孫曉麗(大慶油田有限責(zé)任公司第七采油廠)
功率隨動數(shù)控拖動裝置的應(yīng)用效果分析
孫曉麗(大慶油田有限責(zé)任公司第七采油廠)
功率隨動數(shù)控拖動裝置屬于變頻控制技術(shù)的一種,該裝置是通過跟蹤監(jiān)測抽油機(jī)電動機(jī)的負(fù)載變化規(guī)律,合理優(yōu)化調(diào)整電動機(jī)的轉(zhuǎn)速,使電動機(jī)始終處于低轉(zhuǎn)速高功率、高轉(zhuǎn)速低功率的狀態(tài)下運行,電動機(jī)的運行軌跡和抽油機(jī)的井下功況更加合理,最終達(dá)到降低抽油機(jī)舉升能耗,消除電動機(jī)發(fā)電狀態(tài),降低電動機(jī)啟動轉(zhuǎn)矩,改善深井泵工作狀態(tài)。結(jié)合該裝置的技術(shù)特點及現(xiàn)場應(yīng)用情況,從裝置的運行特性、應(yīng)用效果進(jìn)行了詳細(xì)的分析,為變頻控制技術(shù)在油田上的進(jìn)一步推廣提供參考。
變頻 電動機(jī) 負(fù)載 控制
抽油機(jī)運行過程中存在兩種狀態(tài),一是電動機(jī)驅(qū)動機(jī)械設(shè)備運動,抽油機(jī)從電網(wǎng)吸收電能;二是由于抽油機(jī)平衡塊的勢能釋放,使機(jī)械設(shè)備帶動電動機(jī)運動,抽油機(jī)向電網(wǎng)傳導(dǎo)電能。隨著變頻控制技術(shù)的迅速發(fā)展,抽油機(jī)的運行狀態(tài)得到了較好的改善。變頻控制技術(shù)是集信息、自控、計算機(jī)、調(diào)速、傳感器等技術(shù)為一體的電動機(jī)控制技術(shù),該技術(shù)主要是通過監(jiān)測電動機(jī)的負(fù)載變化規(guī)律,對電動機(jī)的運行過程實現(xiàn)模糊控制,使電動機(jī)始終保持最佳狀態(tài)下運行,有效的降低電動機(jī)的功率損耗,消除了電動機(jī)的發(fā)電狀態(tài)。同時,變頻控制技術(shù)具有軟啟動功能,完全可以解決抽油機(jī)的“大馬拉小車”問題,使抽油機(jī)井的設(shè)備選型更加合理。功率隨動數(shù)控拖動裝置即屬于變頻控制技術(shù)的一種。
功率隨動數(shù)控拖動裝置結(jié)合抽油機(jī)負(fù)荷變化的周期性特點,對抽油機(jī)上一個沖程周期內(nèi),電動機(jī)的輸出功率和轉(zhuǎn)矩的分布情況進(jìn)行時時監(jiān)測,將監(jiān)測結(jié)果作為抽油機(jī)下一個沖程周期的預(yù)期性參考值。由于抽油機(jī)井在實際生產(chǎn)過程中,可能出現(xiàn)負(fù)荷突變的情況,此時如果嚴(yán)格按照參考值執(zhí)行,并不完全符合抽油機(jī)下一個沖程周期內(nèi)的實際工況需求。因此預(yù)設(shè)的電動機(jī)轉(zhuǎn)速不能是強(qiáng)制性的,必須在一定范圍內(nèi)具有自動調(diào)整的能力??紤]到抽油機(jī)在運行過程中,由于曲柄的旋轉(zhuǎn)速度決定著懸點的直線運動速度,懸點直線運動速度的變化,又直接決定著桿柱的強(qiáng)度負(fù)荷與疲勞負(fù)荷,以及井下抽油泵的綜合運行效果。因此通過逆向推導(dǎo),可以導(dǎo)出懸點直線運動速度的分布需求,進(jìn)而導(dǎo)出電動機(jī)轉(zhuǎn)速控制的邊界條件和優(yōu)化方向。
當(dāng)電動機(jī)出現(xiàn)發(fā)電狀態(tài)時,功率隨動數(shù)控拖動裝置是通過提高電動機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速,讓旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速大于或等于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速,在消除電動機(jī)發(fā)電狀態(tài),降低電動機(jī)無功損耗的同時,借助抽油機(jī)平衡塊的慣性作用,降低抽油機(jī)負(fù)載對電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的需求。電動機(jī)轉(zhuǎn)速的跟蹤調(diào)整,就是根據(jù)抽油機(jī)負(fù)載的變化需求,實現(xiàn)電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的按需分配,已達(dá)到降低電動機(jī)功率損耗的目的。
功率隨動數(shù)控拖動裝置的優(yōu)化過程,還需要根據(jù)油井以往的生產(chǎn)參數(shù),包括產(chǎn)量、液面、沖速等,在保持或接近原井沖速的前提下,對抽油機(jī)每一個沖程周期內(nèi),上下行程的速度進(jìn)行重新分配,通過延長抽油機(jī)下行程時間、縮短上行程時間,來改變深井泵的運行狀況,提高深井泵的充滿度,減少深井泵的漏失量。
功率隨動數(shù)控拖動裝置同時具有軟啟動功能,通過逐漸增加電動機(jī)的啟動轉(zhuǎn)速,使電流緩慢上升,最終達(dá)到電動機(jī)啟動時所需的轉(zhuǎn)矩,從而消減了電動機(jī)的啟動峰值電流,降低了電動機(jī)的裝機(jī)功率,提高電動機(jī)功率利用率,解決了抽油機(jī)“大馬拉小車”的問題。
以1#井為例:圖1為該井工頻50H z狀態(tài)下,測試一個沖程周期內(nèi)的功率、電流和電壓變化曲線。該井平均有功功率為2.84 k W,平均負(fù)功(發(fā)電狀態(tài))為0.32k W,平均無功功率為14.30k v a r,平均電流為30.84 A,平均電壓222V。
圖2為1#井變頻狀態(tài)下,測試電動機(jī)輸入端一個沖程周期內(nèi)的功率、電流和電壓變化曲線。該井平均有功功率2.01k W,平均負(fù)功為0,平均無功功率為7.56k v a r,平均電流為17.91A,平均電壓154 V,最大輸出頻率108.3H z,最小輸出頻率13.3H z,平均輸出頻率為53.9H z。從測試數(shù)據(jù)和曲線看,功率隨動數(shù)控拖動裝置使電動機(jī)的輸入電壓發(fā)生變化,由于電壓與頻率成正比關(guān)系,證明了該裝置能夠通過自動調(diào)整電動機(jī)的輸入頻率,實現(xiàn)對電動機(jī)功率的跟蹤控制。
圖3為1#井變頻狀態(tài)下,測試控制箱輸入端一個沖程周期內(nèi)的功率、電流和電壓變化曲線。從測試數(shù)據(jù)看,該井平均有功功率為2.26k W,平均無功功率為2.41 k v a r,平均電流為4.84 A,平均電壓227V。與工頻狀態(tài)下對比,有功節(jié)電率20.4%,負(fù)功消除,無功節(jié)電率83.1%,綜合節(jié)電率28.7%。
以2#井為例:圖4為該井工頻和變頻狀態(tài)下,測試一個沖程周期內(nèi)的功率變化曲線。工頻狀態(tài)下,平均沖速為4.46min-1,下行程時間為6.84 s,上行程時間為6.60s,上下行程的時間基本相同;變頻狀態(tài)下,平均沖速為2.99min-1,下行程時間為11.15s,上行程時間為8.88s。
圖5為2#井工頻與變頻狀態(tài)下測試示功圖。工頻狀態(tài)下,理論排量為12.1t/d,日產(chǎn)液2.4 t,泵效20%;變頻狀態(tài)下,理論排量為13.7t/d,日產(chǎn)液3.1 t,泵效23%。通過數(shù)據(jù)對比,2#井變頻狀態(tài)下的泵理論排量、日產(chǎn)液、泵效均有不同程度的提高,示功圖的充滿度明顯提高。
以3#井為例:圖6為工頻和變頻狀態(tài)下,測試30s的電壓、電流和功率變化曲線。工頻運行時,三相電流的啟動峰值分別為181.0 A、190.3 A、212.8A,有功功率峰值為53.11 k W;變頻運行時,三相電流的啟動峰值分別降到17.21 A、19.18A、20.50A,分別低于工頻狀態(tài)下啟動電流峰值的10.5倍、9.9倍、10.4倍,有功功率峰值降到8.77k W,低于工頻狀態(tài)下啟動功率峰值的6.1倍。從測試曲線看,變頻狀態(tài)下,電流和功率值均從0開始逐漸增加,直到電動機(jī)可以正常拖動負(fù)載運行的狀態(tài)后,電流和功率變化曲線趨于穩(wěn)定。
對22口試驗井的地面設(shè)備組合情況進(jìn)行了調(diào)查,功率隨動數(shù)控拖動裝置與常規(guī)抽油機(jī)組合的效果較為明顯,有功節(jié)電率均超過了22%;與節(jié)能抽油機(jī)組合后,應(yīng)用低速電動機(jī)、普通電動機(jī)的匹配效果較為明顯,有功節(jié)電率均超過24%;與高轉(zhuǎn)差電動機(jī)的匹配相對較差,有功節(jié)電率在14%~19%,見表1。
1)變頻器控制技術(shù)可以在不改變抽油機(jī)原有四連桿機(jī)構(gòu)的情況下,結(jié)合抽油機(jī)負(fù)載的變換規(guī)律,跟蹤調(diào)整電動機(jī)轉(zhuǎn)速,達(dá)到降低電動機(jī)的功率損耗,消除電動機(jī)的發(fā)電狀態(tài),消減電動機(jī)的啟動電流峰值,改善抽油機(jī)深井泵的工作狀態(tài),提高泵效的目的。
表1 抽油機(jī)地面設(shè)備匹配情況對比
2)變頻器控制技術(shù)可以實現(xiàn)抽油機(jī)的柔性啟動,減輕地面?zhèn)鲃友b置和井下桿柱的磨損,延長油井的免修期,提高設(shè)備的使用壽命。
10.3969/j.i ssn.2095-1493.2012.011.006
孫曉麗,2008年畢業(yè)于西安石油大學(xué),從事采油工作,E-mail:chenxiaojie@petrochina.com,地址:黑龍江省大慶市大同區(qū)第七采油廠工程技術(shù)大隊,163517。
2012-08-09)