變頻器在石油化工生產(chǎn)中抽油機控制系統(tǒng)的應用

1 引言
石油化工行業(yè)是國民經(jīng)濟發(fā)展的基礎行業(yè)，同時也是耗能大戶。目前，我國石油化工行業(yè)中抽油機的保有量在10萬臺以上，電動機裝機總容量在3500MW，每年耗電量逾百億kW·h。抽油機的運行效率特別低，在我國平均效率為25.96％，而國外平均水平為30.05％，年節(jié)能潛力可達幾十億kW·h。我國的油田不像中東的油田那樣有很強的自噴能力，多為低滲透的低能、低產(chǎn)油田，大部分油田要靠注水壓油入井，再用抽油機把油從地層中提升上來。以水換油或者以電換油是我國油田的現(xiàn)實，因而，電費在我國的石油開采成本中占了相當大的比例，所以，石油行業(yè)十分重視節(jié)約電能。多年來，各采油廠一直在抽油機節(jié)能的問題上下功夫，近幾年的實踐證明，變頻調(diào)速是最理想的高效調(diào)速節(jié)電技術。在油田生產(chǎn)中，應用變頻技術，一是改造“大馬拉小車”設備，適應變工況運行，二是生產(chǎn)工藝自動化的需要，作為閉環(huán)系統(tǒng)中理想的執(zhí)行器。因為油田生產(chǎn)的特殊性，選用變頻器常重點考慮操作簡單化，運行的安全性、可靠性、經(jīng)濟性，出現(xiàn)故障后系統(tǒng)處理的靈活性。變頻技術的發(fā)展日新月異，在油田生產(chǎn)中也由過去的簡單應用發(fā)展到系統(tǒng)集成，自動控制。所以，我們面臨的問題是怎樣做到變頻、電機、負載整個系統(tǒng)應用最優(yōu)化，節(jié)電效益最大化。
2 抽油機介紹及相關功能需求
抽油機（俗稱叩頭機）是石油開采中的必備設備。一般，每個原油生產(chǎn)井都至少使用一臺抽油機，將深藏在地下（或海水中）的石油通過抽油管抽出。圖1給出了抽油機的結構圖。抽油機的每個工作循環(huán)可分為上提抽油桿，下放抽油桿，從上提抽油桿轉換為下放抽油桿，從下放抽油桿轉換為上提抽油桿四個階段。

圖1 抽油機結構圖

圖1中: 1—底座; 2—支架;3—懸繩器; 4—驢頭;5—游梁; 6—橫梁軸承座; 7—橫梁; 8—連桿; 9—曲柄銷裝置; 10—曲柄裝置;11—減速器; 12—剎車保險裝置; 13—剎車裝置;14—電動機;15—配電箱。
抽油機的負荷電流曲線如圖2所示。顯然抽油機的負載為一周期性變化的負載。抽油機由于其特殊的運行要求，所匹配的拖動裝置必須同時滿足三個最大的要求，即最大沖程，最大沖次，最大允許掛重。另外，還須具有足夠的堵轉轉矩，以克服抽油機啟動時嚴重的靜態(tài)不平衡。因此，往往抽油機在設計時確定的安裝容量裕度較大。

圖2 抽油機負荷曲線圖

抽油機是油田用電的主要設備之一，它的動作原理是由交流電動機恒速運轉拖動抽油泵，沿著重力作用方向進行往復運動，從而把原油從數(shù)百至數(shù)千米的井下抽到地面。分析其負載特性可知其慣量較大，而不同的油井的粘度大小又很不同，當油的粘度較大時，泵的效率也變低，往往啟動也很困難。該負載又是周期負載，上升、下降行程負載性質(zhì)亦不同，下降時尚帶有位勢負載性質(zhì)。為適應這些復雜的工況，抽油機的配置及其實際工作狀態(tài)往往只能是大馬拉小車。當油井的地下滲透能力小于抽油機的泵排量時（絕大多數(shù)油井如此），為了提高抽吸效率，降低單位產(chǎn)量的能耗指標，最直接的辦法是實行間抽。但是大多數(shù)的油井是不允許間歇性工作的，因為如果長時間停機的話，輕則會影響產(chǎn)油量，重則會使油井無法再開啟。這是因為含蠟量高或含鹽量高以及油的粘稠度高，且地處高寒地區(qū)的油井，如果間歇工作，會造成井口結蠟、結鹽或結油的后果，使油井無法再開啟;對于注水油井，如果停止抽取，勢必會影響產(chǎn)油量，這將是得不償失的事，對于這類油井，就要采用其它的節(jié)能方法。
為了使抽油泵的排量與油井的滲透能力相適應，可以通過改變抽油機的電動機轉速來實現(xiàn)。抽油泵是一種柱塞泵，對電動機來講是一種恒轉矩性的負載，也即電動機的電功率與其轉速成正比。抽油機電機的負荷是一周期性脈動負荷,并迭加有瞬間的沖擊。抽油機電機的負荷曲線上有兩個峰值,分別為抽油機上下沖程的“死點”。抽油機自由停車后再啟動時，總是從死點處啟動,因此抽油機電機要求啟動轉矩大。為了保證足夠大的啟動轉矩,抽油機電機正常運行時負荷率很低,一般在20%左右,負荷率高的也不過30%。低負荷率運行造成功率因數(shù)低,效率低,電能浪費大。因此，在設計選配抽油機電機時，普遍的做法是令其抽取量大于實際負荷。它所帶來的新問題是當抽油機排量過剩時，抽油機的運行會出現(xiàn)無功抽取，出現(xiàn)空抽或泵空狀態(tài)，伴隨泵空還會產(chǎn)生井噴、氣鎖等事故，而井噴、氣鎖又是導致鉆具組、泵裝置甚至地面設備損壞的主要原因。另外，由于過度的不間斷運行，機械設備的損耗也相應上升，造成傳統(tǒng)抽油機成本高，噪音大，運行可靠性低。有效控制泵空是亟待研究的課題。抽油機是油田耗能大戶，用電量約占油田總用電量的40％，其總體效率很低，據(jù)調(diào)查一般在30％左右，過剩的抽油能力令抽油機的無功抽取時間增加，造成油井開采的電費成本居高不下，能源浪費十分嚴重。因此，抽油機的節(jié)能潛力非常可觀。
3 抽油機采用倫茨變頻調(diào)速系統(tǒng)后性能分析
近年來，市場上直接針對抽油機的節(jié)電技術主要有兩大類:一是開發(fā)不同類型的抽油機節(jié)能電機，如超高轉差率電動機、三相永磁同步電機、高啟動轉矩雙定子結構電機和電磁調(diào)速電機等。但由于資金投入太大，在許多油田用節(jié)能電機取代普通異步電機尚無法全面推廣。二是使用節(jié)能配電箱，其中包括定子繞組Y-Δ轉換調(diào)壓和電容器動態(tài)無功補償及靜態(tài)無功補償?shù)取２捎酶淖兌ㄗ永@組的接法可以改變電機電壓，但電機只能得到固定電壓，節(jié)電效果并不理想。雖然有些裝置采用雙向晶閘管實現(xiàn)定子電壓隨負載變化連續(xù)調(diào)節(jié)，節(jié)電效果較好，但是電源電流波形發(fā)生畸變，電網(wǎng)諧波污染嚴重，不宜大面積長期使用。而采用變頻調(diào)速控制，則可以改變抽油機長期處于低效做功的狀態(tài)，使其工作方式與油井實際負荷相匹配，保證每次都抽油，減少低效甚至無效抽取，從而降低電費開支，減少維護成本，提高運行效率，圖3為過去抽油機的控制方案。

圖3 過去抽油機的控制方案

在抽油機采用倫茨變頻調(diào)速技術后，有如下幾個方面的顯著效果:
（1） 變頻器具有軟起動功能起動時電流較小，對電網(wǎng)沖擊小，起動時能耗大為降低。避免了啟動時的相當于3～7倍的額定電流，避免了不必要的電能損耗。耗同時減少了對電動機，變速箱，抽油機等大機械的沖擊，延長了相關設備的使用壽命。在工作中電機的功率因數(shù)可從0.2～0.5提高到0.9，減輕電網(wǎng)和變壓器的負擔， 降低線損，大量減少了無功損耗;
（2） 引進變頻器控制可實現(xiàn)設備上，下行程自動識別從而控制抽油機上、下行程的電機運行頻率分別可調(diào)，以改變抽油機上、下行程的運行速度。亦可對變頻器能耗制動進行準確控制，以使變頻器更適應該運行工況。加上抽油機沖次的任意調(diào)節(jié)，可使用抽油機的抽汲參數(shù)對不同油井而言更趨合理，當調(diào)節(jié)適當時，可提高泵的充滿系數(shù)，減少泵的漏失，從而提高泵效達到增產(chǎn)目的。沖次的任意調(diào)節(jié)，可不停機調(diào)節(jié)產(chǎn)量，解決了因更換皮帶輪調(diào)速造成的停產(chǎn)，從而提高了生產(chǎn)效率。同時達到滿足泵效的情況下耗用最少的電能;
（3） 由于抽油機下行時負載性質(zhì)為位勢負載，變頻器加裝能耗制動功能后恰能適應其工況。對于改變抽油機轉速調(diào)節(jié)最佳工作狀態(tài)帶來很大方便。在現(xiàn)場應用中感覺到，上行速度慢于下行速度的工作方式往往較為理想，在提高了泵的充滿系數(shù)的同時也提高了泵效，從而提高了采油量。分段轉速控制，通過變頻器對抽油機轉速調(diào)節(jié)，根據(jù)抽油機的特殊工況，把轉速控制細化為上沖程轉速和下沖程轉速控制，在上沖程時電機工作在50Hz以上，提高轉速，下沖程電機工作在20～30Hz減小轉速，從而降低漏失，提高泵效;
（4） 油田采油的特殊地理環(huán)境決定了采油設備有其獨特的運行特點:油井的供油狀況不是保持不變的，抽油機工作情況的連續(xù)變化，取決于地底下的狀態(tài)，若始終處于工頻運行勢必造成電能浪費。另一方面，油田抽油機為克服大的起動轉矩，采用的電動機遠遠大于實際所需功率，工作時電動機利用率一般為20%～30%，最高不會超過50%，電動機常處于輕載狀態(tài)，造成巨大的電能浪費。若應用高效回饋型制動單元，結合倫茨變頻器實現(xiàn)“變頻+回饋”的完美節(jié)能增效控制方式，相比將抽油機發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生能量用電阻就地消耗，通常能夠將白白消耗的多大20%的電能回饋電網(wǎng)，在提高泵效的同時，達到最佳節(jié)能效果。
4 倫茨變頻器具體特應用和參數(shù)設置
隨著現(xiàn)代電力電子技術的發(fā)展，倫茨變頻器已是十分成熟的電氣產(chǎn)品，并且其價格也已經(jīng)大幅度下降，在抽油機上大量推廣變頻調(diào)速節(jié)能改造已經(jīng)成為可能。

圖4 采用公用直流母線的多變頻器系統(tǒng)主回路
目前，在國內(nèi)的油田所采用的抽油設備中，采用變頻調(diào)速進行控制的節(jié)能效果十分可觀。主電路如圖4所示。倫茨（Lenze）公司是歐洲率先將變頻技術應用于交流調(diào)速系統(tǒng)開發(fā)的廠家，并于20世紀90年代建成了歐洲第一條全自動化變頻器生產(chǎn)線。在變頻器及其他所有產(chǎn)品的設計和制造過程中，倫茨始終遵循通用性、開放性、靈活性兼?zhèn)涞脑瓌t。完整的產(chǎn)品體系，合理的等級搭配，以及強大的普適性使倫茨變頻器廣泛應用于石油化工行業(yè)的各種機械。倫茨系列變頻器卓越的品質(zhì)，眾多的功能，緊湊的設計，簡易的操作安裝，代表了當代變頻器發(fā)展新潮流。卓越的性能首先表現(xiàn)在轉矩特征曲線中。倫茨系列變頻器可提供2倍額定轉矩、1.5倍額定電流。根據(jù)拖動與再生運動狀態(tài)極限電流的分別設定，給出每個操作點的制動保護。因此驅動系統(tǒng)可承受大負荷并可提供高動態(tài)性能。在5～50Hz的頻率范圍內(nèi)，在無速度傳感器方式下，速度控制精度可高達1%以內(nèi)。兩套參數(shù)集可通過端子切換以適應不同工藝要求，每套參數(shù)集可提供4個頻率段，先進的FTC控制方式，可在任意頻率下無需制動單元進行直流制動，內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器、皮帶監(jiān)控（V020版本）。如圖5所示，變頻器的參數(shù)見附表。某油田采用倫茨55kW變頻器一次改造128眼油井，收到了良好的節(jié)電、增產(chǎn)的雙重效果，其它油田應用效果亦較理想。根據(jù)以往實例，節(jié)能均在20%以上，并獲得不同程度的增產(chǎn)。

圖5 符合EMC標準的控制回路圖

附表 抽油機變頻器主要參數(shù)設定表

5 結束語
由于應用了正確的變頻調(diào)速系統(tǒng)，使抽油機動態(tài)適應油井負荷變化，也可方便地進行參數(shù)調(diào)節(jié)。配以流量、載荷等傳感器，可實現(xiàn)最經(jīng)濟的控制。同時其軟起動性能好，對延長抽油機壽命，減少維護費用有利。節(jié)能效果最好，能耗基本上與轉速成正比，只要降速，肯定節(jié)能。是抽油機節(jié)能電控裝置的發(fā)展方向。隨著電力電子技術的發(fā)展，變頻器價格將進一步降低，而性能將進一步提高。變頻調(diào)速這一技術正越來越廣泛的深入到各行各業(yè)中。應用變頻調(diào)速技術也是企業(yè)改造挖潛、增加企業(yè)效益的一條有效途徑。尤其是在石油及化工行業(yè)中高能耗、低產(chǎn)出的設備較多，采用變頻調(diào)速裝置將使企業(yè)獲得巨大的經(jīng)濟利益，同時這也是國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的需要。