1． 前言
變頻器從上個(gè)世紀80年代在中國推出以后，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，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、潛泵控制、注水井控制和油氣集輸控制等幾個(gè)場(chǎng)合。下面從這個(gè)方面對變頻器在油田中應用情況進(jìn)行簡(jiǎn)單的說(shuō)明。
2 變頻器在游梁式抽油機控制中的應用
目前，在陜北、甘肅和寧夏等地，油田采用的抽油設備中，有一部分為游梁式抽油機，數量也比較多。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，這樣會(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，為了不被供電企業(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，對此抽油機的變頻器改造主要有以下幾個(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。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。
目前我公司已在陜北、甘肅和寧夏等地油田上成功的將變頻器應用在此設備上，得到很好的使用效果。
