圣諾STD變頻器在油田油氣混輸泵上的應用

1前言
勝利油田孤東采油廠新灘油田地處黃河入海口的海灘上，1998年投入生產開發，目前己投入油井63口，年產原油12萬t。由于該地區離采油廠主力生產區塊較遠，各采油點又比較分散，油井數量相對較少。自油田開發以來一直采用大型油罐車拉油的辦法，將各采油點的原油每天不停地運輸至數十公里外的原油中轉站，原油運輸成本居高不下。隨著油田開發難度的增加和噸油成本的不斷上升，進一步挖掘內部潛力，降低油氣生產成本，減少輸油損耗，就顯得尤其重要。顯然，利用管道輸油可以大大降低油氣輸送成本，減少油氣損耗，但由于受各采油點產液量的限制，要保證油氣正常長距離生產輸送，就得采取大功率高揚程機組通過截流控制的辦法，才能滿足油井生產的連續運行需要。由于輸油泵機組容量偏大、其流量和儲油罐液位控制均采用人為節流調節控制等因素，造成了該生產工藝系統運行效率小高、設備易損件故障頻繁和“大馬拉小車”等現象的發生，這不僅嚴重浪費了能源，而且影響油井的正常生產和原油產量的完成。

2變頻調速工作原理
變頻器是一種先進的節電設備，其主要實現方式是通過電流的頻率的變化，改變電動機的轉數，降低電動機輸出功率，具體工作流程信號如圖1所示，工頻電流經過整流電路變成直流電，直流電流變頻器按照控制信號的要求，輸出改變頻率的交流電，作用于電動機，改變其輸出頻率。

變頻器的種類可分為高壓和低壓變頻兩種，其工作方式可分閉環控制、開環控制兩種，其中閉環控制工作原理如圖2所示，它是介質的個或多個參數（如壓力、溫度、流量、液位）等通過傳感器采樣，形成電信號，這些信號經過信號處理器（工控機、單板機、微機等）處理形成變頻器可識別的信號，作用于變頻器，變頻器產生交變電流，作用于電功機等用電設備，這些用電設備驅動泵類、風機等設備，作用于介質，改變或維持介質參數。開環控制原理是變頻器的擰制信號經輸入面板或微機等輸入設備．根據生產實際需要確定電機工作頻率，通過人工直接設置相關參數，直接控制變頻器的輸出電流的頻率，來改變電機的轉速，降低電機輸出功率，從而達到用電設備有被控制的目的，其工作原理如圖3所示。新灘油田162油氣混輸站和191油氣混輸站油氣混輸泵機組變頻調速技術控制方案則采用了閉環控制與開環控制相結合的方式．以滿足現場生產工作的需要。

3圣諾變頻控制器現場應用技術方案
3．1現場生產工藝流程
162站管理著7口油井，油井來油先進入2．7 m高的40方儲油罐，經加熱后由30 kW的CSYll——2油氣混輸單螺桿泵將油井產出物輸送至幾十公里外的油氣接轉站。191站生產工藝流流與162站基本相同，目前管理著5口油井，油氣輸送距離比162站更遠。
3．2閉環控制應用技術方案
在40方儲油罐上安裝帶4～20 mA模擬信號輸出的浮球液位計，將液位信號給變頻器，變頻器在接收液忙計信號后與變頻器設定值比較，采用PID調節控制算法，通過變頻器輸出頻率的變化來自動調節和控制儲油罐的液位高度，達到節能降耗和油井生產平穩運行自動控制的目的。儲油罐的液位控制高度為1．6m。
3．3開環控制應用技術方案
在40方儲油罐上不安裝液位計，液位檢測采用人工定時檢測，操作人員根據儲油罐的液位檢測高度，通過人工調節5kQ的電位器來調節變頻器的輸出頻率，控制油氣混輸泵的排量，從而實現儲油罐的液位高度的控制，達到節能降耗和油井生產平穩運行的目的。儲油罐的液位控制高度范圍為1. 5～2 m。

4變頻調速技術現場應用情況
我們于 2005年9月先后在孤東采油廠新灘油田162油氣混輸站和191油氣混輸站油氣混輸泵機組泵上各應用了型號為STD型號的變頻器兩臺，共4臺30kW的圣諾STD型變頻器控制器，各站實際生產運行油氣混輸泵機組為一臺（套），另一臺（套）為生產備用機組，應用變頻調速技術后，162站電動機平均輸出電流頻率為2J 2Hz，191站電動機平均輸出電流頻率為20．4Hz．兩者均采用閉環控制方式。

由表1中可看出兩臺變頻器輸出頻率均在20～30 Hz之間，節電效果顯著。表2和表3分別是162站和191站應用變頻調速技術前后的各數據對比表。

在油氣混輸泵上安裝變頻器后，電動機工作電流大幅下降，由20多A下降到10 A左右，電動機輸入功率也大幅下降，節電效果明顯，功率因數隨之提高，系統效率也大幅提高，值得指出的一點是泵效有所下降，但這是正常現象，因為電流頻率下降之后，電動機和泵不能在設計工況下運行，效果不能最佳，因此泵效有所下降，但節電效果顯著，兩臺在用泵機組綜合節電率可達50％以上，兩臺在用變頻器年節電可達116 800 kW-h。由此可見，變頻調速技術在油田油氣混輸螺桿泵上的應用既可為解決“大馬拉小車”現象提供了一個好的方法，又可滿足油田生產連續運行的工作需要，且延長了油氣混輸泉設備的使用壽命。

5綜合效益評價
（1）節能效果顯著
從孤東采油廠新灘油田162站和191站油氣混輸生產工藝流程中應用的4臺變頻器情況來看，平均系統效率由原來的30．7％提高到目前的39．51％，使用1年可節約電能約116900kW．h，以每kW.h按0．465元價格計算，則年可節省電費約5．5萬余元。
（2）延長了設備使用壽命，減少設備故障維修工作量
從現場使用情況看，使用變頻調速技術后，不但大大節約了能源，而且有效地減少了設備的維修維護費用。由于油氣混輸螺桿泵實現低速旋轉后，油氣混輸螺桿起動電流小，對供電電網的沖擊波減小，對整條電網其他用電設備也大有好處，采用變頻調速技術的油氣混輸螺桿泵，泵的維修次數將大大降低，提高了油氣混輸螺桿泵的完好率，同時也大大節省了油氣混輸螺桿泵易損件的維修費用。
（3）減輕了職工的工作勞動強度，提高了職工工作效率，改進和提高了油氣生產的工作時效性。
（4）降低了油氣混輸生產工藝線的噪聲污染，有效地改善了職工的工作環境，減少了職業危害。
（5）提高了油井生產油氣產出物處理過程的自動化管理水平，確保了處理后的油氣質量，實現了油氣生產的密閉輸送，減少油氣輸送過程中的油氣損耗。
（6）該項技術先進，操作簡單方便，安全可靠。
（7）油井生產過程實現了儲油罐液位和流量調節的自動閉環控制，保證了生產過程的平穩運行，滿足了油井連續生產不間斷輸送，特別是冬季氣溫低連續生產長距離連續輸送防止管道堵塞的工藝要求。
（8）閉環控制變頻調速技術的應用是一個很好的方法，它實現了電動機的軟起動功能，逐步升高電動機轉速，既可節約電能，減少設備的損耗，又可不必電動機全速運轉，有效地控制了生產質量，達到最佳經濟運行效果，在實際生產中具有良好的推廣應用價值。