1 引言
石油化工行業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)行業(yè),,同時也是耗能大戶,。目前,我國石油化工行業(yè)中抽油機(jī)的保有量在10萬臺以上,,電動機(jī)裝機(jī)總?cè)萘吭?500MW,,每年耗電量逾百億kW·h。抽油機(jī)的運(yùn)行效率特別低,,在我國平均效率為25.96%,,而國外平均水平為30.05%,年節(jié)能潛力可達(dá)幾十億kW·h,。我國的油田不像中東的油田那樣有很強(qiáng)的自噴能力,,多為低滲透的低能、低產(chǎn)油田,,大部分油田要靠注水壓油入井,,再用抽油機(jī)把油從地層中提升上來。以水換油或者以電換油是我國油田的現(xiàn)實,,因而,電費(fèi)在我國的石油開采成本中占了相當(dāng)大的比例,,所以,,石油行業(yè)十分重視節(jié)約電能。多年來,,各采油廠一直在抽油機(jī)節(jié)能的問題上下功夫,,近幾年的實踐證明,變頻調(diào)速是最理想的高效調(diào)速節(jié)電技術(shù),。在油田生產(chǎn)中,,應(yīng)用變頻技術(shù),一是改造“大馬拉小車”設(shè)備,,適應(yīng)變工況運(yùn)行,,二是生產(chǎn)工藝自動化的需要,作為閉環(huán)系統(tǒng)中理想的執(zhí)行器,。因為油田生產(chǎn)的特殊性,,選用變頻器常重點考慮操作簡單化,運(yùn)行的安全性,、可靠性,、經(jīng)濟(jì)性,出現(xiàn)故障后系統(tǒng)處理的靈活性。變頻技術(shù)的發(fā)展日新月異,,在油田生產(chǎn)中也由過去的簡單應(yīng)用發(fā)展到系統(tǒng)集成,,自動控制。所以,,我們面臨的問題是怎樣做到變頻,、電機(jī)、負(fù)載整個系統(tǒng)應(yīng)用最優(yōu)化,,節(jié)電效益最大化,。
2 抽油機(jī)介紹及相關(guān)功能需求
抽油機(jī)(俗稱叩頭機(jī))是石油開采中的必備設(shè)備。一般,,每個原油生產(chǎn)井都至少使用一臺抽油機(jī),,將深藏在地下(或海水中)的石油通過抽油管抽出。圖1給出了抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)圖,。抽油機(jī)的每個工作循環(huán)可分為上提抽油桿,,下放抽油桿,從上提抽油桿轉(zhuǎn)換為下放抽油桿,,從下放抽油桿轉(zhuǎn)換為上提抽油桿四個階段,。
圖1 抽油機(jī)結(jié)構(gòu)圖
圖1中: 1—底座; 2—支架;3—懸繩器; 4—驢頭;5—游梁; 6—橫梁軸承座; 7—橫梁; 8—連桿; 9—曲柄銷裝置; 10—曲柄裝置;11—減速器; 12—剎車保險裝置; 13—剎車裝置;14—電動機(jī);15—配電箱。
抽油機(jī)的負(fù)荷電流曲線如圖2所示,。顯然抽油機(jī)的負(fù)載為一周期性變化的負(fù)載,。抽油機(jī)由于其特殊的運(yùn)行要求,所匹配的拖動裝置必須同時滿足三個最大的要求,,即最大沖程,,最大沖次,最大允許掛重,。另外,,還須具有足夠的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩,以克服抽油機(jī)啟動時嚴(yán)重的靜態(tài)不平衡,。因此,,往往抽油機(jī)在設(shè)計時確定的安裝容量裕度較大。
圖2 抽油機(jī)負(fù)荷曲線圖
抽油機(jī)是油田用電的主要設(shè)備之一,,它的動作原理是由交流電動機(jī)恒速運(yùn)轉(zhuǎn)拖動抽油泵,,沿著重力作用方向進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動,從而把原油從數(shù)百至數(shù)千米的井下抽到地面,。分析其負(fù)載特性可知其慣量較大,,而不同的油井的粘度大小又很不同,當(dāng)油的粘度較大時,,泵的效率也變低,,往往啟動也很困難,。該負(fù)載又是周期負(fù)載,上升,、下降行程負(fù)載性質(zhì)亦不同,,下降時尚帶有位勢負(fù)載性質(zhì)。為適應(yīng)這些復(fù)雜的工況,,抽油機(jī)的配置及其實際工作狀態(tài)往往只能是大馬拉小車,。當(dāng)油井的地下滲透能力小于抽油機(jī)的泵排量時(絕大多數(shù)油井如此),為了提高抽吸效率,,降低單位產(chǎn)量的能耗指標(biāo),,最直接的辦法是實行間抽。但是大多數(shù)的油井是不允許間歇性工作的,,因為如果長時間停機(jī)的話,,輕則會影響產(chǎn)油量,重則會使油井無法再開啟,。這是因為含蠟量高或含鹽量高以及油的粘稠度高,,且地處高寒地區(qū)的油井,如果間歇工作,,會造成井口結(jié)蠟,、結(jié)鹽或結(jié)油的后果,使油井無法再開啟;對于注水油井,,如果停止抽取,,勢必會影響產(chǎn)油量,這將是得不償失的事,,對于這類油井,,就要采用其它的節(jié)能方法。
為了使抽油泵的排量與油井的滲透能力相適應(yīng),,可以通過改變抽油機(jī)的電動機(jī)轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)。抽油泵是一種柱塞泵,,對電動機(jī)來講是一種恒轉(zhuǎn)矩性的負(fù)載,,也即電動機(jī)的電功率與其轉(zhuǎn)速成正比。抽油機(jī)電機(jī)的負(fù)荷是一周期性脈動負(fù)荷,并迭加有瞬間的沖擊,。抽油機(jī)電機(jī)的負(fù)荷曲線上有兩個峰值,分別為抽油機(jī)上下沖程的“死點”,。抽油機(jī)自由停車后再啟動時,總是從死點處啟動,因此抽油機(jī)電機(jī)要求啟動轉(zhuǎn)矩大,。為了保證足夠大的啟動轉(zhuǎn)矩,抽油機(jī)電機(jī)正常運(yùn)行時負(fù)荷率很低,一般在20%左右,負(fù)荷率高的也不過30%,。低負(fù)荷率運(yùn)行造成功率因數(shù)低,效率低,電能浪費(fèi)大。因此,,在設(shè)計選配抽油機(jī)電機(jī)時,,普遍的做法是令其抽取量大于實際負(fù)荷,。它所帶來的新問題是當(dāng)抽油機(jī)排量過剩時,抽油機(jī)的運(yùn)行會出現(xiàn)無功抽取,,出現(xiàn)空抽或泵空狀態(tài),,伴隨泵空還會產(chǎn)生井噴、氣鎖等事故,,而井噴,、氣鎖又是導(dǎo)致鉆具組、泵裝置甚至地面設(shè)備損壞的主要原因,。另外,,由于過度的不間斷運(yùn)行,機(jī)械設(shè)備的損耗也相應(yīng)上升,,造成傳統(tǒng)抽油機(jī)成本高,,噪音大,運(yùn)行可靠性低,。有效控制泵空是亟待研究的課題,。抽油機(jī)是油田耗能大戶,用電量約占油田總用電量的40%,,其總體效率很低,,據(jù)調(diào)查一般在30%左右,過剩的抽油能力令抽油機(jī)的無功抽取時間增加,,造成油井開采的電費(fèi)成本居高不下,,能源浪費(fèi)十分嚴(yán)重。因此,,抽油機(jī)的節(jié)能潛力非??捎^。
3 抽油機(jī)采用倫茨變頻調(diào)速系統(tǒng)后性能分析
近年來,,市場上直接針對抽油機(jī)的節(jié)電技術(shù)主要有兩大類:一是開發(fā)不同類型的抽油機(jī)節(jié)能電機(jī),,如超高轉(zhuǎn)差率電動機(jī)、三相永磁同步電機(jī),、高啟動轉(zhuǎn)矩雙定子結(jié)構(gòu)電機(jī)和電磁調(diào)速電機(jī)等,。但由于資金投入太大,在許多油田用節(jié)能電機(jī)取代普通異步電機(jī)尚無法全面推廣,。二是使用節(jié)能配電箱,,其中包括定子繞組Y-Δ轉(zhuǎn)換調(diào)壓和電容器動態(tài)無功補(bǔ)償及靜態(tài)無功補(bǔ)償?shù)取2捎酶淖兌ㄗ永@組的接法可以改變電機(jī)電壓,,但電機(jī)只能得到固定電壓,,節(jié)電效果并不理想。雖然有些裝置采用雙向晶閘管實現(xiàn)定子電壓隨負(fù)載變化連續(xù)調(diào)節(jié),,節(jié)電效果較好,,但是電源電流波形發(fā)生畸變,,電網(wǎng)諧波污染嚴(yán)重,不宜大面積長期使用,。而采用變頻調(diào)速控制,,則可以改變抽油機(jī)長期處于低效做功的狀態(tài),使其工作方式與油井實際負(fù)荷相匹配,,保證每次都抽油,,減少低效甚至無效抽取,從而降低電費(fèi)開支,,減少維護(hù)成本,,提高運(yùn)行效率,圖3為過去抽油機(jī)的控制方案,。
圖3 過去抽油機(jī)的控制方案
在抽油機(jī)采用倫茨變頻調(diào)速技術(shù)后,,有如下幾個方面的顯著效果:
(1) 變頻器具有軟起動功能起動時電流較小,,對電網(wǎng)沖擊小,,起動時能耗大為降低。避免了啟動時的相當(dāng)于3~7倍的額定電流,,避免了不必要的電能損耗,。耗同時減少了對電動機(jī),變速箱,,抽油機(jī)等大機(jī)械的沖擊,,延長了相關(guān)設(shè)備的使用壽命。在工作中電機(jī)的功率因數(shù)可從0.2~0.5提高到0.9,,減輕電網(wǎng)和變壓器的負(fù)擔(dān),, 降低線損,大量減少了無功損耗;
?。?) 引進(jìn)變頻器控制可實現(xiàn)設(shè)備上,,下行程自動識別從而控制抽油機(jī)上、下行程的電機(jī)運(yùn)行頻率分別可調(diào),,以改變抽油機(jī)上,、下行程的運(yùn)行速度。亦可對變頻器能耗制動進(jìn)行準(zhǔn)確控制,,以使變頻器更適應(yīng)該運(yùn)行工況。加上抽油機(jī)沖次的任意調(diào)節(jié),,可使用抽油機(jī)的抽汲參數(shù)對不同油井而言更趨合理,,當(dāng)調(diào)節(jié)適當(dāng)時,可提高泵的充滿系數(shù),,減少泵的漏失,,從而提高泵效達(dá)到增產(chǎn)目的,。沖次的任意調(diào)節(jié),可不停機(jī)調(diào)節(jié)產(chǎn)量,,解決了因更換皮帶輪調(diào)速造成的停產(chǎn),,從而提高了生產(chǎn)效率。同時達(dá)到滿足泵效的情況下耗用最少的電能;
?。?) 由于抽油機(jī)下行時負(fù)載性質(zhì)為位勢負(fù)載,,變頻器加裝能耗制動功能后恰能適應(yīng)其工況。對于改變抽油機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)最佳工作狀態(tài)帶來很大方便,。在現(xiàn)場應(yīng)用中感覺到,,上行速度慢于下行速度的工作方式往往較為理想,在提高了泵的充滿系數(shù)的同時也提高了泵效,,從而提高了采油量,。分段轉(zhuǎn)速控制,通過變頻器對抽油機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié),,根據(jù)抽油機(jī)的特殊工況,,把轉(zhuǎn)速控制細(xì)化為上沖程轉(zhuǎn)速和下沖程轉(zhuǎn)速控制,在上沖程時電機(jī)工作在50Hz以上,,提高轉(zhuǎn)速,,下沖程電機(jī)工作在20~30Hz減小轉(zhuǎn)速,從而降低漏失,,提高泵效;
?。?) 油田采油的特殊地理環(huán)境決定了采油設(shè)備有其獨特的運(yùn)行特點:油井的供油狀況不是保持不變的,抽油機(jī)工作情況的連續(xù)變化,,取決于地底下的狀態(tài),,若始終處于工頻運(yùn)行勢必造成電能浪費(fèi)。另一方面,,油田抽油機(jī)為克服大的起動轉(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)利用率一般為20%~30%,,最高不會超過50%,,電動機(jī)常處于輕載狀態(tài),造成巨大的電能浪費(fèi),。若應(yīng)用高效回饋型制動單元,,結(jié)合倫茨變頻器實現(xiàn)“變頻+回饋”的完美節(jié)能增效控制方式,相比將抽油機(jī)發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生能量用電阻就地消耗,,通常能夠?qū)装紫牡亩啻?0%的電能回饋電網(wǎng),,在提高泵效的同時,達(dá)到最佳節(jié)能效果,。
4 倫茨變頻器具體特應(yīng)用和參數(shù)設(shè)置
隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展,,倫茨變頻器已是十分成熟的電氣產(chǎn)品,,并且其價格也已經(jīng)大幅度下降,在抽油機(jī)上大量推廣變頻調(diào)速節(jié)能改造已經(jīng)成為可能,。
圖4 采用公用直流母線的多變頻器系統(tǒng)主回路
目前,,在國內(nèi)的油田所采用的抽油設(shè)備中,采用變頻調(diào)速進(jìn)行控制的節(jié)能效果十分可觀。主電路如圖4所示。倫茨(Lenze)公司是歐洲率先將變頻技術(shù)應(yīng)用于交流調(diào)速系統(tǒng)開發(fā)的廠家,,并于20世紀(jì)90年代建成了歐洲第一條全自動化變頻器生產(chǎn)線。在變頻器及其他所有產(chǎn)品的設(shè)計和制造過程中,,倫茨始終遵循通用性、開放性,、靈活性兼?zhèn)涞脑瓌t,。完整的產(chǎn)品體系,合理的等級搭配,,以及強(qiáng)大的普適性使倫茨變頻器廣泛應(yīng)用于石油化工行業(yè)的各種機(jī)械,。倫茨系列變頻器卓越的品質(zhì),眾多的功能,,緊湊的設(shè)計,,簡易的操作安裝,代表了當(dāng)代變頻器發(fā)展新潮流,。卓越的性能首先表現(xiàn)在轉(zhuǎn)矩特征曲線中,。倫茨系列變頻器可提供2倍額定轉(zhuǎn)矩、1.5倍額定電流,。根據(jù)拖動與再生運(yùn)動狀態(tài)極限電流的分別設(shè)定,,給出每個操作點的制動保護(hù)。因此驅(qū)動系統(tǒng)可承受大負(fù)荷并可提供高動態(tài)性能,。在5~50Hz的頻率范圍內(nèi),,在無速度傳感器方式下,速度控制精度可高達(dá)1%以內(nèi),。兩套參數(shù)集可通過端子切換以適應(yīng)不同工藝要求,,每套參數(shù)集可提供4個頻率段,先進(jìn)的FTC控制方式,,可在任意頻率下無需制動單元進(jìn)行直流制動,,內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器、皮帶監(jiān)控(V020版本),。如圖5所示,,變頻器的參數(shù)見附表。某油田采用倫茨55kW變頻器一次改造128眼油井,收到了良好的節(jié)電,、增產(chǎn)的雙重效果,其它油田應(yīng)用效果亦較理想,。根據(jù)以往實例,,節(jié)能均在20%以上,并獲得不同程度的增產(chǎn),。
圖5 符合EMC標(biāo)準(zhǔn)的控制回路圖 附表 抽油機(jī)變頻器主要參數(shù)設(shè)定表
5 結(jié)束語
由于應(yīng)用了正確的變頻調(diào)速系統(tǒng),,使抽油機(jī)動態(tài)適應(yīng)油井負(fù)荷變化,也可方便地進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié),。配以流量,、載荷等傳感器,可實現(xiàn)最經(jīng)濟(jì)的控制,。同時其軟起動性能好,,對延長抽油機(jī)壽命,減少維護(hù)費(fèi)用有利,。節(jié)能效果最好,,能耗基本上與轉(zhuǎn)速成正比,只要降速,,肯定節(jié)能,。是抽油機(jī)節(jié)能電控裝置的發(fā)展方向。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,,變頻器價格將進(jìn)一步降低,,而性能將進(jìn)一步提高。變頻調(diào)速這一技術(shù)正越來越廣泛的深入到各行各業(yè)中,。應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)也是企業(yè)改造挖潛,、增加企業(yè)效益的一條有效途徑。尤其是在石油及化工行業(yè)中高能耗,、低產(chǎn)出的設(shè)備較多,,采用變頻調(diào)速裝置將使企業(yè)獲得巨大的經(jīng)濟(jì)利益,同時這也是國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的需要,。