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目前变频技术的应用日益广泛

行业聚焦点中国仪表网2008年09月01日 08:54人气:4366

1  前言


    目前变频技术的发展十分迅速,在油田生产中,在工业领域里的应用日益广泛。变频技术的原理,结合信息技术、模糊控制技术、计算机技术、变频调速技术、传感器技术等现代高新技术,使得油田开发过程中的抽油机能耗控制得到根本的改善。利用变频调速技术,通过传感器技术实现模糊控制,使机械采油的效率在运行过程中始终保持在最佳状态,有效杜绝了设备的空耗,从而实现了节能的目的。同时变频技术的利用使抽油机实现了软启动,设备选型更加合理。变频技术的应用适应热采区块吞吐轮次高,地下参数变化大的生产特点,使得变频技术在油田开发过程中具备了广阔的推广空间。

 

    2  变频柜在油井节能、增产运行机理

 

    2.l  工作原理


    当前在各种抽油机变频柜中处理再生电能的方法有制动电阻、吸收电容、回馈制动等,其中较为先进的方法是利用回馈制动的方式将这部分电能回馈电网。抽油机能量回馈智能变频控制柜,在电动机驱动抽油机的状态时由主变频器从电网吸收电能,而在油井释放能量状态时由回馈变频器将这部分能量变成与电网电压同步同相位的正弦波经过滤波后回馈电网,利用变频控制柜 永磁电机配合使用,进行节能改造经实践证明效果非常明显,节电率高达30%一60%。


    2.2  增产原理

    动态节能装置通过输入正常频率、最小载荷、最高频率、最低频率,能够根据实时采集载荷及示功图进行分析处理。在一个冲程内采集的载荷大于最小载荷,抽油机按正常频率运行,如果采集的载荷小于最小载荷,变频柜将在最高频率和最低频率之间分成多段运行。对于上下不平衡油井,控制抽油机按不同的频率运行,达到上快、下慢的方式运行,减少空抽,提高泵效,从而节约能源,提高原油产量。


    2.3  电动机节能原理


    如果电动机运行在额定负荷或额定负荷附近,则电动机属于经济运行。实际上,电动机以轻载运行,即一般称为“大马拉小车”的情况是常见的。因此,电动机节能是不容忽视的重要问题。电动机运行效率取决于电动机负荷率,国家标准GBl2497—1995规定,Y2系列(IP44)37kw/6极电动机的负荷率应大于0.40:22kw 6极电动机的负荷率应大于0.46,此时电动机为经济运行。对于不同功率的Y系列电动机,效率下降点也不同。一般情况下,效率和功率因数随负荷率变化的曲线如图l所示。把效率将要快速下降点q所对应的负荷率称为临界负荷率β。当负荷率β>βa。时,效率的变化不大,这是由于电动机的可变损耗和不变损耗的对比关系所决定的,当负荷率β(0.70时,功率因素下降很快。功率因素的低下不但使电动机本身能耗有所增加,而且给电网造成了附加损耗,降低了电网容量和变压器设备的利用率。

 

 

    从以上讨论可以看出,只要负荷率β不低于βa,“大马拉小车”的影响主要是降低功率因数。对于一般负荷(如风机、水泵),节能的关键是提高负荷率。如果将负荷率提高到0.70—0.80可以说是最佳运行区间,没有必要提高到1。一般工作在β=0.70以上,功率因数就比较高。


   3  游梁式抽油机用电动机运行特点

 

    游梁式抽油机是机械采油的主要设备,约占机采井总数的75%。它工作时承受带冲击性的周期交变负荷,如图2a所示。这一负荷特性要求驱动电动机在选择容量时留有足够的裕度,以保证带载启动时能克服抽油机较大的惯性矩,满足启动要求;在运行时有足够的过载能力,以克服交变载荷的最大扭矩。因此,电动机容量选择就过大,负荷匹配不合理,大多数情况下电动机处于轻载状态,负荷率一般为0.25.同时,电动机在一个冲次中还存在两段发电状态,一个冲次内电动机电流如图2b所示,在一个冲次内其电压、电流相量图如图3所示。在一个冲次内,电流的大小及相位角φ总是变化的,相位有大于90°的情况,这段时间有功电流为负,为发电状态,这已从理论上和现场实测得到证明。在现场实测中,采用两种方法:一是接人三相电度表,在一个冲次内有两次电表反转:二是用计算机采集电压、电流的正弦波形,也清楚看出相位角甲大于90°的情况。发电情况与平衡有关,平衡效果越差,发电越多。平衡效果较好时,只有一次发电状态。这种特殊负荷给电动机节能带来很大难度。另外,抽油杆运动时的惯性作用和弹性变形,使抽油机在上下死点产生冲击,而普通Y系列电动机的机械特性是硬特性。在运行过程中转速随负荷变化不大,抽油泵柱塞的实际行程由此变短,从而影响泵的充满率,降低泵效,使整个游梁式抽油机的系统效率降低。


    由以上分析可知,游梁式抽油机节能应包括两个方面:一是从电动机本身考虑,就是提高电动机效率和负荷率,从而提高运行效率和功率因数。提高电动机效率的潜力不大,能提高几个百分点就很不容易而且是以提高电动机成本为代价的。因此,如果负荷率高于临界负荷率,只要并上适当的补偿电容器就达到节能的目的。二是从系统考虑,就是改变电动机的机械特性,使机、杆、泵整个系统达到较好的配合,提高系统效率。两者比较,后者的节能潜力比前者大得多。因此,后者应该是游梁式抽油机用电动机节能的主要研究方向。


    4  油田电动机节能情况


    多年来,人们在抽油机用电动机节能方面做了大量的研究工作,为油田的节能做出了很大贡献。从抽油机载荷特性上看,其变化规律比风机、水泵类的载荷复杂得多,这给研究工作带来许多困难。
目前油田电动机节能主要分为三个方面:其一,人为地改变电动机的机械  特性以实现负荷特性的柔性配合,从而提高系统效率,实现节能。这种方法主要是改变电源频率。其二,从设计上改变电动机的机械特性(如高转差电动机和超高转差电动机),从而改善电动机与抽油机的配合,提高系统运行效率,达到节能。其三,通过提高电动机的负荷率、功率因数,实现节能。下面对油田普遍使用和正在试验的几种电动机进行分析。


    4.1 变频调速电动机


    变频调速是一项成熟的节能技术,抽油机有两种工作状态:一个是电动机驱动机械设备运动抽油机从电网吸收电能。另外一个是释放能量(机械势能,井下负压,平衡块势能等原因),由机械设备带动电动机运动,是一个发电的过程。就是说,抽油机在相当长一段时间内,要把势能变为电能回馈电网。在不使用变频器时,这个电能是直接回馈电网的,并没有在本地设备上消耗掉。综合表现为拍油机供电系统功率因数较低。但是在使用变频器时,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,会导致变频器直流回路电压升高而造成直流过压保护,必须将这部分电能处理掉,这就是我们在抽油机变频上必须使用制动单元或其他相关设备的原因。


    这种方案是在普通电动机电源上加变频器,降低了电动机的容量,负荷率得到较大提高,变频器的输入功率因数接近1,并且改变了上、下冲程的速比,也改善了抽油系统的配合。这种方案无论从电动机本身还是从系统配合上都达到了节能目的。发电时通过电阻回馈把发电能量放掉。另外,一次投入大,现场管理难度大,而且变频器本身也有功率损耗(约5—8%,变频器的谐波对电网有影响,并会使电动机附加损耗增大。


    4.2  稀土永磁同步电动机


    二十世纪九十年代初,大庆石油学院和西安石油学院对稀土永磁同步电动机进行了研制和现场试验,收到了较好效果。这种电动机的转子由磁钢、稀土材料和启动鼠笼组成。转子损耗比普通异步电动机小得多,因此电动机本身的效率比普通Y系列电动机高约5%,功率因数达到0.9,其额定运行时机械特性比Y系列电动机还硬,因此不能改善机、杆、泵系统配合,起不到系统节能的作用。相同功率的稀土永磁电动机比Y系列电动机成本大约高50%且启动电流比Y系列电动机还大,启动过程中,电动机转矩有振荡。


    4.3  绕线式异步电动机


游梁式抽油机用电动机节能是一个非常复杂的问题,选择方案时要考虑电动机效率、功率因数、系统增效、成本投入、可靠性及现场管理等问题。系统增效是指机、杆、泵整个系统效率提高的潜力:损失效率是指节能系统本身的损耗:启动性能是指电动机启动电流小,启动转矩大为好。


    5  抽油机能量回馈智能变频控制柜的应用


    抽油机能量回馈智能变频控制柜采用双变频技术,与普通变频柜的主要区别是可以把返回变频器直流环节的再生电能变换成一个和电网电源同步同相位的交流正弦波,经过滤波后把电能反馈回电网,再生利用。

 

 

    在对电磁调速电机进行节能技术改造后,将电磁调速电机上的调速器速度设定旋钮调整到最九然后降低变频器运行频率以达到正常的生产冲次。


    5.l  抽油机能量回馈智能变频控制柜对电磁调速电机改造后的特点


    5.1.1 无须更换电机,省时省力。
    5.1.2  软启动、软停止,降低工频启动造成的电机和电缆的绝缘老化,延长了设备的维修周期及使用寿命。
    5.1.3  过流、过压、过载、缺相、短路、三相不平衡具有保护功能,提高了设备运行的稳定性。
    5.1.4  能量回馈电网。采用双变频控制技术,能把负载轻重变化时电机产生的再生电能中97%的电能回馈电网,增加运行经济效益。
    5.1.5  安全可靠。该装置的应用,可以降低抽油机全系统的运行速度,以减轻传动、运动部分的疲劳和磨损(如油杆、皮带等),有完全故障保护,使用安全。
    5.1.6  独特的设计结构,变频主机做了防腐处理,具有防潮、防盐雾功能及运行温度在-l0℃~55℃之间,提高抽油机运行的可靠性。
    5.1.7 具有备用工频旁路系统,根据需要可转工频旁路运行,以保障正常生产。


    本系列抽油机能量回馈智能变频控制柜对孤东采油厂11-N20井等18口油井的调速电机改造后,经过前后对比测试节电率为18%,效果十分明显。


    6  结论


    要进一步提高游梁式抽油机的节能效果,一方面应从改善现有电动机的机械特性人手,使其机械特性与抽油机的负载特性互相配合,在负荷较小时工作特性较硬,负荷变大时特性变软,既可减小轻载时的转差损耗,又可像超高转差电动机那样增大抽油泵柱塞行程,提高泵效,提高系统效率。


    要达到此目的,最理想的是用频敏材料制造电动机的转子绕组,但目前还未见有关研制成功频敏效果较好(在00—50HZ内)材料的报道,一旦频敏材料的研究取得突破,必将给电动机的制造和节能开创新的途径。另一方面是研制四象限变频器,这样就可以把电动机发电状态所发的电回馈电网。国外已有此类产品,但价格很高。国内有些单位也在做这方面的工作。


    总之,尽管目前在游梁式抽油机电动机节能方面做了大量工作,但要解决的问题还是很多,电动机节能情况不太理想,还需各方面做出更多的努力。

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