變頻調(diào)速技術(shù)在抽油機井的應用

摘要：在稠油、供液能力較差間出的抽油機井上，利用動態(tài)節(jié)能控制裝置替代原來的普通電動機控制箱，通過變頻調(diào)速，降低抽油機沖次，提高抽油泵效率，避免抽油機空抽現(xiàn)象，實行軟啟動，提高電動機功率因數(shù)，達到節(jié)電的目的。

關鍵詞：變頻調(diào)速；抽油機；節(jié)能應用

一、引言

油田開發(fā)后期，抽油機采油是原油開采的主要生產(chǎn)方式。我們常用的抽油機通常是由交流異步電動機拖動的，電動機拖動抽油機再帶動抽油桿及其底部連接的活塞，使活塞在油管下部的泵筒中做上下往復運動，從而把原油液提升到地面。由此可以看出，抽油機是一種峰谷性負荷，當抽油機上行即抽油桿向上運動時，電動機拖動抽油機帶動抽油桿向上運動，把原油液提升到地面，此時電動機的出力大、電流大、負荷重；當抽油機下行即抽油桿向下運動時，抽油機由電動機拖動加上抽油桿等的重力帶動抽油機運行，此時電動機的出力小、電流小、負荷輕。抽油機運行一個沖程（上行、下行連續(xù)運行各一次即一個周期）內(nèi)，電動機的電流將會出現(xiàn)峰值和谷值。

抽油機一般情況下是24小時連續(xù)運行不停地生產(chǎn)，并且沖次（抽油機每分鐘運行的沖程數(shù)）是固定的。然而，井下油層的情況是復雜的，每一口油井的情況不盡相同，有稀油井、有稠油井、有供液能力好的井、也有供液能力差的井。供液能力好的稀油井，每天所采出的液量比較穩(wěn)定，電動機不會出現(xiàn)做無用功的現(xiàn)象，其耗電量也相對固定；供液能力差或稠油的井，有時候會出現(xiàn)原油液充不滿泵筒，造成抽油泵效率降低抽出的液量減少，嚴重時會無泵效抽不出原油液來，這時，電動機就會出現(xiàn)做無用功的現(xiàn)象，功率因數(shù)也會降低，白白地浪費電能。針對這種情況，我們引用變頻調(diào)速技術(shù)，對電動機供電頻率進行調(diào)整，使抽油機的沖次降低到供液能力跟得上采出速度，每一個沖程都能夠采出原油液，保證抽油泵效率、提高電動機功率因數(shù)，避免電動機做無用功，減少電能的浪費。

二、工作原理

在供液能力較差的抽油機井上，利用動態(tài)節(jié)能控制裝置替代原來的普通電動機控制箱，其結(jié)構(gòu)如圖所示，由變頻器、單片機微控中心、電動機控制器等，以及安裝在抽油機光桿方卡子上的載荷儀組成。

在動態(tài)節(jié)能控制裝置面板上，可通過鍵盤對頻率、電流、抽油機載荷等參數(shù)進行設定，這些參數(shù)需要根據(jù)抽油機運行在正常產(chǎn)液狀態(tài)下一個沖程的實際數(shù)值來確定。動態(tài)節(jié)能控制裝置的頻率調(diào)整在工頻和最低頻率之間分成多段運行。

抽油機運行時，安裝在抽油機光桿方卡子上的載荷儀，將采集到的載荷數(shù)據(jù)傳送到微控中心，微控中心從一個沖程中抽取最大值與設定的載荷值進行對比，如果最大值不小于設定值，則電動機保持工頻狀態(tài)運行，抽油機沖次不變；如果最大值小于設定值，電流也同時小于設定值，則說明井筒里的液面下降，供液能力變差，這時，微控中心向變頻器發(fā)送調(diào)頻指令緩慢下調(diào)頻率，降低電動機轉(zhuǎn)速，減小抽油機沖次，使井筒中的液面慢慢回升；頻率下調(diào)至最小設定值時，電動機保持最低轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，抽油機運行在最小沖次。供液能力恢復后，負荷增加，載荷值上升，電動機電流上升，這時，微控中心通過與設定的最小值對比后向變頻器發(fā)送調(diào)頻指令緩慢上調(diào)頻率，逐漸提高電動機轉(zhuǎn)速，增大抽油機沖次，使抽油機采出液量增加，當載荷值接近等于設定的最大值時，電動機轉(zhuǎn)為工頻運行。通過調(diào)節(jié)頻率的大小，改變電動機轉(zhuǎn)速、抽油機沖次，使抽油機運行時的每一個沖程都夠采出原油液來。

三、效果分析

（一）調(diào)速節(jié)能

一般泵類負荷，其耗電功率P與轉(zhuǎn)速N的三次方近似成正比，當調(diào)整轉(zhuǎn)速N滿足一定生產(chǎn)要求時，耗電功率可成比例變化。例如：一臺水泵電動機功率為55kW，當轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的4/5時，其耗電量為28.16KW，省電48.8%，當轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的1/2時，其耗電量為6.875KW，省電87.5%。

電動機同步轉(zhuǎn)速n=60f/p，從公式可以看出，電動機的轉(zhuǎn)速N與電源頻率f和磁極對數(shù)有關，而一臺電動機的磁極對數(shù)是固定的，那么電動機的轉(zhuǎn)速隨電源頻率的改變而改變。在抽油機運行中，供液能力變差后負荷下降，動態(tài)節(jié)能控制裝置自動適應載荷，對頻率進行下調(diào)，降低電動機轉(zhuǎn)速，減少耗電功率，同時避免了做無用功的現(xiàn)象，實現(xiàn)了節(jié)能。

（二）無功補償節(jié)能

無功功率不但增加線損和設備的發(fā)熱，更主要的是功率因數(shù)的降低導致電網(wǎng)有功功率的降低，大量的無功電能消耗在線路當中，設備使用效率低下，浪費嚴重。由于抽油機是一種峰谷性負荷，功率因數(shù)一般在0.5左右。動態(tài)節(jié)能控制裝置安裝有變頻器，變頻器內(nèi)部有濾波電容，具有功率因數(shù)補償功能，因此，動態(tài)節(jié)能控制裝置可取代原有的控制箱啟動器、電容補償器，使系統(tǒng)趨向一體化，保證電動機功率因數(shù)COSφ在0.95以上，從而減小設備損耗，減小線路損耗，改善了電網(wǎng)，增加了裝機容量，達到了節(jié)能目的。

（三）軟啟動節(jié)能

抽油機使用的電動機一般都是三角型接法，且?guī)ж摵芍苯訂?，啟動電流等于?-7）倍的額定電流，對電動機和供電電網(wǎng)造成很大的沖擊，導致對電網(wǎng)容量要求過高，而且啟動時產(chǎn)生的大電流和震動對設備極為不利；采用動態(tài)節(jié)能控制裝置的軟啟動功能，使啟動電流從零開始，最大值也不超過額定電流，減輕了對電網(wǎng)的沖擊和對供電容量的要求，達到了節(jié)能的目的，同時，能延長設備使用壽命及維修周期，減少設備維修費用。

四、應用實例

采油二廠結(jié)合生產(chǎn)實際，選擇五口稠油、間出的抽油機井，安裝了動態(tài)節(jié)能控制裝置，并對安裝前后的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行了對比（見表），節(jié)電效果明顯，日節(jié)電量最多的一口井達245千瓦時。

五、結(jié)論

在油田開采生產(chǎn)中，針對稠油、供液能力差的間出抽油機井，利用變頻調(diào)速技術(shù)，降低抽油機的沖次，提高了抽油泵效率，避免了電動機做無用功的現(xiàn)象，節(jié)能效果顯著，同時，延長了設備使用壽命及維修周期，減少設備維修費用，為油田企業(yè)降本增效發(fā)揮積極的作用。

作者簡介：劉傳江 1964年，本科，中原油田分公司采油二廠工程師。