油田變頻調(diào)速裝置經(jīng)濟運行指標的確定

馬強 金春玲 佟松林

（1.遼河油田公司質(zhì)量節(jié)能管理部；2.遼河油田公司沈陽采油廠）

近年來，變頻設(shè)備在油氣田生產(chǎn)企業(yè)的機采、注水、集輸?shù)壬a(chǎn)系統(tǒng)中的應用大幅度增加，但由于缺乏節(jié)能監(jiān)測數(shù)據(jù)的積累，未形成系統(tǒng)的評價方法和指標體系。

1 變頻調(diào)速裝置運行特點

通過對油氣田生產(chǎn)企業(yè)變頻調(diào)速裝置在抽油機、注水泵、輸油泵上運行狀況的調(diào)研，分析歷年的測試數(shù)據(jù)，總結(jié)出油氣田生產(chǎn)企業(yè)變頻調(diào)速裝置在經(jīng)濟方面的特點：

1）現(xiàn)場操作人員在變頻調(diào)速裝置在使用過程中沒有考慮其運行特點，僅依據(jù)生產(chǎn)參數(shù)進行操作，未考慮設(shè)備運行的經(jīng)濟性和合理性；

2）在變頻調(diào)速裝置經(jīng)濟運行方面也沒有相關(guān)的執(zhí)行標準和限額指標，現(xiàn)場操作人員缺乏行之有效的參數(shù)指導意見，隨意性較強；

3）變頻調(diào)速裝置多為組裝，無銘牌或銘牌參數(shù)不全，而且無運行記錄，使用較為混亂[1]。

2 相關(guān)參數(shù)的關(guān)系

2.1 功率因素與頻率

從測試結(jié)果看，變頻調(diào)速裝置輸入、輸出端功率因數(shù)都與頻率有關(guān)，當頻率降低，功率因數(shù)隨著降低。變頻調(diào)速裝置輸入端功率因數(shù)的高低，與變頻調(diào)速裝置自身的設(shè)計有直接關(guān)系。

2.2 效率與頻率

2.2.1 泵輸系統(tǒng)

在泵類機組穩(wěn)定負載下，變頻調(diào)速裝置效率隨著頻率降低而降低。當頻率降低，變頻調(diào)速裝置的自身損耗在輸入電能中的比例增大，所以當頻率過低時，變頻調(diào)速裝置所帶來的節(jié)能效果不是最佳。

2.2.2 機采系統(tǒng)

在抽油機變頻調(diào)速裝置測試中，變頻調(diào)速裝置的效率隨頻率的變化趨勢基本與泵類機組一致，但由于抽油機負載的特殊性和復雜性，所以變頻調(diào)速裝置在抽油機運行也具有特殊性[2]。

正常情況下，隨著變頻調(diào)速裝置頻率增加，變頻調(diào)速裝置的負載率也增加，則其效率就會上升，但在測試中發(fā)現(xiàn)有部分井的變頻調(diào)速裝置隨著頻率的降低，效率反而增加或者呈現(xiàn)不規(guī)律的變化。通過對測量時的錄波數(shù)據(jù)進行分析可知：對于無反饋裝置的變頻調(diào)速裝置，當抽油機井倒發(fā)電嚴重時，會使變頻調(diào)速裝置效率大幅降低。因此，在平衡較好的抽油機上，隨著頻率的降低，變頻調(diào)速裝置效率降低。但在某些抽油機平衡度不好的井上，隨著變頻調(diào)速裝置頻率的變化，發(fā)電功率增大，周期性符合波動增加，變頻調(diào)速裝置的損耗也增加，則其效率下降。在變動負載下，變頻調(diào)速裝置的效率變化要視負荷波動系數(shù)而定，與頻率不呈規(guī)律性變化。

因此，變頻調(diào)速裝置的工作頻率在調(diào)節(jié)一次后，應及時測試抽油機的平衡度，若平衡情況較差，應盡快對其進行調(diào)整，否則會使變頻調(diào)速裝置效率降低。

2.3 系統(tǒng)效率與頻率

2.3.1 輸油系統(tǒng)

輸油系統(tǒng)多采用離心泵。當頻率降低時，由于電動機轉(zhuǎn)速降低、電動機功率利用率下降，導致電動機效率降低。同時，由于泵的轉(zhuǎn)速降低使排量降低，導致泵偏離經(jīng)濟運行區(qū)，使得泵效較低。在選擇泵的時候，要使泵的流量與揚程落在效率曲線的最高點附近，因此在輸油系統(tǒng)中，離心泵機組效率隨著頻率的降低而降低。

2.3.2 注水系統(tǒng)

注水系統(tǒng)中常用柱塞泵，其流量取決于泵的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，與排出壓力無關(guān)，與輸送介質(zhì)的溫度、黏度等無關(guān)。柱塞泵的排出壓力由泵裝置所在管道的特性決定，與流量無關(guān)。當頻率降低時，電動機轉(zhuǎn)速降低，使柱塞泵每分鐘往復次數(shù)減少，柱塞泵的流量降低。但柱塞泵在各種排量下都有較高的效率，因此在注水系統(tǒng)中，柱塞泵的機組效率隨頻率的降低不呈規(guī)律性變化。

2.3.3 機采系統(tǒng)

抽油機井隨著頻率的降低，沖速降低，產(chǎn)量下降，而理論排量的減小使泵排量系數(shù)呈增大的趨勢，泵效提高，整個抽油機系統(tǒng)的效率呈增加的趨勢。

2.4 荷波動

通過變頻調(diào)速裝置相關(guān)參數(shù)關(guān)系探討，發(fā)現(xiàn)變頻調(diào)速裝置運行平穩(wěn)程度與各項參數(shù)的變化具有密切關(guān)系，尤其是與抽油機系統(tǒng)的負荷呈周期性變化，不與變頻調(diào)速裝置的頻率變化呈規(guī)律性[3]。因此，引入了表征運行平穩(wěn)程度的參數(shù)，即周期性負荷波動系數(shù)λ，其計算公式為：

式中：

λ —— 周期性負荷波動系數(shù)；

Pi—— 一個完整周期內(nèi)等間隔采樣的電動機輸入功率的有效值，kW；

ni—— 等間隔采樣數(shù)量。

3 變頻調(diào)速裝置經(jīng)濟運行指標

通過對機采系統(tǒng)、注水系統(tǒng)、輸油系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，確定出變頻調(diào)速裝置效率的合格限值（表1）和功率因數(shù)的合格限值（表2）。

表1 變頻調(diào)速裝置效率合格指標

表2 變頻調(diào)速裝置功率因數(shù)合格指標

通過現(xiàn)場測試有33.5%的變頻調(diào)速裝置輸入端電壓諧波含量在各種頻率下均超過電網(wǎng)規(guī)定的限值，諧波含量高可引起電流畸變,污染電網(wǎng)，因此變頻調(diào)速裝置諧波含量應按相關(guān)標準規(guī)定的限值執(zhí)行。

通過對機采系統(tǒng)、注水系統(tǒng)、輸油系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，確定出變頻調(diào)速裝置經(jīng)濟運行的頻率范圍，見表3。

表3 變頻調(diào)速裝置經(jīng)濟運行范圍

4 結(jié)論

1）根據(jù)測試數(shù)據(jù)，分析變頻調(diào)速裝置各項參數(shù)之間的關(guān)系，為變頻調(diào)速裝置在現(xiàn)場的應用提供依據(jù)。

2）引入了表征變頻調(diào)速裝置運行平穩(wěn)程度的參數(shù)，并給出了具體的計算公式。

3）制定了變頻調(diào)速裝置經(jīng)濟運行指標體系，以及變頻調(diào)速裝置效率、功率因數(shù)、諧波含量等評價指標，確定了變頻調(diào)速裝置在機采系統(tǒng)、注水系統(tǒng)和輸油系統(tǒng)應用的經(jīng)濟運行范圍。

[1]蔡俊鐵.抽油機井合理調(diào)整參數(shù)經(jīng)濟界限的研究[J].石油石化節(jié)能,2011,1（8）:15-16,22．

[2]楊有為.變頻調(diào)速控制節(jié)能技術(shù)在油田的應用[J].石油石化節(jié)能,2014,4（5）:18-20．

[3]夏建聰.變頻裝置在油田生產(chǎn)中的應用[J].石油石化節(jié)能,2014,4（5）:34-36．