变频器在磕头机上的应用

Time:2021-8-31 Category:Industry News

油田作为一个特殊行业,有其独特的背景,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。游梁式抽油机俗称“磕头机”,是目前各个油田所普遍采用的抽油机,但是目前的抽油机 系统普遍存在着效率低、能耗大、冲程和冲次调节不方便等明显的缺点。本文主要介绍满毅(USFULL)变频器在游梁式抽油机上的应用。

一、 磕头机的工作原理

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图1 游梁式抽油机实物图

磕头机即游梁式抽油机是油田广泛应用的传统抽油设备,通常由普通交流异步电动机直接拖动。其曲柄带以配重平衡块带动抽油杆,驱动井下抽油泵做固定周期的上下往复运动,把井下的油送到地面。在一个冲次内,随着抽油杆的上升/下降,而使电机工作在电动/发电状态。上升过程电机从电网吸收能量电动运行;下降过程电机的负载性质为位势负载,加之井下负压等使电动机处于发电状态,把机械能量转换成电能回馈到电网。

如图1,游梁式抽油机实物图所示,当磕头机工作时,驴头悬点上作用的载荷是变化的。上冲程时,驴头悬点需提起抽油杆柱和液柱,在抽油机未进行平衡的条件 下,电动机就要付出很大的能量。在下冲程时,抽油机杆柱转而对电动机做功,使电动机处于发电机的运行状态。抽油机未进行平衡时,上、下冲程的载荷极度不均 匀,这样将严重地影响抽油机的四连杆机构、减速箱和电动机的效率和寿命,恶化抽油杆的工作条件,增加它的断裂次数。为了消除这些缺点,一般在抽油机的游梁 尾部或曲柄上或两处都加上了平衡重,如图1所示。目前使用较多的游梁式抽油机,都采用了加平衡配重的工作方式,因此在抽油机的一个工作循环中,有两个电动机运行状态和两 个发电机运行状态。当平衡配重调节较好时,其发电机运行状态的时间和产生的能量都较小。

二、 变频器在抽油机的控制问题

目前,在胜利油田采用的抽油设备中,以游梁式抽油机最为普遍,数量也最多。其数量达十万台以上。抽油机用电量约占油田总用电量的40%,运行效率非常低, 平均运行效率只有25%,功率因数低,电能浪费大。因此,抽油机节能潜力非常巨大,石油行业也是推广“电机系统节能”的重点行业。

2.1 变频器在抽油机的控制问题主要体现在如下几个方面

一方面是再生能量的处理问题,如图2所示,游梁式抽油机运动为反复上下提升,一个冲程提升一次,其动力来自电动机带动的两个重量相当大的钢质滑块,当滑块 提升时,类似杠杆作用,将采油机杆送入井中;滑块下降时,采油杆提出带油至井口,由于电动机转速一定,滑块下降过程中,负荷减轻,电动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,导致电动机进入再生发电状态,将多余能量反馈到电网,引起主回路母线电压升高,势必会对整个电网产生冲击,导致 电网供电质量下降,功率因数降低的危险;频繁的高压冲击会损坏电动机,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,给企业造成较大经济损失。

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图2 常规曲柄平衡抽油机

另一方面是冲击电流问题,如图二所示游梁式抽油机是一种变形的四连杆机构,其整机结构特点像一架天平,一端是抽油载荷,另一端是平衡配重载荷。对于支架来说,如果抽油载荷和平衡载荷形成的扭矩相等或变化一致,那么用很小的动力就可以使抽油机连续不间断地工作。也就是说抽油机的节能技术取决于平衡的好坏。在平衡率为100%时电动机提供的动力仅用于提起1/2液柱重量和克服摩擦力等,平衡率越低,则需要电动机提供的动力越大。因为,抽油载荷是每时每刻都在变 化的,而平衡配重不可能和抽油载荷作完全一致的变化,才使得游梁式抽油机的节能技术变得十分复杂。因此,可以说游梁式抽油机的节能技术就是平衡技术。

除上述两方面问题外,油田采油的特殊地理环境决定了采油设备有其独特的运行特点: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,保证较高产油量;在中后期,由于石油储量减少,易造成供液不足,电动机若仍工频运行,势必浪费电能,造成不必要损耗,这时须考虑实际工作情况,适当降低电动机转速,减少冲程,有效提高充盈率。

2.2 游梁式抽油机的变频改造主要有以下3个方面

(1) 大大提高了功率因数(可由原来的0.25~0.5提高到0.9以上),大大减小了供电(视在)电流,从而减轻了电网及变压器的负担,降低了线损,可省去大量的“增容”开支。这主要集中在供电企业对电网质量要求较高的场合,为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。

(2) 以节能为第一目标的变频改造。这点较普遍,一方面,油田抽油机为克服大的起动转矩,采用的电动机远远大于实际所需功率,工作时电动机利用率一般为 20%~30%,最高不会超过50%,电动机常处于轻载状态,造成资源浪费。另一方面,抽油机工作情况的连续变化,取决于地底下的状态,若始终处于工频运行,也会造成电能浪费。

(3) 由于实现了真正的“软起动”,对电动机、变速箱、抽油机都避免了过大的机械冲击,大大延长了设备的使用寿命,减少了停产时间,提高了生产效率。以提高电网质量和节能为目的的变频改造。

三、 抽油机的技术发展

抽油机的发展方向

1.朝着大型化方向发展

随着世界油气资源的不断开发,开采油层深度逐年增加,石油含水量也在不断增多,采用大泵提液采油工艺和开采稠油等,都要求采用大型抽油机,所以近年来,国外出现了许多大载荷抽油机,如前置式气平衡抽油机最大载荷213kN,气囊平衡抽油机最大载荷227kN等。还会出现更大载荷新型抽油机。

采用长冲程抽油方式,抽油效率高,抽油机寿命长,动载荷小,排量稳定,具有较好的采油经济效益,所以近年来国外出现了许多长冲程抽油机,如法国Mape公司抽油机,最大冲程10m;美国WGCO公司抽油机最大冲程24.38m,NSCO公司抽油机最大冲程27.48m;原苏联钢带式超长冲程抽油机最大冲程1500m。长冲程抽油机全部采用低冲次抽油方式,Mape公司抽油机最大冲次5min-1,GDCO公司抽油机最大冲次为3min-1。

2.朝着低能耗方向发展

为了减少能耗,提高采油经济效益,近年来国外研制与应用了许多节能型抽油机。例如异相型抽油机节电15%~35%;前置式抽油机节电36.8%;前置式气平衡抽油机节电35%;轮式抽油机节电50%~80%;大圈式抽油机节电30%;自动平衡抽油机节电30%~50%;低矮型抽油机节电5%~20%;ROTAFLEX抽油机节电25%;智能抽油机节电17.4%;螺杆泵采油系统节电40%~50%。

3.朝着精确平衡方向发展

近年来国外很重视改进和提高抽油机的平衡效果,使抽油机得到更精确平衡。例如变平衡力矩抽油机,可使上冲程平衡力矩大于下冲程力矩。前置式气平衡抽油机,由于可在动态下调节气平衡,平衡效果较好。气囊平衡抽油机有90%以上载荷得到平衡。双井抽油机可利用两口油井抽油杆柱合理设计得到更精确的平衡。自动平衡抽油机可保证在上下冲程每一瞬间得到较精确的平衡效果。

4.朝着高适应性方向发展

现代抽油机应具有较高的适应性,以便拓宽使用范围。例如适应各种自然地理和地质构造条件抽油的需要;适应各种成分石油抽汲的需要;适应各种类型油井抽汲的需要;适应深井抽油需要;适应长冲程抽油的需要;适应节电的需要;适应精确平衡的需要;适应无电源和间歇抽油的需要;适应优化抽油的需要等。

5.朝着长冲程无游梁方向发展

近年来国外研制与应用了多种类型长冲程抽油机,其中包括增大冲程游梁抽油机、增大冲程无游梁抽油机和长冲程无游梁抽油机。实践与理论分析表明,增大冲程游梁抽油机是常规游梁抽油机的发展方向;增大冲程无游梁抽油机是增大冲程抽油机的发展方向;长冲程无游梁抽油机是长冲程抽油机的发展方向。

6.朝着自动化和智能化方向发展

近年来抽油机技术发展的显着标志是自动化和智能化。美国Baker提升系统公司、Delta-X公司、APS公司等均研制了自动化抽油机,具有保护和报警功能,实时测得油井运行参数,及时显示与记录并通过计算机进行综合计算分析,推出最优工况参数,进一步指导抽油机以最优工况抽油。美国NSCO公司智能抽油机,采用微处理机和自适应电子控制器进行控制与监测,具有抽油效率高、节电、功能多、安全可靠、自动化程度高、经济性好、适应性强等优点。

四、 变频技术在抽油机的应用方案介绍

4.1 变频器加制动单元控制

如下图3所示:在变频器主回路直流母线两端加制动电阻和制动单元,由于抽油机起动时需要大力矩,上升段也需要大力矩,而在下降段电机处在发电状态。最关建的就是下降段,这个过程是连续运转的,同时随油的稠度,井深,产量调节往复运动次数/MIN,导致电动机进入再生发电状态,将多余能量反馈到电网,引起主变频器主回路直流母线电压升高(此问题在文章第2节提到过),而电能没有流回电网的通路,必须用电阻来就地消耗,这就是我们在变频器上必须使用制动单元和制动电阻的原因,现在大功率变频器一般都可以定制动单元,完全可以达到理想中的控制效果。

对于上述第一种情况,采用普通变频器加能耗制动单元可较方便实现,这是以多耗电能为代价的,主要因为发电能量不能回馈电网造成。在未采用变频器时,电动机 处于电动状态时,从电网吸收电能;电动机处于发电状态时,释放能量,电能直接回馈电网的,并未在本地设备上耗费掉。综合表现为抽油机供电系统的功率因数较低,对电网质量影响较大。

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