摘 要： 本文總結(jié)了近幾年來風(fēng)光變頻器在油田抽油機械、注水泵及其它設(shè)備上采用變頻改造的應(yīng)用效果，分析了高、中、低變頻器在應(yīng)用上的復(fù)雜及難點，展示了變頻器在油田改造上的前景。 關(guān)鍵詞：抽油機械 變頻器 應(yīng)用 Abstract: This paper summarizes the upgrade application results of Fengguang inverters in the pump oil machinery, water pumps, and other equipments in oil field in recent years. It analyses the application complexity and the difficult point with using HV inverters, MV Inverters, has shown that the inverter control upgrade prospect in the oil field. Key words: Pump oil machinery Inverter Application [中圖分類號]TE933 [文獻標(biāo)示碼] B 文章編號1561-0330（2005）03-008-03 1 引言 在我國的國民經(jīng)濟的各行各業(yè)中，石油所起的作用越來越重要，石油、煤炭已成為我國國民經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱。但是，我國的石油儲量低，開采成本高，難度大，且多處于地質(zhì)貧寒、鹽堿度高的地帶，石油的開采量已遠(yuǎn)不能適應(yīng)社會發(fā)展的需要。因此降低生產(chǎn)成本，實現(xiàn)今年開采，已成為當(dāng)務(wù)之急。 經(jīng)過對油田的考察與調(diào)研，實現(xiàn)節(jié)能的最直接的手段就是采用變頻調(diào)速控制。對于我國的石油機械，從我國的幾大油田分析，其中傳統(tǒng)的曲桿式磕頭機所占的比例仍較大，其次潛油電泵也有相當(dāng)?shù)臄?shù)量。 在油田的輸油系統(tǒng)中，大多采用高壓輸油泵技術(shù)。我們最早與遼河油田聯(lián)合開發(fā)的高壓變頻器，到現(xiàn)在已應(yīng)用與大慶油田、勝利油田、中原油田、遼河油田及青海油田的高中低壓變頻器，將變頻技術(shù)成功的應(yīng)用與抽油設(shè)備及附屬設(shè)施上，獲得了較好的效果?，F(xiàn)分幾個方面介紹，以期得同行業(yè)的幫助與支持。 2 曲桿式抽油機 2．1抽油機變頻器 曲桿式抽油機俗稱磕頭機，是利用曲桿的作用，靠動力的驅(qū)動，將油從1000M以下的井下帶至地面。 其工作過程為：用電機帶動減速機，減速機帶動皮帶輪，皮帶輪帶動兩個很重的鋼之滑塊，靠鋼質(zhì)滑塊的旋轉(zhuǎn)往復(fù)運動，依靠杠桿作用，將盛油器提上放下，而將油帶出地面進入輸油管道中或儲油罐中，完成有抽油過程。 由于油井情況復(fù)雜，油層又較深，含沙、結(jié)蠟情況嚴(yán)重，油量希稠不勻，在油井的前、中、后期就需要調(diào)節(jié)抽油量，在前期，油量充足，可讓充程短一些，加大出油量，提高產(chǎn)量，而在中后期，井下油量不足時，可將充程調(diào)長一些，減少抽油量，緩沖泥沙對抽油桿的沖擊。 油田上原來的調(diào)節(jié)是靠調(diào)節(jié)皮帶輪來調(diào)整充程的，這不但費時費力，有的單靠抽油工工都調(diào)節(jié)不了，更換皮帶輪麻煩，更換后的充程也不一定合乎要求，需要反復(fù)調(diào)整，而且這種調(diào)節(jié)方式，電機轉(zhuǎn)速不變，也浪費了電能。 我們采用變頻器對這種抽油方式進行了改造，調(diào)節(jié)充程時調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速代替調(diào)節(jié)皮帶輪，起到了比較號的效果。在前期井中，調(diào)高電機轉(zhuǎn)速，甚至超過全速（50Hz,一般調(diào)至65Hz），使抽油量加大，提高產(chǎn)量；在中后期井中，降低電機轉(zhuǎn)速，使充程滿足工況要求，即可實現(xiàn)充程調(diào)節(jié)。這種方式簡便易行，采油工只簡單的調(diào)節(jié)一下變頻器頻率調(diào)節(jié)旋鈕即可，而且實現(xiàn)了節(jié)能。在前期井中，提高產(chǎn)量也即意味著節(jié)能，低于50Hz運行更可節(jié)約大量的能量。經(jīng)實測，節(jié)電率在35％左右。 但這類變頻器有一個特殊的地方應(yīng)注意，在抽油機提升油時由于杠桿的作用，相應(yīng)的鋼質(zhì)滑塊要下落，這期間電機將超過同步轉(zhuǎn)速而發(fā)電，回送至變頻器，使變頻器的工作安全受到威脅，所以要加耗能環(huán)節(jié)，將該部分能量消耗掉。 為使變頻器故障時不耽誤生產(chǎn)，可加工工頻旁路，其應(yīng)用示意圖如圖1所示。變頻器運行時，開關(guān)C1和C2全部合閘，C3斷開；變頻器故障時C1和C2斷開，C3合閘；變頻器運行，C3和C1，C2聯(lián)鎖，不會發(fā)生合閘的情況。 [ALIGN=CENTER] 圖1 變頻器外部接線圖[/ALIGN] 2．2中頻加熱電源 在曲桿式抽油機中，有很多地質(zhì)情況下油質(zhì)稠，難于開采，于是就采取了一種措施，用空心桿進行電加熱，將稠油變稀而利于開采。 傳統(tǒng)的加熱方式式采用工頻加熱，其原理如圖2所示。 [ALIGN=CENTER] 圖2 工頻加熱原理線路圖[/ALIGN] 將加熱電纜放入空心桿中，空心桿放入油井中當(dāng)加熱電纜通電變熱時，空心桿也變熱，從而將井中附件的油加熱變稀。 這種加熱方式一是需要專門的變壓器，將380V的三相交流電變成單相500V的交流電，引起電網(wǎng)的不平衡，污染電網(wǎng)，加熱效果也不好，常會由于加熱電纜的損壞而造成工作不正常，甚至燒毀變壓器。 鑒于以上情況，我們與油田合作，研制了一種專門的電源對電纜進行加熱，采用新型的變頻技術(shù)，在中頻狀態(tài)下（大約500Hz左右）加熱，升溫快，溫度高，效果更好，而且可以節(jié)約電能，這就是中頻加熱電源。其工作如圖3所示。 [ALIGN=CENTER] 圖3 工頻加熱原理接線圖[/ALIGN] 采用變頻的原理，將50Hz的三相交流電，變成頻率為500Hz，電壓連續(xù)可調(diào)的中頻電源，是比較容易的。后面接一中壓變壓器，起隔離機阻抗匹配的作用。利用單片機檢測電網(wǎng)的變化、電纜負(fù)載的變化等。將對整個系 統(tǒng)的工作起到很好的保護作用。 根據(jù)油田電網(wǎng)的實際，我們又開發(fā)了1140V的中壓中頻電源、這種電源已有近百臺在油田上使用，提高了加熱效果，節(jié)省了電能，得到用戶的好評。與原來的工頻相比較，節(jié)電可達(dá)33％以上。 3 潛油電泵改造 在一些油田，由于油層較深，含水量較大，一般油層在2-3km，采用普通的曲桿式抽油機，開采量小，且容易出問題，于是人們就采用像抽水的潛水泵抽水一樣，將油提上來，這就是潛油電泵。 潛油電泵由于潛油較深，電纜較長，一般采用中壓輸電而減小壓降損耗，采用中壓電機，一節(jié)泵潛油電泵采用1140V供電，兩節(jié)泵潛油電泵采用2300V供電。 原來的工頻控制采用工頻全壓啟動，用電機保護儀對電機進行保護，如圖4所示。 [ALIGN=CENTER] 圖4 工頻全壓控制潛油電泵圖[/ALIGN] 由于采用全壓啟動，對電網(wǎng)沖擊較大，電機所受扭矩較大，在油層含沙、結(jié)蠟的情況下，電機軸扭斷的情況時有發(fā)生，而電壓經(jīng)過2-3km的電纜后，到電機側(cè)將有150V左右的壓降得不到補償，因此時間長了電機也會被燒毀。一旦出現(xiàn)問題，將要花費很大的的財力（油田上稱上作業(yè)）將電泵提上來進行更換、檢修，電纜被提上、放下5次就將報廢，所以損失慘重，需要進行改造。 　　由于變頻器具有軟啟動功能，可進行軟啟動補償?shù)龋什捎脤Ｓ米冾l器對潛油電泵進行了改造。 潛油電泵變頻器已進行了多方面的介紹，由于電壓的\特殊性，加之IGBT模塊的耐壓有限，我們采用模塊串聯(lián)的方式，用三電平電路實現(xiàn)了1140V-2300V電壓等級，研制出了潛油電泵專用變頻器。采用低頻補償對啟動不足加以補償控制。用低頻軟啟動，使電機啟動平穩(wěn)，較好的彌補了工頻起動運行不足，而且采油工可根據(jù)油井含油量的多少調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，適應(yīng)實際工況的需求，節(jié)約了電能，收到了較滿意的效果。節(jié)電率可達(dá)到25％以上。變頻改造的示意如圖5所示。 [ALIGN=CENTER] 圖5 潛油電泵變頻器控制接線圖[/ALIGN] 4 高壓輸油泵及注水泵 4．1輸油泵 輸油泵是油庫生產(chǎn)運行中主要的能耗設(shè)備。原來一般通過控制輸油泵出口閥門的開度來調(diào)節(jié)油量，大量的能源消耗在泵出口閥前后。 在設(shè)計初期，考慮到各種工況的需求，泵的設(shè)計裕量一般較大。在一般情況下，存在著“大馬拉小車”的情況。據(jù)測算，輸油泵出口閥門的節(jié)流損失最大占額定功率的39％?？梢娔茉吹睦速M是十分驚人的，其節(jié)能改造勢在必行。 遼河油田錦州采油廠歡三站采用我公司的高壓變頻器對一臺6KV/335KW的輸油泵進行了改造。根據(jù)流體力學(xué)特性，改變電機轉(zhuǎn)速后，其泵所需的輸入功率會大幅度的降低，從而達(dá)到了節(jié)能效果。根據(jù)現(xiàn)場運行情況，合理的調(diào)整變頻器運行參數(shù)，其綜合節(jié)電率可達(dá)37％。 4．2注水泵 在油田生產(chǎn)中，對某些油含量較少的井，采用注水方式進行輸油，有的井油抽干后，為保持地質(zhì)平衡，也需要進行注水。注水泵的應(yīng)用在油田上也很普遍。 由于應(yīng)用環(huán)境的惡劣，一般采用高壓電機，而其功率又比較大，加之工況不同，設(shè)計裕量較大，也存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象，能源浪費也很嚴(yán)重。 我們在遼河油田錦州采用廠歡三站對兩臺注水泵進行了變頻調(diào)速節(jié)能改造，一臺是6kv/400kw一臺是6kv/1800kw采用高壓大功率變頻器，安裝運行一年多，工作正常，其綜合節(jié)電率可達(dá)到46％。 5 結(jié)束語 對抽油設(shè)備進行改造，是油田提高產(chǎn)量，節(jié)約電能的正確措施，變頻器發(fā)揮了必將繼續(xù)發(fā)揮更強大的作用。通過這幾年的實踐，我們已有了成功的經(jīng)驗?？梢灶A(yù)計，在不遠(yuǎn)的將來，變頻器的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)鼮橥卣梗瑢蔀橛吞锔脑斓暮卯a(chǎn)品。 參考文獻 【1】 馬明利，《高壓變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)在油田輸油泵機組上的應(yīng)用》，《變頻器世界》2005（1） 【2】 韓文昭，李瑞來，程緒東，《1140潛油電泵專用變頻器》，《電氣傳動》，2002（3） 【3】 李瑞來，何洪臣，韓文昭，《2300V潛油電泵專用變頻器》，《中國國際電源科技論文集》2002（5） 作者簡介 周加勝 男 工程師 1990年畢業(yè)于山東工業(yè)大學(xué)電機系工業(yè)電氣自動化專業(yè)，現(xiàn)在山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司從事變頻器研發(fā)工作。