油田生產(chǎn)系統(tǒng)應(yīng)用變頻技術(shù)節(jié)能效果分析

蔡 婷，王 紅

河南石油勘探局水電廠，河南 南陽 473132

目前，河南油田已經(jīng)處于原油高含水開發(fā)后期，含水量已經(jīng)達到90%以上，開采過程中使用大量抽液抽氣、注水注氣、油水輸送等設(shè)備，用于動力的電能達到50%以上，應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)實施節(jié)能的潛力非常大，變頻技術(shù)在原油生產(chǎn)系統(tǒng)中的節(jié)能應(yīng)用有非常廣闊的發(fā)展前景。本文就變頻調(diào)速器在油田部分單位的生產(chǎn)應(yīng)用效果進行簡要分析。

1 變頻調(diào)速器的節(jié)能原理

變頻調(diào)速器的節(jié)能原理如下：

變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。通過改變電動機的工作頻率，來控制電動機的轉(zhuǎn)速，使轉(zhuǎn)速在我們希望的使用范圍內(nèi)運行。

電機的轉(zhuǎn)速n 與供電頻率f 有以下關(guān)系：

其中，q為電機極數(shù)，s為轉(zhuǎn)差率

可以看出，轉(zhuǎn)速n 與頻率f 成正比，如果不改變電動機的極數(shù)（設(shè)備投入生產(chǎn)后一般也不容易改變），只要改變頻率 f 就可以改變電動機的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率 f 在0～50Hz 的范圍內(nèi)變化時，電動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。所以變頻器就是通過改變電動機電源頻率實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。變頻器的幾種節(jié)能方式：

1）變頻節(jié)能：為了保證生產(chǎn)的可靠性，各種生產(chǎn)設(shè)備在設(shè)計配用動力時，都留有一定的富余量。電動機不可能在滿負荷下運行，除了滿足動力要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成電能的浪費，在壓力偏高或偏低時，根據(jù)實際情況實施閉環(huán)、開環(huán)調(diào)節(jié)，降低或提高電機的運行速度，使其在恒壓的同時節(jié)約電能；

2）動態(tài)調(diào)整節(jié)能：迅速適應(yīng)負載變動，供給最大效率電壓。變頻調(diào)速器在軟件上設(shè)有 5000次/s的測控輸出功能，保持電機的輸出始終在高效率狀態(tài)下運行。對于經(jīng)常發(fā)生負載變化的如過山車、抽油機、分壓供水等方面很有意義；

3）變頻自帶軟啟動節(jié)能：在電機直接硬啟動時，由于電機的啟動力矩需要，要從電網(wǎng)吸收 7倍左右的電機額定電流，而大的啟動電流即浪費電力，對電網(wǎng)的電壓波動影響也大，也增加了線損和變損。采用軟啟動后，啟動電流可以從0至電機額定電流 逐步上升，減少了啟動電流對電網(wǎng)的沖擊，節(jié)約了電費，也減少了啟動慣性對設(shè)備的大慣量的轉(zhuǎn)速沖擊，延長了設(shè)備的使用壽命；

4）可以提高功率因數(shù)節(jié)能：電動機由定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組通過電磁作用而產(chǎn)生力矩。繞組由于其感抗作用。對區(qū)域電網(wǎng)而言，電機在運行時吸收大量的無功功率，造成功率因數(shù)低。采用變頻節(jié)能調(diào)速器后，由于其性能已變?yōu)椋?AC-DC-AC，在整流濾波后，負載特性發(fā)生了變化。變頻調(diào)速器對電網(wǎng)的阻抗特性呈阻性，功率因數(shù)升高，減少了無功損耗。

2 變頻調(diào)速器在河南油田機械采油、注水系統(tǒng)、輸油系統(tǒng)中的使用情況

目前在河南油田的采油一廠、采油二廠等生產(chǎn)單位中的抽油機、輸油泵、鍋爐給水泵、注水泵、污水泵等的應(yīng)用，其節(jié)能效果一般都能達到20%甚至更多。

變頻器的應(yīng)用雖然節(jié)能效果比較明顯，但是隨著通用變頻器應(yīng)用范圍的擴大，暴露出來的問題也越來越多，主要有以下幾方面：

1）諧波問題。變頻器輸出電壓中含有除基波以外的其它諧波，較低次諧波通常對電動機負載影響較大，引起轉(zhuǎn)矩脈動，而較高的諧波又使變頻器輸出電纜的漏電流增加，使電動機出力不足，另外諧波會對供電電源系統(tǒng)產(chǎn)生電力污染，會影響電網(wǎng)系統(tǒng)中其它設(shè)備的正常使用。因此變頻器輸出的高低次諧波都必須抑制；

2）變頻器負載匹配問題。主要考慮電流、電壓和轉(zhuǎn)矩幾個方面的匹配。電流匹配要求變頻器的額定電流與電機的額定電流相符，對于特殊的負載則要參考電機性能參數(shù)，以最大電流確定變頻器電流。電壓匹配要求變頻器的額定電壓與負載的額定電壓相符。轉(zhuǎn)矩匹配主要針對生產(chǎn)機械的種類繁多，性能和工藝要求各異，其轉(zhuǎn)矩特性也是復(fù)雜的，大體分為3種類型：恒轉(zhuǎn)矩負載、風(fēng)機泵類負載和恒功率負載。針對不同的負載類型，應(yīng)選擇不同類型的變頻器；

3）發(fā)熱問題。變頻器的發(fā)熱是由內(nèi)部的損耗產(chǎn)生的。在變頻器中各部分損耗中主要以主電路為主，約占98%，控制電路占2%。為了保證變頻器正?？煽窟\行，必須對變頻器進行散熱，環(huán)境溫度以控制在0℃～40℃為宜；

4）適用性問題。目前我油田采油二廠主要采用稠油熱采技術(shù)，把蒸汽注入到一口或多口井中，將生產(chǎn)井的稠油采出，因為是蒸汽吞吐，周期開采，這樣就造成開采負荷變化大，抽油機比較適合采用變頻調(diào)節(jié)器進行節(jié)能控制。

3 應(yīng)用變頻技術(shù)的建議

變頻調(diào)速器在河南油田中的應(yīng)用主要集中在抽油機、輸油泵、注水泵、污水泵等方面。在油田注水、油氣集輸、污水抽排、恒壓供水等方面其應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)比較成熟。但是變頻調(diào)速器在“磕頭機” 也就是游梁式抽油機和電潛泵控制中的應(yīng)用還有待進一步發(fā)展和提高。

3.1 變頻器選型

針對以上問題，應(yīng)用過程中選用變頻器首先要搞清電動機所帶負載的性質(zhì)。不同負載類型，選不同類型的變頻器。并且兩者功率要相互匹配。這樣不僅可以節(jié)約投資，使投資回收期更短，而且有更好的節(jié)能效果。且良好的選型是保證變頻器長周期安全運行的前提。

3.2 相適應(yīng)的工作環(huán)境

變頻器的安裝環(huán)境對其使用壽命來說有著極大影響，變頻器要有良好的運行工作環(huán)境，變頻器對環(huán)境的要求主要是溫度、粉塵和濕度，環(huán)境運行溫度一般要求+5 ℃ ～ +40℃，就我油田情況而言建議工作環(huán)境最低不低于-10℃，最高不要超過 55℃。同時要有合適的防塵和防潮措施，以增加設(shè)備使用可靠性、延長變頻器的壽命。

3.3 采用自動閉環(huán)調(diào)整

目前我油田應(yīng)用的變頻器有許多采用開環(huán)控制，人為地根據(jù)設(shè)備工作負荷調(diào)節(jié)工作頻率，這樣勢必不能最大限度地發(fā)揮變頻器的作用，影響變頻器的節(jié)能效果。如果能夠根據(jù)實際情況確定相對固定參數(shù)，實行閉環(huán)自動調(diào)整將是最理想的方式。

4 結(jié)論

總之，變頻調(diào)速技術(shù)作為高新技術(shù)、基礎(chǔ)技術(shù)和節(jié)能技術(shù)，其應(yīng)用已滲透到油田行業(yè)的各個部門和單位。由于在輸水泵、輸油泵等改造方面，其應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)很成熟，應(yīng)用也十分普遍，如能不斷總結(jié)提高、推廣應(yīng)用、擴大戰(zhàn)果將對河南油田經(jīng)濟的發(fā)展起到了促進作用，為創(chuàng)造節(jié)約型社會立下汗馬功勞。

[1]呂汀，石紅梅.變頻技術(shù)原理與應(yīng)用[M].機械工業(yè)出版社，2004.

[2]姚錫祿.變頻器控制技術(shù)入門與應(yīng)用實例[M].中國電力出版社，2009.