基于沖次控制的從式井變頻節(jié)能分析

胡 彪，姜 珂，廖榮輝

（1.西部鉆探吐哈鉆井公司；2.深圳市禾望電氣股份有限公司，廣東深圳518055）

抽油機是油田排采的重要的用電設(shè)備，據(jù)統(tǒng)計，抽油機用電可達油田總用電量的20%～25%。而游梁式抽油機因結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等優(yōu)點，在有桿采油地面設(shè)備中一直占主導(dǎo)地位［1］。

我國油井多位于偏遠地區(qū)，又具有低滲透、低產(chǎn)量、含水高等特點［2］。高供電成本和低產(chǎn)量的結(jié)合，極大增加了石油開采成本。所以，抽油機系統(tǒng)的節(jié)能減耗是極具有經(jīng)濟和環(huán)境意義的。

1 系統(tǒng)方案

數(shù)字化抽油機系統(tǒng)由功率和控制部分構(gòu)成。功率部分包含開關(guān)、變頻器和電機等，主要作用是帶動抽油機機械結(jié)構(gòu)運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)抽油功能；控制部分包含各種傳感器和RTU控制器、數(shù)據(jù)傳輸模塊等，用于檢測分析井場數(shù)據(jù)、上傳報文和控制變頻器運行，以達到最優(yōu)的運行效果。

圖2為含三口油井的叢式井抽油機系統(tǒng)拓撲示意圖。

每臺油井抽油機由單獨的變頻器驅(qū)動，并由單井的RTU控制器采樣和控制。單井RTU將信息與井場RTU進行交互，接受其對運動控制的協(xié)調(diào)分配。井場信息最終由井場RTU分析整理，并上傳報文。

1.1 功率系統(tǒng)

功率系統(tǒng)的電氣示意圖如圖1所示。

功率系統(tǒng)采用分布式整流的共母線系統(tǒng)拓撲，選型說明如下。

圖1 功率系統(tǒng)電氣圖

圖2 叢式井抽油機系統(tǒng)拓撲示意圖

1）抽油機電機。采用三相異步電動機，電壓為380V，功率為 30kW，電流 58.6A，額定轉(zhuǎn)速1440rpm。電機功率是根據(jù)懸點載荷、配重載荷和傳輸比等數(shù)據(jù)設(shè)計得到，保證能有足夠的力矩和較合適的排采速率。

2）變頻器。變頻器電壓為380V，功率為30kW，電流60A。變頻器的選型適配電機功率，同時保證一定的過載系數(shù)。整流側(cè)為不控整流，簡單可靠；電機驅(qū)動采用高性能矢量控制，以達到快速響應(yīng)的效果。

3）濾波組件。當對電網(wǎng)電能質(zhì)量有較高要求時，可以選配濾波組件。本系統(tǒng)采用諧波通道濾波拓撲，構(gòu)造5次和7次兩個諧波通路，能夠?qū)M載時的網(wǎng)側(cè)諧波THDI值限制在6%以下、功率因數(shù)提高到 0.85以上。

4）能量回饋單元。電壓為380V，功率為30kW，電流60A。能量回饋單元沒有按照三口井的滿功率配置，原因是共直流母線節(jié)能方案能有效使能量內(nèi)部環(huán)流，提高利用率。該能量回饋單元具有寬頻的電網(wǎng)適應(yīng)能力和很強的EMC抗干擾能力，能夠在惡劣的電網(wǎng)環(huán)境下穩(wěn)定運行。

以上系統(tǒng)拓撲適用于集中的叢式井；對于分布較遠的單井，不適合采用該拓撲結(jié)構(gòu)。

1.2 控制系統(tǒng)

井場控制系統(tǒng)示意圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)示意圖

控制系統(tǒng)采用兩級控制，實現(xiàn)多機控制的最好效果。選型說明如下。

1）單井RTU。采用的單井RTU具有32位工業(yè)級處理器和多組輸入輸出端口。單井RTU內(nèi)置完整的曲柄周期的運動控制分配，使抽采過程中的應(yīng)力、損耗降低，實現(xiàn)節(jié)能目的。同時單井RTU接受各節(jié)點信號用作保護和控制，并將信息通過通訊端口上傳給井場RTU用于多井協(xié)調(diào)控制。

2）井場RTU。采用的井場RTU智能模塊，相比super32具有更多的通訊端口和更強大的處理芯片。井場RTU接收多井信息，并協(xié)調(diào)運動過程，實現(xiàn)節(jié)能目的。

3）檢測模塊。采用成熟的檢測計量模塊，如電量檢測模塊采用安控SU306、顯示模塊采用GTCY-3B等。

兩級控制結(jié)構(gòu)可以有效實現(xiàn)多機協(xié)調(diào)控制，結(jié)合相應(yīng)控制方法，可以達到最大的節(jié)能目標。

1.3 技術(shù)特點

本方案具有如下技術(shù)特點。

1）電機以穩(wěn)定性為前提。從油田應(yīng)用來說，三相異步電動機并不是節(jié)能效果最好的電機；開關(guān)磁阻電機和轉(zhuǎn)子繞線式電機分別在配重平衡和不平衡時具有相對更高的節(jié)電率［3］。但從當前電機的穩(wěn)定性和控制技術(shù)的成熟性，三相異步電機仍是首選。

2）共母線與能量回饋單元實現(xiàn)能量的有效利用。抽油機具有勢能負載，因此必定存在能量回饋。所以在叢式井利用共母線方案，并協(xié)調(diào)控制抽油機的運動過程，能夠有效使得能量在井間環(huán)流，提高利用率。能量回饋單元則將確實無法環(huán)流的能量回饋到電網(wǎng)，避免浪費。

3）分布式整流。實現(xiàn)了整流部分的冗余備份，一旦某臺變頻器的整流部分故障，可以通過切除前級開關(guān)實現(xiàn)繼續(xù)運行，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

4）矢量控制技術(shù)。能夠使電機具有更快的動態(tài)響應(yīng)和控制性能，提高啟動和卡泵時的輸出電流，避免因為啟動力矩過大而被迫放大變頻器功率等級。配合碼盤可以實現(xiàn)懸停功能，為機械式抽油機的配重平衡提供極大便利。

5）數(shù)字化系統(tǒng)與運動控制。內(nèi)置運動控制程序，實現(xiàn)抽油過程的最優(yōu)化分配。全部數(shù)據(jù)可以遠程監(jiān)控，方便遙測和遙控，推進油田的四化建設(shè)。

2 節(jié)能方案

系統(tǒng)方案中采用多種節(jié)能技術(shù)以實現(xiàn)節(jié)能目的。

2.1 共直流母線

油田供電的很大一部分損耗來自于導(dǎo)線損耗和變壓器損耗。

其中導(dǎo)線有功和無功線損可表示為:

式中，U、p（t）、q（t）、T、R1和 X1分別表示電壓，抽油機累加有功、無功，抽油機運行時間和線路電阻和電抗。

變壓器的電量損耗可如下表示:

式中，UN、SN、I0%和 △P0分別表示變壓器額定電壓，變壓器額定容量，變壓器空載電流百分比和變壓器空載損耗。

通過協(xié)調(diào)分配叢式井的總進線端有功和無功，使得累積有功和無功最小，即可實現(xiàn)線路損耗和變壓器損耗的極大降低［4］。具體調(diào)控方式為曲柄旋轉(zhuǎn)周期過程中回饋起始階段的相位控制，使回饋階段按照均勻分布的原則展開，避免回饋能量的浪費。應(yīng)用該技術(shù)后，線路和變壓器損耗明顯降低。

2.2 液位自動沖次調(diào)節(jié)

傳統(tǒng)抽油機系統(tǒng)的沖次通常由現(xiàn)場或者遠程控制中心手動更改，往往會出現(xiàn)空采現(xiàn)象，造成能量浪費。

本系統(tǒng)方案中，將動液面液位高度和抽采流量作為控制量進行閉環(huán)控制，通過PI控制器來進行實時控制，以曲柄旋轉(zhuǎn)周期為時間單位來更新油井沖次信息。

對于極低產(chǎn)井或自噴井，可采用“休眠-喚醒”的間歇工作模式，避免油井的空轉(zhuǎn)，充分達到節(jié)能效果。

2.3 沖次分斷控制技術(shù)

據(jù)統(tǒng)計，游梁式抽油機運行效率大多在30%左右。通過提升電機本身的效率來降低整個系統(tǒng)的能耗，效果非常有限。因此，從工藝過程來進行節(jié)能效果會更加直接。

根據(jù)抽油機n-T模型，運行過程中懸點載荷決定了電機負載大小。所以完全可以分段協(xié)調(diào)控制抽油機在曲柄周期過程中的沖次大小，間接改善平衡塊對負載的平衡作用，從而使的輕載下電機運行效率最優(yōu)，達到節(jié)能目的［5］。

以曲柄旋轉(zhuǎn)中心為極點，建立空間極坐標系。曲柄位置角順時針為正；極徑表示曲柄所受旋轉(zhuǎn)力矩大?。殛U述方便力矩均作絕對值處理）?？梢娖胶饬毓潭?，但驢頭力矩則受平衡配重、動液面、油液黏度等多因素影響。進一步，不同曲柄位置呈現(xiàn)的不均衡性相同。如圖中部分扇區(qū)（Sa-Sb）內(nèi)為電動工況，平衡效果會變差；而部分扇區(qū)（Sc-Sd）內(nèi)勢能會向電網(wǎng)進行回饋（或被制動電阻消耗掉）。

圖4 不同曲柄位置處抽油機運行工況分析

通過前文分析，在不同階段采取不同控制方式:

1）利用變頻技術(shù)間接控制懸點載荷中慣性載荷成分，使（Sa-Sb）扇區(qū)驢頭力矩曲線順時針向（Sb-Sc）扇區(qū)偏轉(zhuǎn)一定角度。

2）其他扇區(qū)，根據(jù)抽油機實際負荷狀況，基于最小電機損耗的控制目標，采取實時調(diào)壓-不變頻技術(shù)。

采用上述控制方式，可以有效減小整個沖程階段抽油機所消耗的電機功率，達到顯著的節(jié)能效果。

最終控制流程圖如下圖所示。

圖5 變頻-調(diào)壓分段控制流程圖

通過對扇區(qū)驢頭懸點載荷中慣性成分的有效遏制，平衡塊對懸點載荷的平衡效果也明顯改善。綜合考慮變頻器本身帶來的諧波損耗后，系統(tǒng)單油井的整體節(jié)電率仍可達到13%～18%之間，節(jié)能效果顯著。

3 節(jié)能效果

在某油田的采油廠某叢式井進行改造和節(jié)能效果驗證，將原電網(wǎng)直接驅(qū)動的電機更改為上述節(jié)能系統(tǒng)，測試數(shù)據(jù)如下。

表1 系統(tǒng)節(jié)能效果對比

分析數(shù)據(jù)可知:三口油井的單井節(jié)電率分別為14.37%，15.98%和 11.50%；總體節(jié)電率為 14.06%。前端變壓器容量由原56kVA左右減小到40kVA左右，效果明顯。

4 結(jié)論

基于沖次控制的變頻技術(shù)應(yīng)用于抽油機上，可以實現(xiàn)很好的節(jié)能效果，本文通過在某油田叢式井上的實際改造應(yīng)用，證明了節(jié)能方案的有效性和優(yōu)異性，帶來了較大的經(jīng)濟價值，為后續(xù)油田的節(jié)能方案實現(xiàn)提供了借鑒和參考實例。