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1 前言
目前變頻技術(shù)的發(fā)展十分迅速，在油田生產(chǎn)中，在工業(yè)領(lǐng)域里的應(yīng)用日益廣泛。變頻技術(shù)的原理，結(jié)合信息技術(shù)、模糊控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、變頻調(diào)速技術(shù)、傳感器技術(shù)等現(xiàn)代高新技術(shù)，使得油田開發(fā)過程中的抽油機(jī)能耗控制得到根本的改善。利用變頻調(diào)速技術(shù)，通過傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)模糊控制，使機(jī)械采油的效率在運(yùn)行過程中始終保持在最佳狀態(tài)，有效杜絕了設(shè)備的空耗，從而實(shí)現(xiàn)了節(jié)能的目的。同時(shí)變頻技術(shù)的利用使抽油機(jī)實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)，設(shè)備選型更加合理。變頻技術(shù)的應(yīng)用適應(yīng)熱采區(qū)塊吞吐輪次高，地下參數(shù)變化大的生產(chǎn)特點(diǎn)，使得變頻技術(shù)在油田開發(fā)過程中具備了廣闊的推廣空間。
2 變頻柜在油井節(jié)能、增產(chǎn)運(yùn)行機(jī)理
2.l 工作原理
當(dāng)前在各種抽油機(jī)變頻柜中處理再生電能的方法有制動(dòng)電阻、吸收電容、回饋制動(dòng)等，其中較為先進(jìn)的方法是利用回饋制動(dòng)的方式將這部分電能回饋電網(wǎng)。抽油機(jī)能量回饋智能變頻控制柜，在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)的狀態(tài)時(shí)由主變頻器從電網(wǎng)吸收電能，而在油井釋放能量狀態(tài)時(shí)由回饋?zhàn)冾l器將這部分能量變成與電網(wǎng)電壓同步同相位的正弦波經(jīng)過濾波后回饋電網(wǎng)，利用變頻控制柜+永磁電機(jī)配合使用，進(jìn)行節(jié)能改造經(jīng)實(shí)踐證明效果非常明顯，節(jié)電率高達(dá)30％一60％。
2.2 增產(chǎn)原理
動(dòng)態(tài)節(jié)能裝置通過輸入正常頻率、最小載荷、最高頻率、最低頻率，能夠根據(jù)實(shí)時(shí)采集載荷及示功圖進(jìn)行分析處理。在一個(gè)沖程內(nèi)采集的載荷大于最小載荷，抽油機(jī)按正常頻率運(yùn)行，如果采集的載荷小于最小載荷，變頻柜將在最高頻率和最低頻率之間分成多段運(yùn)行。對(duì)于上下不平衡油井，控制抽油機(jī)按不同的頻率運(yùn)行，達(dá)到上快、下慢的方式運(yùn)行，減少空抽，提高泵效。
如果電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在額定負(fù)荷或額定負(fù)荷附近，則電動(dòng)機(jī)屬于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。實(shí)際上，電動(dòng)機(jī)以輕載運(yùn)行，即一般稱為“大馬拉小車”的情況是常見的。因此，電動(dòng)機(jī)節(jié)能是不容忽視的重要問題。電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率取決于電動(dòng)機(jī)負(fù)荷率，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GBl2497—1995規(guī)定，Y2系列(IP44)37kw/6極電動(dòng)機(jī)的負(fù)荷率應(yīng)大于0.40：22kw 6極電動(dòng)機(jī)的負(fù)荷率應(yīng)大于0.46，此時(shí)電動(dòng)機(jī)為經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。對(duì)于不同功率的Y系列電動(dòng)機(jī)，效率下降點(diǎn)也不同。一般情況下，效率和功率因數(shù)隨負(fù)荷率變化的曲線如圖l所示。把效率將要快速下降點(diǎn)q所對(duì)應(yīng)的負(fù)荷率稱為臨界負(fù)荷率β。當(dāng)負(fù)荷率β＞βa。時(shí)，效率的變化不大，這是由于電動(dòng)機(jī)的可變損耗和不變損耗的對(duì)比關(guān)系所決定的，當(dāng)負(fù)荷率β(0.70時(shí)，功率因素下降很快。功率因素的低下不但使電動(dòng)機(jī)本身能耗有所增加，而且給電網(wǎng)造成了附加損耗，降低了電網(wǎng)容量和變壓器設(shè)備的利用率。
從以上討論可以看出，只要負(fù)荷率β不低于βa，“大馬拉小車”的影響主要是降低功率因數(shù)。對(duì)于一般負(fù)荷(如風(fēng)機(jī)、水泵)，節(jié)能的關(guān)鍵是提高負(fù)荷率。如果將負(fù)荷率提高到0.70—0.80可以說是最佳運(yùn)行區(qū)間，沒有必要提高到1。一般工作在β＝0.70以上，功率因數(shù)就比較高。
3 游梁式抽油機(jī)用電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)
游梁式抽油機(jī)是機(jī)械采油的主要設(shè)備，約占機(jī)采井總數(shù)的75％。它工作時(shí)承受帶沖擊性的周期交變負(fù)荷，如圖2a所示。這一負(fù)荷特性要求驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)在選擇容量時(shí)留有足夠的裕度，以保證帶載啟動(dòng)時(shí)能克服抽油機(jī)較大的慣性矩，滿足啟動(dòng)要求；在運(yùn)行時(shí)有足夠的過載能力，以克服交變載荷的最大扭矩。因此，電動(dòng)機(jī)容量選擇就過大，負(fù)荷匹配不合理，大多數(shù)情況下電動(dòng)機(jī)處于輕載狀態(tài)，負(fù)荷率一般為0.25．同時(shí)，電動(dòng)機(jī)在一個(gè)沖次中還存在兩段發(fā)電狀態(tài)，一個(gè)沖次內(nèi)電動(dòng)機(jī)電流如圖2b所示，在一個(gè)沖次內(nèi)其電壓、電流相量圖如圖3所示。在一個(gè)沖次內(nèi)，電流的大小及相位角φ總是變化的，相位有大于90°的情況，這段時(shí)間有功電流為負(fù)，為發(fā)電狀態(tài)，這已從理論上和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到證明。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)中，采用兩種方法：一是接人三相電度表，在一個(gè)沖次內(nèi)有兩次電表反轉(zhuǎn)：二是用計(jì)算機(jī)采集電壓、電流的正弦波形，也清楚看出相位角甲大于90°的情況。發(fā)電情況與平衡有關(guān)，平衡效果越差，發(fā)電越多。平衡效果較好時(shí)，只有一次發(fā)電狀態(tài)。這種特殊負(fù)荷給電動(dòng)機(jī)節(jié)能帶來很大難度。另外，抽油桿運(yùn)動(dòng)時(shí)的慣性作用和彈性變形，使抽油機(jī)在上下死點(diǎn)產(chǎn)生沖擊，而普通Y系列電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是硬特性。在運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)速隨負(fù)荷變化不大，抽油泵柱塞的實(shí)際行程由此變短，從而影響泵的充滿率，降低泵效，使整個(gè)游梁式抽油機(jī)的系統(tǒng)效率降低。
由以上分析可知，游梁式抽油機(jī)節(jié)能應(yīng)包括兩個(gè)方面：一是從電動(dòng)機(jī)本身考慮，就是提高電動(dòng)機(jī)效率和負(fù)荷率，從而提高運(yùn)行效率和功率因數(shù)。提高電動(dòng)機(jī)效率的潛力不大，能提高幾個(gè)百分點(diǎn)就很不容易而且是以提高電動(dòng)機(jī)成本為代價(jià)的。因此，如果負(fù)荷率高于臨界負(fù)荷率，只要并上適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電容器就達(dá)到節(jié)能的目的。二是從系統(tǒng)考慮，就是改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，使機(jī)、桿、泵整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到較好的配合，提高系統(tǒng)效率。兩者比較，后者的節(jié)能潛力比前者大得多。因此，后者應(yīng)該是游梁式抽油機(jī)用電動(dòng)機(jī)節(jié)能的主要研究方向。
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