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        抽油機節(jié)能裝置研究

        2017-02-05 07:12:52武偉偉王斌斌河南費曼電力技術(shù)有限公司
        石油石化節(jié)能 2017年12期
        關(guān)鍵詞:線電壓抽油機功率因數(shù)

        武偉偉 王斌斌(河南費曼電力技術(shù)有限公司)

        引言

        游梁式抽油機是目前油田生產(chǎn)中的主要設(shè)備,載荷過低現(xiàn)象比較嚴重,功率因數(shù)低,電能的浪費也很嚴重[1]。節(jié)能、增效、增產(chǎn)、降耗,提高油田電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性和降低電網(wǎng)線路上的損耗顯得更為重要。

        目前,國內(nèi)外對抽油機的節(jié)能和控制的研究集中于改變控制電動機的運行方式和研制新型節(jié)能型抽油機兩個方面[2]。但變頻調(diào)速技術(shù)并沒有在抽油機節(jié)能方面取得很好的實際應(yīng)用,根本原因是目前應(yīng)用在抽油機方面的變頻節(jié)能裝置為通用的變頻器,采用通用變頻模塊組裝而成的變頻控制柜,整流環(huán)節(jié)采用不可控二極管整流電路,電能只能單向流動,抽油機處于發(fā)電狀態(tài)時產(chǎn)生的回饋電能不能流向電網(wǎng),致使回饋時在直流母線電容上產(chǎn)生很高泵生電壓,極易燒壞變頻設(shè)備[3]。另外,二極管整流時輸入電流諧波大,諧波流向電網(wǎng)造成諧波污染,影響線路設(shè)備的利用率。

        為此,設(shè)計了一種油田抽油機專用節(jié)能控制裝置,實現(xiàn)電動機四象限運行、單位功率因數(shù)運行且可調(diào)、能量高效回饋,變頻輸出電壓穩(wěn)定,提高了裝置運行的穩(wěn)定性和可靠性。

        1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

        如圖1所示,其主回路由三相可控整流組成的網(wǎng)側(cè)變換器和三相逆變器組成的機側(cè)變換器兩部分構(gòu)成。網(wǎng)側(cè)變換器主要組件包括電抗器、高頻濾波電容、全控整流電路和直流電容。抽油機節(jié)能裝置控制系統(tǒng)的控制芯片采用TMS320F28335芯片,采樣芯片采用16位高精度AD7656芯片,電壓互感器、電流互感器的二次信號經(jīng)過采樣調(diào)理電路處理后送至DSPTMS320F28335快速計算,輸出脈沖控制信號至IGBT驅(qū)動端進行實時控制。

        2 MATLAB仿真分析

        為驗證本設(shè)計的可行性并為裝置研制過程進行理論指導(dǎo),進行了MATLAB電子仿真。網(wǎng)側(cè)變換器采取SVPWM調(diào)制方式,采用瞬時無功算法及解耦控制策略,將無功分量目標值設(shè)定為0;機側(cè)變換器采用恒壓頻比開環(huán)控制策略。裝置仿真結(jié)構(gòu)見圖2。負載模型為三相異步電動機,參數(shù)設(shè)置:額定電壓為0.38kV,極對數(shù)為2,額定頻率為50Hz,額定功率為18.5kW。

        裝置輸入側(cè)電壓和電流波形見圖3。圖3中粉色虛線波形為電網(wǎng)相電壓波形,綠色實線為裝置運行時從電網(wǎng)吸收的相電流波形。由圖3可知,電網(wǎng)電壓相位和裝置運行電流相位基本重合,相位角度差很小,可忽略,即功率因數(shù)接近于單位功率因數(shù)。

        圖1 抽油機節(jié)能裝置原理

        圖2 系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)

        圖3 網(wǎng)側(cè)交流電壓和電流波形

        電動機負載狀態(tài)突增、突減及切除的瞬間裝置直流電壓和裝置輸出電流的仿真波形見圖4,其中變量采用標幺值。圖4中黑色波形為直流電壓波形,粉色波形為輸出電流波形。圖4(a)為負荷突增波形,突增負荷瞬間直流波形僅有很小的波動,且很快恢復(fù)正常;圖4(b)為負荷突降時直流電壓和交流電流波形,負荷突降瞬間直流電壓穩(wěn)定無波動;圖4(c)為負荷突然切除波形,切除瞬間及切除后直流電壓波形穩(wěn)定。由圖4可知,在負荷突然變化時瞬間直流電壓基本保持不變,充分說明本控制方案能提供穩(wěn)定的直流電壓,為機側(cè)變換器的高效率運行提供基礎(chǔ)。

        3 試驗研究

        在設(shè)計理論指導(dǎo)下,制作了設(shè)備樣機,并在樣機基礎(chǔ)上編制了實時控制軟件,進行現(xiàn)場運行試驗。

        設(shè)備拖動抽油機帶載運行時上沖程階段波形,電網(wǎng)交流線電壓和裝置相電流及裝置內(nèi)部直流電壓的波形如圖5所示;抽油機處于下沖程階段即發(fā)電狀態(tài)時,電網(wǎng)線電壓和裝置相電流及裝置內(nèi)部直流電壓的波形如圖6所示。圖5波形顯示了相電流相位滯后電網(wǎng)交流線電壓相位1.8ms左右,即30°左右;因線電壓相位超前相電壓30°,因此相電壓和相電流相位基本相同,實現(xiàn)了單位功率因數(shù)下運行,降低甚至消除無功功率對電網(wǎng)線路和設(shè)備產(chǎn)生的影響。

        圖4 負載突變電壓電流波形

        圖5 穩(wěn)定運行時網(wǎng)側(cè)電壓和電流波形

        由圖6可知,在回饋時電流相位超前線電壓150°,電流相位和相電壓相位反相,電能以單位功率因數(shù)高效回饋,實現(xiàn)了四象限和單位功率因數(shù)下運行,在整個運行過程中和電網(wǎng)系統(tǒng)基本不產(chǎn)生無功交換。

        裝置負載突然切除時交流輸入電流波形和裝置內(nèi)直流電壓波形見圖7。由圖7可知,負載切除瞬間直流電壓保持穩(wěn)定,輸出功率能夠迅速跟蹤負載變化。

        圖6 回饋狀態(tài)波形

        圖7 突然切除負載變化波形

        4 節(jié)能效果分析

        在32號井和43號井上安裝了抽油機節(jié)能裝置,并進行了現(xiàn)場測試(表1)。應(yīng)用此裝置前三相線電壓平均值為351V。

        由表1可知,抽油機直接連接電網(wǎng)運行時,2口井功率因數(shù)都非常低,32號井功率因數(shù)只有0.462左右,43號井功率因數(shù)0.414左右。因功率因數(shù)很低,運行時產(chǎn)生大量無功功率,無功功率在電網(wǎng)線路上產(chǎn)生較高的電壓降,末端電壓在342V左右,較電網(wǎng)電壓下降10V,嚴重影響供電質(zhì)量。當抽油機通過節(jié)能裝置運行時,功率因數(shù)超過0.98,電網(wǎng)電壓無下降,從而有利于提高電網(wǎng)的供電質(zhì)量。電網(wǎng)側(cè)的交流電流有效值也大幅度降低,其中32號井的電流由35.7A下降為11.57A,43號井從26.5A下降為8.1A,功率因數(shù)大幅度提高。

        表1 現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)

        根據(jù)GB/T12497—2006《三相異步電動機經(jīng)濟運行》規(guī)定,無功功率下降的效益用無功當量表示,取0.03kW/kvar。32號井時節(jié)電量為4.228kWh,43號井時節(jié)電量為2.45kWh。按照每天工作24h,年工作330d計算,32號井年節(jié)電量為3.35×104kWh,43號井年節(jié)電量為1.94×104kWh。

        5 結(jié)論

        通過理論分析仿真及現(xiàn)場試驗,驗證了本設(shè)計的可行性。應(yīng)用抽油機節(jié)能裝置有效地提高了功率因數(shù),降低了能量消耗,穩(wěn)定了末端電壓,提高了線路的輸電能力和變壓器的運行效率,并且在負荷突然變化時裝置能夠快速反應(yīng),保持運行穩(wěn)定?,F(xiàn)場實測數(shù)據(jù)證實該裝置能夠有效提高系統(tǒng)運行效率,節(jié)能效果顯著,適合在油田推廣使用。

        [1]金峰.抽油機節(jié)能研究[J].油氣田地面工程,1998,17(5):1-4.

        [2]張繼展,馬廣杰,孫景麗,等.游梁抽油機的用電發(fā)電與節(jié)電[J].石油礦場機械,2001,30(4):36-38.

        [3]李敏,崔愛玉,寧剛,等.抽油機節(jié)能技術(shù)的探討[J].油氣地面工程,2002,21(4):116-117.

        [4]冷海濱.雙PWM矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究[D].南寧:廣西大學(xué),2006.

        [5]陳小麗.高功率因數(shù)雙PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究[D].南寧:廣西大學(xué),2005.

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