VACON變頻器對(duì)傳統(tǒng)抽油機(jī)的節(jié)能改造控制
一、抽油機(jī)使用變頻驅(qū)動(dòng)的節(jié)能原理
首先，需要明確抽油機(jī)的負(fù)載特性：恒速運(yùn)行；由于有配重，因此是變轉(zhuǎn)矩、變功率負(fù)載。目前國內(nèi)油田普遍采用的傳統(tǒng)式抽油機(jī)系統(tǒng)存在如下特性：運(yùn)行時(shí)間長、“大馬拉小車”、效率低下、耗能大、沖程和沖次調(diào)節(jié)不方便，因此抽油機(jī)有必要使用變頻器以實(shí)現(xiàn)節(jié)能、增產(chǎn)的目的。
任何平衡良好的抽油機(jī)都有發(fā)電狀態(tài)，但是如果變頻器運(yùn)行時(shí)，仍采用恒速度運(yùn)行方式，并保持工頻時(shí)的抽油次數(shù)，即變頻器一直輸出50Hz的工頻頻率，并繼續(xù)保持抽油機(jī)在一個(gè)沖程中有兩次發(fā)電狀態(tài)，將導(dǎo)致變頻器因直流橋電壓升高出現(xiàn)過電壓故障，很明顯的，這是不可行的。
如果允許變頻器變速運(yùn)行的同時(shí)保持原抽油次數(shù)，發(fā)電狀態(tài)下變頻器輸出頻率增加，將直流橋電壓保持在一定范圍內(nèi)，此時(shí)變頻器不會(huì)過壓。為保持恒定的抽油次數(shù)，在電動(dòng)狀態(tài)下，變頻器的運(yùn)行速度將降低，即其輸出頻率減小，在轉(zhuǎn)矩不變的情況下，從電網(wǎng)吸收的能量亦將減少；在發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)下，變頻器無需再從電網(wǎng)吸收能量，并有部分能量存儲(chǔ)在其直流電容中，這部分能量將用于電動(dòng)狀態(tài)下的供能，因此，抽油機(jī)從電網(wǎng)吸收的能量將進(jìn)一步減少。
二、傳統(tǒng)抽油機(jī)變頻改造的難點(diǎn)
隨著原油生產(chǎn)對(duì)抽油機(jī)產(chǎn)量和節(jié)能要求的不斷提高，國內(nèi)對(duì)抽油機(jī)變頻節(jié)能改造做了大量的試驗(yàn)，但都不太成功，主要原因是：
1.游梁式抽油機(jī)在一個(gè)工作循環(huán)中，有兩次發(fā)電狀態(tài)運(yùn)行，如果此時(shí)不采取任何有效的措施，將造成變頻器過壓故障。傳統(tǒng)的解決方法是采用四象限、帶反饋的變頻器，或普通變頻器帶能耗制動(dòng)或降頻使用或在直流橋上并大容量儲(chǔ)能電容。使用四象限、帶反饋的變頻器將增加系統(tǒng)的造價(jià)，延長油田收回成本的時(shí)間；使用普通變頻器帶能耗制動(dòng)時(shí)，不同的油井將選用不同的制動(dòng)電阻，并且隨著油層的變化，制動(dòng)電阻的大小也將隨之變化，否則仍然會(huì)產(chǎn)生過壓故障，這將大大降低節(jié)能的效果；普通變頻器降頻使用時(shí)，很難提高抽油的效率；在變頻器的直流橋上并聯(lián)大電容時(shí)，也需要隨著油層的變化，改變并聯(lián)電容的容量，否則仍會(huì)造成過壓；
2.游梁式抽油機(jī)的起動(dòng)需要較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，如果變頻器的參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，將造成過流或不能起動(dòng)的現(xiàn)象；
3.以往的設(shè)計(jì)方案很少考慮油井的油面、油濃度的變化等情況，在提高產(chǎn)量等方面，并不具備顯著的效果。
三、VACON抽油機(jī)專用變頻節(jié)能驅(qū)動(dòng)解決方案
VACON抽油機(jī)專用變頻節(jié)能驅(qū)動(dòng)解決方案主要基于VACON變頻器的BeamPump應(yīng)用宏軟件包。該應(yīng)用宏由VACON標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用宏經(jīng)過簡單修改而成，是根據(jù)油田實(shí)際情況，以及梁式抽油機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，專門開發(fā)的新型智能化電氣油田抽油機(jī)控制方式，它能自主判斷抽油機(jī)運(yùn)行的上下沖程，根據(jù)油井的實(shí)際情況，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)上下沖程的速度，從而在實(shí)際抽油時(shí)，不更改每分鐘的抽油次數(shù)，但增加每次抽油時(shí)的采油量，提高抽油機(jī)的產(chǎn)量。
Vacon變頻節(jié)能方案通過調(diào)整變頻器內(nèi)部的頻率參考值，保證抽油時(shí)間（SPM）恒定。所有的參考指令都將折算為每分鐘的抽油次數(shù)。控制的原理是：對(duì)正常工作給出合適的電流限制，在電動(dòng)狀態(tài)下，電機(jī)實(shí)際速度低于參考值；在發(fā)電狀態(tài)下，允許電機(jī)速度高于參考值，從而保持平均的恒定抽油時(shí)間。當(dāng)使用平衡負(fù)載應(yīng)用時(shí)對(duì)上下沖程使用兩種不同的參考頻率值。該方案的優(yōu)點(diǎn)在于：
1.高效節(jié)能，增產(chǎn)
控制器內(nèi)無任何的制動(dòng)電阻，當(dāng)抽油機(jī)處于發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，變頻器自動(dòng)提高電機(jī)的運(yùn)行速度，并儲(chǔ)存發(fā)電運(yùn)行產(chǎn)生的能量，與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案相比，減少了不必要的能量損失。
2.運(yùn)行安全，性能可靠
驅(qū)動(dòng)控制無需任何PLC，而是基于變頻器的專用控制程序?qū)崿F(xiàn)，并且具有工頻和變頻操作方式，這兩種操作方式互鎖，并相互獨(dú)立，變頻器具有寬廣的輸入電壓范圍，因此使系統(tǒng)的運(yùn)行更安全，性能更加可靠。
3.人機(jī)界面友好，安裝方便，操作簡單
變頻器的顯示面板可以直接顯示變頻器的輸出電壓，輸出電流，輸出頻率，電機(jī)運(yùn)行消耗的能量，運(yùn)行時(shí)間，抽油次數(shù)等。變頻器的運(yùn)行參考值可直接設(shè)置抽油機(jī)的抽油次數(shù)，從而改善了傳統(tǒng)的通過設(shè)置電機(jī)運(yùn)行頻率進(jìn)行控制的操作方式。
上述方案適用于目前常見的游梁平衡式、曲柄平衡式和復(fù)合平衡式三種傳統(tǒng)的抽油機(jī)。實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)輸入必須的抽油機(jī)參數(shù)后，控制器將對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行靜態(tài)建模，并根據(jù)抽油機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況，實(shí)時(shí)修改抽油機(jī)的數(shù)學(xué)模型，以達(dá)到增產(chǎn)節(jié)能的目的。
四、應(yīng)用案例
基于BeamPumper應(yīng)用宏的VACON抽油機(jī)專用變頻節(jié)能驅(qū)動(dòng)解決方案已經(jīng)在遼河油田，新疆油田，大慶油田，勝利油田等大規(guī)模投入使用。在此僅以遼河油田洼3737井、海C9-17井為例，其應(yīng)用示意圖如下圖所示。為使變頻器故障時(shí)不耽誤生產(chǎn)，可加工工頻旁路。變頻器運(yùn)行時(shí)，C3和C1、C2聯(lián)鎖，不會(huì)發(fā)生同時(shí)合閘的情況，即在正常運(yùn)行狀態(tài)下，開關(guān)C1和C2全部合閘，C3斷開；變頻器故障時(shí)C1和C2斷開，C3合閘。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)為節(jié)電率15%，增產(chǎn)率5%。由上表可知，Vacon變頻節(jié)能方案達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，節(jié)能效果顯著。
五、結(jié)束語
能源價(jià)格的不斷上漲和國家能源法案對(duì)節(jié)能越來越嚴(yán)格的要求是包括石油鉆探在內(nèi)的各行業(yè)在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)必須考慮的重要課題。另外，隨著采油行業(yè)對(duì)石油產(chǎn)量和系統(tǒng)運(yùn)行成本要求的不斷提高，變頻驅(qū)動(dòng)解決方案的應(yīng)用勢(shì)必趨于廣泛。實(shí)踐證明，本文介紹的VACON抽油機(jī)專用變頻節(jié)能驅(qū)動(dòng)解決方案在應(yīng)用中體現(xiàn)出明顯的節(jié)能和增產(chǎn)效果，是替代傳統(tǒng)抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)方案的理想選擇。
首先，需要明確抽油機(jī)的負(fù)載特性：恒速運(yùn)行；由于有配重，因此是變轉(zhuǎn)矩、變功率負(fù)載。目前國內(nèi)油田普遍采用的傳統(tǒng)式抽油機(jī)系統(tǒng)存在如下特性：運(yùn)行時(shí)間長、“大馬拉小車”、效率低下、耗能大、沖程和沖次調(diào)節(jié)不方便，因此抽油機(jī)有必要使用變頻器以實(shí)現(xiàn)節(jié)能、增產(chǎn)的目的。
任何平衡良好的抽油機(jī)都有發(fā)電狀態(tài)，但是如果變頻器運(yùn)行時(shí)，仍采用恒速度運(yùn)行方式，并保持工頻時(shí)的抽油次數(shù)，即變頻器一直輸出50Hz的工頻頻率，并繼續(xù)保持抽油機(jī)在一個(gè)沖程中有兩次發(fā)電狀態(tài)，將導(dǎo)致變頻器因直流橋電壓升高出現(xiàn)過電壓故障，很明顯的，這是不可行的。
如果允許變頻器變速運(yùn)行的同時(shí)保持原抽油次數(shù)，發(fā)電狀態(tài)下變頻器輸出頻率增加，將直流橋電壓保持在一定范圍內(nèi)，此時(shí)變頻器不會(huì)過壓。為保持恒定的抽油次數(shù)，在電動(dòng)狀態(tài)下，變頻器的運(yùn)行速度將降低，即其輸出頻率減小，在轉(zhuǎn)矩不變的情況下，從電網(wǎng)吸收的能量亦將減少；在發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)下，變頻器無需再從電網(wǎng)吸收能量，并有部分能量存儲(chǔ)在其直流電容中，這部分能量將用于電動(dòng)狀態(tài)下的供能，因此，抽油機(jī)從電網(wǎng)吸收的能量將進(jìn)一步減少。
二、傳統(tǒng)抽油機(jī)變頻改造的難點(diǎn)
隨著原油生產(chǎn)對(duì)抽油機(jī)產(chǎn)量和節(jié)能要求的不斷提高，國內(nèi)對(duì)抽油機(jī)變頻節(jié)能改造做了大量的試驗(yàn)，但都不太成功，主要原因是：
1.游梁式抽油機(jī)在一個(gè)工作循環(huán)中，有兩次發(fā)電狀態(tài)運(yùn)行，如果此時(shí)不采取任何有效的措施，將造成變頻器過壓故障。傳統(tǒng)的解決方法是采用四象限、帶反饋的變頻器，或普通變頻器帶能耗制動(dòng)或降頻使用或在直流橋上并大容量儲(chǔ)能電容。使用四象限、帶反饋的變頻器將增加系統(tǒng)的造價(jià)，延長油田收回成本的時(shí)間；使用普通變頻器帶能耗制動(dòng)時(shí)，不同的油井將選用不同的制動(dòng)電阻，并且隨著油層的變化，制動(dòng)電阻的大小也將隨之變化，否則仍然會(huì)產(chǎn)生過壓故障，這將大大降低節(jié)能的效果；普通變頻器降頻使用時(shí)，很難提高抽油的效率；在變頻器的直流橋上并聯(lián)大電容時(shí)，也需要隨著油層的變化，改變并聯(lián)電容的容量，否則仍會(huì)造成過壓；
2.游梁式抽油機(jī)的起動(dòng)需要較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，如果變頻器的參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，將造成過流或不能起動(dòng)的現(xiàn)象；
3.以往的設(shè)計(jì)方案很少考慮油井的油面、油濃度的變化等情況，在提高產(chǎn)量等方面，并不具備顯著的效果。
三、VACON抽油機(jī)專用變頻節(jié)能驅(qū)動(dòng)解決方案
VACON抽油機(jī)專用變頻節(jié)能驅(qū)動(dòng)解決方案主要基于VACON變頻器的BeamPump應(yīng)用宏軟件包。該應(yīng)用宏由VACON標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用宏經(jīng)過簡單修改而成，是根據(jù)油田實(shí)際情況，以及梁式抽油機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，專門開發(fā)的新型智能化電氣油田抽油機(jī)控制方式，它能自主判斷抽油機(jī)運(yùn)行的上下沖程，根據(jù)油井的實(shí)際情況，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)上下沖程的速度，從而在實(shí)際抽油時(shí)，不更改每分鐘的抽油次數(shù)，但增加每次抽油時(shí)的采油量，提高抽油機(jī)的產(chǎn)量。
Vacon變頻節(jié)能方案通過調(diào)整變頻器內(nèi)部的頻率參考值，保證抽油時(shí)間（SPM）恒定。所有的參考指令都將折算為每分鐘的抽油次數(shù)。控制的原理是：對(duì)正常工作給出合適的電流限制，在電動(dòng)狀態(tài)下，電機(jī)實(shí)際速度低于參考值；在發(fā)電狀態(tài)下，允許電機(jī)速度高于參考值，從而保持平均的恒定抽油時(shí)間。當(dāng)使用平衡負(fù)載應(yīng)用時(shí)對(duì)上下沖程使用兩種不同的參考頻率值。該方案的優(yōu)點(diǎn)在于：
1.高效節(jié)能，增產(chǎn)
控制器內(nèi)無任何的制動(dòng)電阻，當(dāng)抽油機(jī)處于發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，變頻器自動(dòng)提高電機(jī)的運(yùn)行速度，并儲(chǔ)存發(fā)電運(yùn)行產(chǎn)生的能量，與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案相比，減少了不必要的能量損失。
2.運(yùn)行安全，性能可靠
驅(qū)動(dòng)控制無需任何PLC，而是基于變頻器的專用控制程序?qū)崿F(xiàn)，并且具有工頻和變頻操作方式，這兩種操作方式互鎖，并相互獨(dú)立，變頻器具有寬廣的輸入電壓范圍，因此使系統(tǒng)的運(yùn)行更安全，性能更加可靠。
3.人機(jī)界面友好，安裝方便，操作簡單
變頻器的顯示面板可以直接顯示變頻器的輸出電壓，輸出電流，輸出頻率，電機(jī)運(yùn)行消耗的能量，運(yùn)行時(shí)間，抽油次數(shù)等。變頻器的運(yùn)行參考值可直接設(shè)置抽油機(jī)的抽油次數(shù)，從而改善了傳統(tǒng)的通過設(shè)置電機(jī)運(yùn)行頻率進(jìn)行控制的操作方式。
上述方案適用于目前常見的游梁平衡式、曲柄平衡式和復(fù)合平衡式三種傳統(tǒng)的抽油機(jī)。實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)輸入必須的抽油機(jī)參數(shù)后，控制器將對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行靜態(tài)建模，并根據(jù)抽油機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況，實(shí)時(shí)修改抽油機(jī)的數(shù)學(xué)模型，以達(dá)到增產(chǎn)節(jié)能的目的。
四、應(yīng)用案例
基于BeamPumper應(yīng)用宏的VACON抽油機(jī)專用變頻節(jié)能驅(qū)動(dòng)解決方案已經(jīng)在遼河油田，新疆油田，大慶油田，勝利油田等大規(guī)模投入使用。在此僅以遼河油田洼3737井、海C9-17井為例，其應(yīng)用示意圖如下圖所示。為使變頻器故障時(shí)不耽誤生產(chǎn)，可加工工頻旁路。變頻器運(yùn)行時(shí)，C3和C1、C2聯(lián)鎖，不會(huì)發(fā)生同時(shí)合閘的情況，即在正常運(yùn)行狀態(tài)下，開關(guān)C1和C2全部合閘，C3斷開；變頻器故障時(shí)C1和C2斷開，C3合閘。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)為節(jié)電率15%，增產(chǎn)率5%。由上表可知，Vacon變頻節(jié)能方案達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，節(jié)能效果顯著。
五、結(jié)束語
能源價(jià)格的不斷上漲和國家能源法案對(duì)節(jié)能越來越嚴(yán)格的要求是包括石油鉆探在內(nèi)的各行業(yè)在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)必須考慮的重要課題。另外，隨著采油行業(yè)對(duì)石油產(chǎn)量和系統(tǒng)運(yùn)行成本要求的不斷提高，變頻驅(qū)動(dòng)解決方案的應(yīng)用勢(shì)必趨于廣泛。實(shí)踐證明，本文介紹的VACON抽油機(jī)專用變頻節(jié)能驅(qū)動(dòng)解決方案在應(yīng)用中體現(xiàn)出明顯的節(jié)能和增產(chǎn)效果，是替代傳統(tǒng)抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)方案的理想選擇。
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井號(hào)及電機(jī)型號(hào) |
洼3737 Y280m-8 |
海C9-17 Y280m-12 | ||
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工況 |
工頻 |
變頻 |
工頻 |
變頻 |
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日均有功耗電 |
188度 |
137度 |
143度 |
135度 |
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799度 |
33度 |
778度 |
27度 | |
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有功節(jié)電率 |
27% |
5.93% | ||
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無功節(jié)電率 |
96% |
96.6% | ||
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綜合節(jié)電率 |
34.9% |
18.37% | ||
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日均產(chǎn)量 | ||||
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