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变频器在油田磕头机上的应用

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变频器 油田 磕头 应用
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广州三晶电气有限公司 三晶变频器在油田磕头机上的应用 一、 前言 进入21世纪,变频调速技术得益于其优异的节能特性和调速特性,在我国油田中得到广泛应用,中国产值能耗是世界上最高的国家之一。要解决产品能耗问题,除 其它相关的技术问题需要改进外,变频调速技术已成为节能及提高产品质量的有效措施。 油田作为一个特殊行业,有其独特的背景,油田中变频器的应用主要集中在 游梁式抽油机控制、电潜泵控制、注水井控制和油气集输控制等几个场合。游梁式抽油机俗称“磕头机”,是目前各个油田所普遍采用的抽油机,但是目前的抽油机 系统普遍存在着效率低、能耗大、冲程和冲次调节不方便等明显的缺点。本文主要介绍 一、 磕头机的工作原理 图1 游梁式抽油机实物图 如图1,游梁式抽油机实物图所示,当磕头机工作时,驴头悬点上作用的载荷是变化的。上冲程时,驴头悬点需提起抽油杆柱和液柱,在抽油机未进行平衡的条件 下,电动机就要付出很大的能量。在下冲程时,抽油机杆柱转而对电动机做功,使电动机处于发电机的运行状态。抽油机未进行平衡时,上、下冲程的载荷极度不均 匀,这样将严重地影响抽油机的四连杆机构、减速箱和电动机的效率和寿命,恶化抽油杆的工作条件,增加它的断裂次数。为了消除这些缺点,一般在抽油机的游梁 尾部或曲柄上或两处都加上了平衡重,如图1所示。这样一来,在悬点下冲程时,要把平衡重从低处抬到高处,增加平衡重的位能。为了抬高平衡配重,除了依靠抽 油杆柱下落所释放的位能外,还要电动机付出部分能量。在上冲程时,平衡重由高处下落, 页,共 6 页 广州三晶电气有限公司 储存的位能释放出来,帮助电动机提升抽油杆和液柱,减少了 电动机在上冲程时所需给出的能量。目前使用较多的游梁式抽油机,都采用了加平衡配重的工作方式,因此在抽油机的一个工作循环中,有两个电动机运行状态和两 个发电机运行状态。当平衡配重调节较好时,其发电机运行状态的时间和产生的能量都较小。 二、 变频器在抽油机的控制问题 目前,在胜利油田采用的抽油设备中,以游梁式抽油机最为普遍,数量也最多。其数量达十万台以上。抽油机用电量约占油田总用电量的40%,运行效率非常低, 平均运行效率只有25%,功率因数低,电能浪费大。因此,抽油机节能潜力非常巨大,石油行业也是推广“电机系统节能”的重点行业。 频器在抽油机的控制问题主要体现在如下几个方面 一方面是再生能量的处理问题,如图2所示,游梁式抽油机运动为反复上下提升,一个冲程提升一次,其动力来自电动机带动的两个重量相当大的钢质滑块,当滑块 提升时,类似杠杆作用,将采油机杆送入井中;滑块下降时,采油杆提出带油至井口,由于电动机转速一定,滑块下降过程中,负荷减轻,电动机拖动产生的能量无法被负载吸引,势必会寻找能量消耗的渠道,导致电动机进入再生发电状态,将多余能量反馈到电网,引起主回路母线电压升高,势必会对整个电网产生冲击,导致 电网供电质量下降,功率因数降低的危险;频繁的高压冲击会损坏电动机,造成生产效率降低、维护量加大,极不利于抽油设备的节能降耗,给企业造成较大经济损失。 图2 常规曲柄平衡抽油机 另一方面是冲击电流问题,如图二所示游梁式抽油机是一种变形的四连杆机构,其整机结构特点像一架天平,一端是抽油载荷,另一端是平衡配重载荷。对于支架来说,如果抽油载荷和平衡载荷形成的扭矩相等或变化一致,那么用很小的动力就可以使抽油机连续不间断地工作。也就是说抽油机的节能技术取决于平衡的好坏。在平衡率为100% 页,共 6 页 广州三晶电气有限公司 1/2液柱重量和克服摩擦力等,平衡率越低,则需要电动机提供的动力越大。因为,抽油载荷是每时每刻都在变 化的,而平衡配重不可能和抽油载荷作完全一致的变化,才使得游梁式抽油机的节能技术变得十分复杂。因此,可以说游梁式抽油机的节能技术就是平衡技术。 对长庆油田几十口油井的调查显示,只有1~2口井的配重平衡较好,绝大部分抽油机的配重严重不平衡,其中有一半以上口井的配重偏小,另有几口井配重又偏 大,从而造成过大的冲击电流,冲击电流与工作电流之比最大可超过5倍,甚至超过额定电流的3倍。不仅无谓浪费掉大量的电能,而且严重威胁到设备的安全。同时也给采用变频器调速控制造成很大的困难:一般变频器的容量是按电动机的额定功率来选配的,过大的冲击电流会引起变频器的过载保护动作而不能正常工作。 除上述两方面问题外,油田采油的特殊地理环境决定了采油设备有其独特的运行特点:在油井开采前期储油量大,供液足,为提高功效可采用工频运行,保证较高产油量;在中后期,由于石油储量减少,易造成供液不足,电动机若仍工频运行,势必浪费电能,造成不必要损耗,这时须考虑实际工作情况,适当降低电动机转速,减少冲程,有效提高充盈率。 梁式抽油机的变频改造主要有以下3个方面 (1) 大大提高了功率因数(以上),大大减小了供电(视在)电流,从而减轻了电网及变压器的负担,降低了线损,可省去大量的“增容”避免电网质量的下降,需引入变频控制,其主要目的就是减小抽油机工作过程对电网的影响。 (2) 以节能为第一目标的变频改造。这点较普遍,一方面,油田抽油机为克服大的起动转矩,采用的电动机远远大于实际所需功率,工作时电动机利用率一般为 20%~30%,最高不会超过50%,电动机常处于轻载状态,造成资源浪费。另一方面,抽油机工作情况的连续变化,取决于地底下的状态,若始终处于工频运行,也会造成电能浪费。为了节能,提高电动机工作效率,需进行变频改造。 (3) 由于实现了真正的“软起动”,对电动机、变速箱、抽油机都避免了过大的机械冲击,大大延长了设备的使用寿命,减少了停产时间,提高了生产效率。以提高电网质量和节能为目的的变频改造。这种情况综合了上面两种改造的优点,是应用中的一个重要发展方向。 三、 抽油机的技术发展 第一代:最先的抽油机主马达主要是采用三相异步电机启动,三相异步电动机启动运行缺点就是没有调速功能,只能保持一个恒速,严重影响产油量。这种不带保护的抽油机电机控制方式已经退出了历史舞台。 第二代:由于直流电动机的面世,也加快了直流电机在抽油机上的应用,从而替代了异步电机的使用。采用直流调速的方法明显的优胜三相异步电机,产油量也高了许多;但直流电动机成本比较高,其调速性能也不是很理想。 第三代:采用变级电机调速,就是改变电机极对数来达到调速的目的,常采用4/8/32极多速电机实现。但其装置比较复杂,占用空间也比较大,设备寿命短,稳定性不太好。 第四代:变频调速技术,由于变频调速技术已成为节能及提高产品效益质量的有效措施,油田中变频器应用在游梁式抽油机已经非常广泛。由于油井的类型和工况千 差万别,井下渗油和渗水量每时每刻都在变.抽油机的负载变化是无规律的,故采用变频调速技术,使抽油机的运动规律适应油井的变化工况,实现抽油系统效率的 提高,达到节能增产的目的。 页,共 6 页 广州三晶电气有限公司 在油田嗑头机中的应用,例出几个应用方案做简要论述。 四、 变频技术在抽油机的应用方案介绍 频器加制动单元控制 如下图3所示:在变频器主回路直流母线两端加制动电阻和制动单元,由于抽油机起动时需要大力矩,上升段也需要大力矩,而在下降段电机处在发电状态。最关建的就是下降段,这个过程是连续运转的,同时随油的稠度,井深,产量调节往复运动次数/致电动机进入再生发电状态,将多余能量反馈到电网,引起主变频器主回路直流母线电压升高(此问题在文章第2节提到过),而电能没有流回电网的通路,必须用电阻来就地消耗,这就是我们在变频器上必须使用制动单元和制动电阻的原因,现在大功率变频器一般都可以定制动单元,完全可以达到理想中的控制效果。 对于上述第一种情况,采用普通变频器加能耗制动单元可较方便实现,这是以多耗电能为代价的,主要因为发电能量不能回馈电网造成。在未采用变频器时,电动机 处于电动状态时,从电网吸收电能;电动机处于发电状态时,释放能量,电能直接回馈电网的,并未在本地设备上耗费掉。综合表现为抽油机供电系统的功率因数较低,对电网质量影响较大。 图3 变频器加制动电阻 频器加回馈单元控制 由于在变频器的直流上加制动电阻解决不了实际问题,因为制动电阻的散热解决不了,变频控制柜壳的散热都要解决何况发热的电阻,变频器发热。接通制动电阻的开关管的寿命会在频繁的长时间的开起过程中损坏。针对上述情况,为了回馈再生能量,提高效率,可以采用能量回馈装置,将再生能量回馈电网,当然这样一来,系统就更复杂,投资也就更高了。 所谓能量回馈装置,其实就是一台有源逆变器。按采用的功率开关器件的不同又可以分为晶闸管(源逆变器及绝缘栅双极型晶体管(变器两种,它们的共同特点是可以将变频器直流回路的电压反馈到电网,如下图4所示。 加装能量回馈单元的变频器适用于交流50定电压380现软起动,软停车和调速运行过程控制。具有起动电流小、速度平稳、性能可靠、对电网冲击小等优点,可实现上下速度任意调节和闭环控制运行;用户可根据油井的液位、 页,共 6 页 广州三晶电气有限公司 油机的冲机、速度和产液 量,降耗节能,是高泵效;使设备减少磨损,延长使用寿命,高效节能低成本,实现在最大节能状态下的自动化运行。 图4 变频器加回馈单元 象限变频器技术控制 对于第一种情况和第二种情况,必须妥善的处理电动机发电状态产生的电能,必须将其反馈到电网,否则通过调节抽油机的冲程节省的电能可能不能抵消变频器制动 单元消耗的电能,造成变频运行时反而耗能,与节能的目标背道而驰。为了解决这个问题,有必要对普通变频器进行改造,在结构上引入双5所示,保证发电状态产生的电能回馈电网;在控制方法引入自适应控制以适应游梁式抽油机多变的工作环境。 图5 四象限运行变频器主电路 象限变频器工作原理 当电机工作在电动状态的时候,整流控制单元的作用产生了与输入电压相位一致的正弦电流波形,这样就消除了二极管整流桥产生的6K±1谐波。功率因数高达99%。消除了对电网的谐波污染。此时能量从 电网经由整流回路和逆变回路流向电机, 页,共 6 页 广州三晶电气有限公司 一、第三象限。 当电动机工作在发电状态的时候,电机产生的能量通过逆变侧的二极管回馈到直流母线,当直流母线电压超过一定的值,整流侧能量回馈控制部分启动,将直流逆变成交流,通过控制逆变电压相位和幅值将能量回馈到电网,达到节能的效果。 采用带有满足各种位势负载的调速要求,可就电机的再生能量转化为电能送回电网,达到最大限度的节能的目 的。不仅如此,它还可减少电源的谐波污染,功率因数可接近于1,是一种真正的“绿色”变频器。整流器变频器 五、 总结 总之,变频调速技术作为高新技术、基础技术和节能技术,其应用已经渗透到石油行业的各个技术部门。 页,共 6 页
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