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变频器在油田中的应用
1 引言变频器自20世纪80年代在中国推出以后，在在国民经济和日常生活中发挥着日益重要作用，已经被广泛的应用于企业的工业生产以及人们的日常生活中。变频器广泛应用,主要得益于其优良的节能特性和调速特性。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，在油田中的以风机、泵类负载为主，因而决定了变频器在油田中的应用应以节能为第一目标。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。下面从这几个方面对变频器在油田中应用情况进行详细的说明。2 变频器在游梁式抽油机控制中的应用
目前，在胜利油田采用的抽油设备中，以游梁式抽油机应用最为普遍，数量也最多。一方面，游梁式抽油机运动为反复地上下提升，一个冲程提升一次，其动力来自于电动机带动的两个重量相当大的钢质滑块，当滑块提升时，类似于杠杆的作用，将采油机杆送入井中，滑块下降时，采油杆提出带油至井口，由于电机转速一定，在滑块下降过程中，负荷减轻，电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，导致电机进入再生发电状态，将多余的能量反馈到电网，引起主回路母线电压的升高，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，面临被供电企业罚款的危险;频繁的高压冲击会损坏电机，对电动机没有可靠的保护功能，一旦电机损害，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，给企业造成较大的经济损失。另一方面，游梁式抽油机引入两个大质量的钢质滑块，导致抽油机的起动冲击大等诸多问题。除了上述两方面问题之外，油田采油的特殊地理环境决定了采油设备有其自有的运行特点，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，保证较高的产油量;在中、后期，由于石油储量减少，易造成供液不足，电机若仍工频运行，势必浪费电能，造成不必要的损耗，这时须考虑实际工作情况，适当降低电机转速，减少冲程，有效提高充盈率。为了解决上述问题，可将变频技术引入到游梁式抽油机控制中去。根据电机理论可知，其转速公式为:
其中:p为电动机的极对数，s为转差率，f为供电电源频率，n为电动机的实际转速。从式可以看出，电机转速与频率近似成正比，改变频率即可以平滑地调节电机转速，从而可以连续地改变提油机的抽油速度。根据电动机工作电流的大小确定电动机的工作频率，这样可以根据井况的变化，方便的调节抽油机的冲程，达到节能和提高电网功率因数的目的。同时变频调速器具有低速软启动，转速可以平滑地大范围调节，对电动机保护功能齐全，如短路、过载、过压、欠压及失速等，可有效地保护电机及机械设备，保证设备在安全的电压下工作，具有运行平稳、可靠，提高功率因数等诸多优点，是采油设备改造的理想方案。
目前，对游梁式抽油机的变频器改造主要有以下3个方面:
(1) 以提高电网质量，减小对电网影响为目标的变频改造。这主要集中在供电企业对电网质量要求较高的场合，为了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。这种应用在胜利油田的临盘采油厂已经提上应用日程。
(2) 以节能为第一目标的变频改造。这一点比较普遍，一方面，油田的抽油机为了克服大的起动转矩，采用的电动机远远大于实际所需功率，工作时电动机的利用率一般在20%-30%之间，最高不会超过50%，电动机常常处于轻载状态，造成了电动机资源的浪费。另一方面，抽油机的工作情况是连续变化的，这些都取决于地底下的状态，若始终处于工频运行，势必也会造成电能的浪费。为了节能，提高电动机的工作效率，需进行变频改造。
(3) 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。
在实际的应用过程中却出现了许多问题，这些问题主要集中在游梁式抽油机的发电状态产生的能量的处理上。对于第一种情况，采用普通变频器加能耗制动单元可比较方便的实现，这是以多耗电能为代价的，
这主要是因为发电能量不能回馈电网造成的。在未采用变频器时，电动机处于电动状态时，电动机从电网吸收电能(电表正转);电动机处于发电状态时，电动机释放能量(电表反转)，电能直接回馈电网的，并没有在本地设备上耗费掉。综合表现为抽油机的供电系统的功率因数较低，对电网质量影响较大。但是在使用普通变频器时，情况发生了变化。普通变频器的输入是二极管整流，能量不可反方向流动。上述这部分电能没有流回电网的通路，必须用电阻来就地消耗，这就是必须使用能耗制动单元的原因。对于第二种情况和第三种情况，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pwm结构的变频器，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。3 变频器在电潜泵控制中的应用
油田中应用较多的另一种采油设备是电潜泵。电潜泵是井下工作的多级离心泵，同油管一起下入井内，地面电源通过变压器、控制屏和电潜泵专用电缆将电能输送给井下电潜泵电机，使电机带动多级离心泵旋转，将电能转换为机械能，把油井中的液体举升到地面。
由于电潜泵是在地面以下2000多米的井底工作，工作环境非常恶劣(高温、强腐蚀等)，传统的供电方式－全压、工频使它故障频繁，运行成本大增。一方面，电潜泵在工频启动时，启动电流大，电机电缆的压降较大，使得电机电缆在启动过程中的反压较高，使绝缘性能降低，每次开机都会使电潜泵寿命大打折扣，大大影响了电潜泵的使用寿命。电潜泵损坏后提到地面上来修理，仅工程费一项就达5万元，价值10万元的电缆平均提上放下5次就须更换，电潜泵平均每10个月就须维修一次，维修费用约8万元，使用成本较高。另一方面，电潜泵在正常工作时，普遍存在着电机负载率较低的情况，“大马拉小车”现象严重。潜油电泵的功率因数较低，耗电量多，工频工作时，电潜泵始终工作在额定转速下，如果井下液量供不应求，容易造成“死井”，一旦死井则损失惨重。为了解决这个问题，电潜泵应能够根据地质情况的变化，调节抽油量。传统的调节方式是靠更换油嘴来调节产量，这样既造成能量损失又不能精确地控制。有时使得电机与泵长期在高压状态下运行;有时使得油井出沙严重，使设备寿命缩短，因而有必要引入变频控制系统，调节油压、调节产量。
针对电潜泵的特殊情况，我国的成都佳灵电气制造有限公司和山东风光电子有限责任公司都有现成产品提供，并在胜利油田中有一些应用，并取得一定的效果。对电潜泵井进行变频改造后，实现了电潜泵的软启动、软停车，有效地保护了电潜泵与电缆;通过调节频率可方便的调节油压，避免了电潜泵在高压下长期运行;延长了电潜泵的寿命，节约了油井维修、维护费用，使电泵机组在最佳工况下运行。大大提高了电潜泵采油系统的效率。同时，提高功率因数，提高了电网的供电能力，节电效果明显。大面积推广电潜泵变频技术改造，将带来良好的经济效益和社会效益。应用中也暴露出来一些问题，一方面，因为是新产品，在产品的软硬件设计和设备配套上由一些不足，这时就要将新的控制方法引入到实际应用中去发展变化 适应多变的工作环境，提高配套产品的质量;另一方面，控制系统的一次性投资较高，有的甚至要高于电潜泵的投资，只有进一步降低成本，才能促进变频器控制在电潜泵中的应用。4 变频器在注水泵控制中的应用
油田开发过程中地层能量不断衰减，常用注水方式以保持地层能量，进行油田开发。一方面，注水压力的高低是决定油田合理开发和地面管线及设备的重要参数。考虑到后期开发注水井的增多，注水工艺设计和机电设备配置都比实际宽裕，加之地质情况的变化，开关井数的增减，洗井及供水不足的影响，经常引起注水压力的波动，注水量不均匀，不稳定。注水压力低，注水量满足不了油田开发的需要，必然会造成油层压力下降;注水压力过高，浪费动力，也造成超注，导致水淹，水窜;注水压力控制难度大，也给油田生产和管理带来诸多不便，因而要求油田注水压力恒定。另一方面，由于储油地层的压力及油气水分布不断在发生变化，其数值很难准确预测和控制，考虑到油田开发中的需要，在工艺和机电设备的配置上都按照油田最大可能的需求来设计，这一点在注水系统的设计当中显得尤为突出。油田注水设备多采用高压离心泵匹配高压电机，大功率系统运行常是“大马拉小车”，效率低下。注水压力靠泵出口闸门手动控制，即靠改变管网特性曲线来调节泵的排量，泵、电机匹配难以达到在泵的最佳工况点运行，管网效率低，电能损失高达50%以上。正是从恒压注水和节能的两个方面考虑，在油田注水系统中引入变频控制。
通过流体力学的基本定律可知:风机、泵类设备均属平方转矩负载，其转速n与流量q，压力h以及轴功率p具有如下关系:q∝n，h∝n2，p∝n3;即，流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。通过上述分析可以知道，通过改变电动机转速可方便地改变水的流量，保证水压恒定;通过改变电动机转速，在降低水流量的同时，可有效降低系统的电能损耗。
通过变频改造的注水系统具有如下优点:
(1) 实现了电机软起动、自由停车。电机均通过变频器或软起动从0～50hz作缓慢加速起动，可减少机泵因突然高速起动所带来的影响，减少了直接起动时起动电流对电网的冲击。
(2) 提高了功率因数，改善了电机电源质量，电机的功率与实际负荷相匹配，系统达到节能运行的目的。
(3) 消除了泵的喘振现象，使泵运行处于最佳工况状态。
(4) 实现了压力自动控制，被调节量得到更平稳的调节，增强了系统的稳定性和可靠性。
目前变频调速技术在注水系统中，主要应用在供水水源井电潜泵、注水站注水泵、配水间增压泵工艺中。应用变频调速技术，对注水设备的电机转速进行调节，达到稳压、稳流供注水。同时软起软停的功能代替了减压启动，使电机起停平稳，减少了对电网和机械设备的冲击，不会造成管网压力、流量、流速的剧烈变化，不需要阀门截流，因此对防止汽蚀、水击、喘振极为有利，可以延长管网、泵、阀门的维修周期和使用寿命。在注水泵变频改造中涉及的品牌比较多，进口品牌有abb、ab、三菱、东芝、富士及西门子等，国产品牌有佳灵、安圣等，在这个领域的应用技术已经比较成熟。5 变频器在油气集输控制中的应用
在油田生产中，与注水泵类似，输油泵的额定排量往往大于实际需要排量，现大马拉小车现象。一方面，如果完全采用阀门调节输油量，一旦油量变化较快，输油阀门调节频繁，增加了工作人员的劳动强度且所需人员也较多。若阀门调节不当，易造成被抽干或冒罐现象。泵出现干抽烧损，冒罐则造成原油白白浪费。另一方面，为保证输出油量的恒定，需要保证管压恒定，阀门的开度直接影响到管压，太大太小都不行。如果使用变频调速器，可以彻底解决这个问题。它通过减小电机电源频率实现降低电机转速。电机带动泵运行，电动机转速降低，对于柱塞泵来说，就是降低了柱塞的运行频率，减小了泵的实际排量;对于离心泵来说，降低了叶轮转速，同样降低了泵的排量。因此，当需要排量变化时，可以通过调节变频器的输出频率，达到控制排量的目的，保证管压恒定。泵的排量降低了，电动机的负荷也就随之减小，这样电机输出功率出随之减小，这样电机的效率可以有很大提高，电机损耗及电机输出功率得到有效减小，达到节能的目的。6 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。在游梁式抽油机控制和电潜泵控制中的应用还处于开始阶段，在应用中也出现了许多问题，这些都待于进步解决。只有充分考虑油田油井的实际情况，才能促进变频技术在采油设备中的应用。在油田注水和油气集输中的应用与生活中的恒压供水类似，其应用技术已经成熟，应用也十分普遍。变频调速技术在油田中的应用应该集中解决以下两个方面的问题:
(1) 解决变频器的控制问题。这个必须解决变频器如何适应多变的工作环境，对某一台抽油机控制的成功并不代表对所有油井都成功，因而必须提高变频器控制技术适应不同井况的能力。
(2) 解决变频控制成本较高的问题。与一般控制柜相比，变频控制的成本太高。无论上双pwm变频器还是电潜泵专用变频器，都面临着这个问题，因而必须提高相关产品的配套能力，在保证可靠性的前提下降低成本。参考文献
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