|
赫茨中頻油桿加熱系統(tǒng)和磕頭機變頻改造應用案例
（成功應用于遼河油田、勝利油田和長慶油田）
抽油機的種類繁多，技術發(fā)明有數(shù)百種。從采油方式上可分為兩種:有桿類采油設備和無桿類采油設備。有桿類采油設備又可分為抽油桿往復運動類(國內(nèi)外大量使用的游梁式抽油機和無游梁式抽油機)和旋轉運動類(如電動潛油螺桿泵)，無桿類采油設備也可分為電動潛油離心泵，液壓驅動類(如水力活塞泵)和氣舉采油設備。
我國的油田多為低滲透的低能、低產(chǎn)油田，不像中東的油田那樣有很強的自噴能力，大部分油田要靠注水來壓油入井，再靠抽油機把油從地層中提升上來。以水換油，以電換油是目前我國油田的現(xiàn)實，電費在我國的石油開采成本中占了相當大的比例。所以，石油行業(yè)十分重視節(jié)約電能。
目前我國抽油機的保有量在10萬臺以上，電動機裝機總容量在3500兆瓦，每年耗電量逾百億kw·h。抽油機的運行效率特別低，在我國平均效率為25.96%，國外平均水平為30.05%，年節(jié)能潛力可達幾十億kw·h。除了抽油機之外，油田還有大量的注水泵、輸油泵和潛油泵等設備，總耗電量超過油田總用電量的80%，可見，石油行業(yè)也是推廣“電機系統(tǒng)節(jié)能”的重點行業(yè)。
采用抽油機節(jié)能電控裝置是抽油機節(jié)能的一個重點發(fā)展方向。在我國北方地區(qū)，由于天氣和儲油特性的關系，通常需要對抽油管進行加熱處理，上海紅旗泰公司開發(fā)的中頻加熱系統(tǒng)和磕頭機變頻改造系統(tǒng)將兩者有機結合起來，在磕頭機下降的過程中產(chǎn)生的再生制動能量通過共母線節(jié)能技術，直接返回到中頻加熱裝置中，進一步提高了節(jié)電率。
圖1 基于TI DSP的油田新型節(jié)能系統(tǒng)平臺
傳統(tǒng)的油管中頻加熱方案
圖2 可控硅軟啟動方法
如圖二所示，采用可控硅軟啟動的方法即由單片機控制改變串聯(lián)在電動機定子主回路中的可控硅的導通角β，即可以改變加在定子繞組上的端電壓的大小從而起到調壓節(jié)電的目的。但是這種方法的缺點也很明顯。
由于可控硅的移相作用，會產(chǎn)生大量的諧波，對電網(wǎng)、電機以及通訊控制系統(tǒng)造成不良的影響今后這類產(chǎn)品將因達不到電磁兼容的標準而被限制使用。對于電動機降壓節(jié)電的有關計算和校驗，中華人民共和國國家標準GB12497-1995《三相異步電動機經(jīng)濟運行》中有明確的要求：在采取調壓節(jié)電時，既要達到節(jié)電的目的，又要保證電動機軸上的出力，并有一定的過載系數(shù)，否則當負荷波動時電動機將發(fā)生堵轉而燒毀。但不是所有的降壓行為都能達到節(jié)能的目的，只有當電壓的降低程度大于轉差率及功率因數(shù)的上升程度時，才能使降壓運行中的電動機的效率得到提高而節(jié)能。當負載系數(shù)上升時，有功節(jié)電降低，綜合有功節(jié)電降低，而負載功率上升，節(jié)電效果并不明顯。而且在需重載起動的應用場合，降壓啟動會導致電機無法啟動甚至堵轉 。軟啟動可以減小起動時機械沖擊卻無法達到降低啟動電流的目的�？煽毓璧念l繁開關，降低可控硅的使用壽命，頻繁更換，維護成本高。
圖三為紅旗泰公司開發(fā)的油管中頻加熱系統(tǒng)框圖：
圖3 抽油管中頻加熱
紅旗泰公司開發(fā)的中頻油管加熱系統(tǒng)，采用采用美國德州儀器TI公司的最新32位DSP（數(shù)字信號處理器）為電源控制核心，SPWM控制技術，控制系統(tǒng)性能增強，電路簡化，負載適應性強，實現(xiàn)電源控制的全數(shù)字化，智能化。中頻電源工作時，纏繞的中頻電纜會產(chǎn)生交變磁場，輸油鋼管的外表面就形成許多微小的感應電流渦流。渦流形成的電位差只在微小的區(qū)間內(nèi)（微米級）存在，在較大范圍內(nèi)（毫米級），這些電位差會相互抵消。經(jīng)現(xiàn)場檢測，輸油管上的電位差實測值不超過0.5 V。采用先進的大功率絕緣柵雙極性晶體管IGBT作為功率開關器件，逆變頻率可調。較傳統(tǒng)的可控硅晶閘管較好的開關斷和開關頻率高，體積小，電流大，輸出電壓、電流連續(xù)可調，可以使加熱系統(tǒng)處于最佳工作狀態(tài)，能源利用率高，具有恒輸出電壓/恒輸出功率控制選擇功能。 采用零壓軟啟動，啟動成功率高無沖擊。 人機對話的顯示界面，可通過鍵盤的選擇顯示工作頻率及電流，電流變比等，并可顯示故障狀態(tài)及原因，使顯示更直觀，更易于操作。采用強化的故障診斷和保護技術，使系統(tǒng)工作可靠，有多種參數(shù)設定和跟蹤監(jiān)控功能，保護功能齊全：具有過壓、過流、缺相、控制電源欠壓等故障報警功能。 高效節(jié)能，全功率范圍內(nèi)，極高的功率因數(shù)和電源效率及較好的諧波抑制能力。
由于采用了共同的開發(fā)平臺，避免了不同節(jié)能系統(tǒng)間的通信難題。有利于日后的各種系統(tǒng)大規(guī)模應用，降低潛在的工程投資成本，有利于日后大規(guī)�！皵�(shù)字油田”的建設，便于實現(xiàn)電源控制的全數(shù)字化，智能化。
針對油田中廣泛使用的抽油機-“磕頭機”，紅旗泰公司開發(fā)的抽油機專用變頻控制系統(tǒng)，可與抽油管中頻加熱系統(tǒng)配合使用。對抽油機的變頻改造如圖4所示：
圖4 抽油機變頻器接線圖
當變頻器發(fā)生故障時，抽油機可切換到工頻運行，使用變頻器對抽油機進行改造的優(yōu)點為：
沖程、沖次無級可調
◆ 解決了低產(chǎn)井，抽油泵充液不足，依靠間抽的問題
◆ 沖程調節(jié)，提高泵效，節(jié)能明顯
提高電網(wǎng)的功率因數(shù)
◆ 電網(wǎng)功率因數(shù)可提高到0.9 以上
◆ 減少電網(wǎng)的無功損耗，具有一定的節(jié)能效果
抽油機實現(xiàn)了軟起動/軟停止
◆ 減少了抽油機起停示的機械沖擊
◆ 減少對電網(wǎng)的沖擊
紅旗泰公司的油田抽油機專用節(jié)電器采用先進微處理器數(shù)字控制技術，適用于各類處于空載、輕載或變負載運行狀態(tài)下抽油機電機節(jié)能。本產(chǎn)品通過內(nèi)置的專用節(jié)電優(yōu)化控制軟件，根據(jù)負載變化動態(tài)調節(jié)輸入電機的電壓和電流，在不改變電動機轉速、不減少抽油量的前提下，保證電動機的輸出功率與負荷需求精確匹配，在實現(xiàn)節(jié)能效果。產(chǎn)品配備了軟啟動功能，可以大大降低電機的啟動電流，減少沖擊電流對電機絕緣的破壞、降低電機運行溫度、減少電機的維護量、延長使用壽命。系統(tǒng)的原理圖如圖5所示:
圖5 紅旗泰抽油機專用變頻原理框圖
整個系統(tǒng)框圖如圖6所示：
圖6紅旗泰抽油機系統(tǒng)圖
同紅旗泰公司的油管加熱系統(tǒng)配合使用，利用共母線節(jié)能技術，將磕頭機下降沖程中的動能通過母線傳遞給油管中頻加熱系統(tǒng)，介意不節(jié)約了電能，提高了節(jié)電率。
|
