運(yùn)行中主要的能耗設(shè)備。原來(lái)一般通過(guò)控制輸油泵出口閥門(mén)的開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)油量，大量的能源消耗在泵出口閥前后。
在設(shè)計(jì)初期，考慮到各種工況的需求，泵的設(shè)計(jì)裕量一般較大。在一般情況下，存在著“大馬拉小車(chē)”的情況。據(jù)測(cè)算，輸油泵出口閥門(mén)的節(jié)流損失最大占額定功率的39％。可見(jiàn)能源的浪費(fèi)是十分驚人的，其節(jié)能改造勢(shì)在必行。
遼河油田錦州采油廠歡三站采用我公司的高壓變頻器對(duì)一臺(tái)6KV/335KW的輸油泵進(jìn)行了改造。根據(jù)流體力學(xué)特性，改變電機(jī)轉(zhuǎn)速后，其泵所需的輸入功率會(huì)大幅度的降低，從而達(dá)到了節(jié)能效果。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況，合理的調(diào)整變頻器運(yùn)行參數(shù)，其綜合節(jié)電率可達(dá)37％。
4．2注水泵
在油田生產(chǎn)中，對(duì)某些油含量較少的井，采用注水方式進(jìn)行輸油，有的井油抽干后，為保持地質(zhì)平衡，也需要進(jìn)行注水。注水泵的應(yīng)用在油田上也很普遍。
由于應(yīng)用環(huán)境的惡劣，一般采用高壓電機(jī)，而其功率又比較大，加之工況不同，設(shè)計(jì)裕量較大，也存在“大馬拉小車(chē)”的現(xiàn)象，能源浪費(fèi)也很?chē)?yán)重。
我們?cè)谶|河油田錦州采用廠歡三站對(duì)兩臺(tái)注水泵進(jìn)行了變頻調(diào)速節(jié)能改造，一臺(tái)是6kv/400kw一臺(tái)是6kv/1800kw采用高壓大功率變頻器，安裝運(yùn)行一年多，工作正常，其綜合節(jié)電率可達(dá)到46％。
5 結(jié)束語(yǔ)
對(duì)抽油設(shè)備進(jìn)行改造，是油田提高產(chǎn)量，節(jié)約電能的正確措施，變頻器發(fā)揮了必將繼續(xù)發(fā)揮更強(qiáng)大的作用。通過(guò)這幾年的實(shí)踐，我們已有了成功的經(jīng)驗(yàn)。可以預(yù)計(jì)，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，變頻器的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)更為拓展，將會(huì)成為油田改造的好產(chǎn)品。
參考文獻(xiàn)
【1】 馬明利，《高壓變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)在油田輸油泵機(jī)組上的應(yīng)用》，《變頻器世界》2005（1）
【2】 韓文昭，李瑞來(lái)，程緒東，《1140潛油電泵專(zhuān)用變頻器》，《電氣傳動(dòng)》，2002（3）
【3】 李瑞來(lái)，何洪臣，韓文昭，《2300V潛油電泵專(zhuān)用變頻器》，《中國(guó)國(guó)際電源科技論文集》2002（5）
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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