交流变频调速技术与油田节能(转载)-专业自动化论坛-中国工控网论坛

交流变频调速技术与油田节能(转载) 点击：5875 | 回复：16

精华：141帖
求助：0帖
帖子：163帖 | 91回
年度积分：0
历史总积分：1543
注册：2020年3月27日

发表于：2005-04-06 13:55:00

楼主

陈荣先生，石油大学(华东)信息与控制工程学院讲师；许红梅女士，山东省东营市垦利县电业局工程师。关键词：交流变频调速技术　注水系统游梁式抽油机　电潜泵　油气集输系统　电驱钻机　　交流变频调速技术在国民经济和日常生活中发挥着日益重要的作用，已被广泛应用于工业生产以及人们日常生活中，这主要得益于其优良的节能特性和调速特性。中国产值能耗是世界上最高的国家之一。要解决产品能耗问题，除其他相关技术问题需改进外，交流变频调速技术已成为节能及提高产品质量的有效措施。油田作为一个特殊行业，有其独特的背景，以风机、泵类负载为主，因而决定了变频器在油田中的应用应以节能为第一目标。油田中交流变频调速技术的应用主要集中在下述5个方面。一在游梁式抽油机控制中的应用　　目前，在胜利油田采用的抽油设备中，以游梁式抽油机最为普遍，数量也最多。　　一方面，游梁式抽油机运动为反复上下提升，一个冲程提升一次，其动力来自电动机带动的两个重量相当大的钢质滑块，当滑块提升时，类似杠杆作用，将采油机杆送入井中；滑块下降时，采油杆提出带油至井口，由于电动机转速一定，滑块下降过程中，负荷减轻，电动机拖动产生的能量无法被负载吸引，势必会寻找能量消耗的渠道，导致电动机进入再生发电状态，将多余能量反馈到电网，引起主回路母线电压升高，势必会对整个电网产生冲击，导致电网供电质量下降，功率因数降低的危险；频繁的高压冲击会损坏电动机，造成生产效率降低、维护量加大，极不利于抽油设备的节能降耗，给企业造成较大经济损失。另一方面，游梁式抽油机引入两个大质量的钢质滑块，导致抽油机的起动冲击大等诸多问题。　　除上述两方面问题外，油田采油的特殊地理环境决定了采油设备有其独特的运行特点：在油井开采前期储油量大，供液足，为提高功效可采用工频运行，保证较高产油量；在中后期，由于石油储量减少，易造成供液不足，电动机若仍工频运行，势必浪费电能，造成不必要损耗，这时须考虑实际工作情况，适当降低电动机转速，减少冲程，有效提高充盈率。　　目前，对游梁式抽油机的交流变频调速技术改造主要有以下3个方面：　　(1)以提高电网质量，减小对电网影响为目标的变频改造。这主要集中在供电企业对电网质量要求较高的场合，为避免电网质量的下降，需引入变频控制，其主要目的就是减小抽油机工作过程对电网的影响。这种应用在胜利油田临盘采油厂已提上应用日程。　　(2)以节能为第一目标的变频改造。这点较普遍，一方面，油田抽油机为克服大的起动转矩，采用的电动机远远大于实际所需功率，工作时电动机利用率一般为20%～30%，最高不会超过50%，电动机常处于轻载状态，造成资源浪费。另一方面，抽油机工作情况的连续变化，取决于地底下的状态，若始终处于工频运行，也会造成电能浪费。为了节能，提高电动机工作效率，需进行变频改造。　　(3)以提高电网质量和节能为目的的变频改造。这种情况综合了上面两种改造的优点，是应用中的一个重要发展方向。　　在实际应用过程中出现了许多问题，主要集中在游梁式抽油机发电状态产生能量的处理上。对于上述第一种情况，采用普通变频器加能耗制动单元可较方便实现，这是以多耗电能为代价的，主要因为发电能量不能回馈电网造成。在未采用变频器时，电动机处于电动状态时，从电网吸收电能；电动机处于发电状态时，释放能量，电能直接回馈电网的，并未在本地设备上耗费掉。综合表现为抽油机供电系统的功率因数较低，对电网质量影响较大。但在使用普通变频器时，情况发生了变化。普通变频器输入是二极管整流，能量不可反方向流动。上述这部分电能没有流回电网的通路，须用电阻就地消耗，这是必须使用能耗制动单元的原因。对于上述第二、三种情况，必须妥善处理电动机发电状态产生的电能，将其反馈到电网，否则通过调节抽油机冲程节省的电能可能无法抵消变频器制动单元消耗的电能，造成变频运行时反而耗能，与节能的目标背道而驰。为解决这个问题，有必要对普通变频器进行改造，在结构上引入双PWM结构变频器，保证发电状态产生的电能回馈电网；在控制方法引入自适应控制、模糊控制等以适应游梁式抽油机多变的工作环境。二在电潜泵控制中的应用　　油田中应用较多的另一种采油设备是电潜泵，它是井下工作的多级离心泵，同油管一起下入井内，地面电源通过变压器、控制屏和电潜泵专用电缆将电能输送给井下电潜泵电动机，使电动机带动多级离心泵旋转，将电能转换为机械能，把油井中的液体举升到地面。　　由于电潜泵在地下两千多米的井底工作，环境非常恶劣(高温、强腐蚀等)，传统供电方式—全压、工频使它故障频繁，运行成本大增。一方面，电潜泵在工频启动时，启动电流大，电动机电缆压降较大，使得启动过程中反压较高，绝缘性能降低，每次开机都会使电潜泵寿命大打折扣，影响使用寿命。电潜泵损坏后提到地面上修理，仅工程费一项就达5万元，价值10万元的电缆平均提上放下5次就须更换，电潜泵平均每10个月就须维修一次，维修费用约8万元，成本较高。另一方面，电潜泵在正常工作时，普遍存在着电动机负载率较低情况，“大马拉小车”现象严重。潜油电泵功率因数较低，耗电量多，工频工作时，始终在额定转速下，如井下液量供不应求，容易造成“死井”，则损失惨重。为解决该问题，电潜泵应能根据地质情况变化，调节抽油量。传统调节方式是靠更换油嘴调节产量，既造成能量损失又不能精确控制。有时使得电动机与泵长期在高压状态下运行；有时使得油井出沙严重，使设备寿命缩短，因而有必要引入交流变频调速控制系统，调节油压、调节产量。　　针对电潜泵特殊情况，成都佳灵电气制造有限公司和山东风光电子有限责任公司都有现成产品提供，并在胜利油田有一些应用，取得了一定效果。对电潜泵井进行变频改造后，实现了电潜泵的软启动、软停车，有效保护了电潜泵与电缆；通过调节频率可方便调节油压，避免了电潜泵在高压下长期运行；延长了电潜泵寿命，节约了油井维修、维护费用，使电泵机组在最佳工况下运行，大大提高了电潜泵采油系统的效率。同时，提高功率因数，提高电网供电能力，节电效果明显。大面积推广电潜泵变频技术改造，将带来良好的经济和社会效益。应用中也暴露出一些问题，一方面，因是新产品，在产品软硬件设计和设备配套上有一些不足，这时就要将新的控制方法引入到实际应用中去发展变化适应多变的工作环境，提高配套产品质量；另一方面，控制系统一次性投资较高，有的甚至高于电潜泵投资，只有进一步降低成本，才能促进交流变频调速控制技术在电潜泵中的应用。三在注水泵控制中的应用　　油田开发过程中地层能量不断衰减，常用注水方式以保持地层能量，进行油田开发。　　一方面，注水压力高低是决定油田合理开发和地面管线及设备状态的重要参数。考虑到后期开发注水井的增多，注水工艺设计和机电设备配置都比实际宽裕，加之地质情况的变化，开关井数的增减，洗井及供水不足的影响，经常引起注水压力的波动，注水量不均匀，不稳定。注水压力控制难度大，也给油田生产和管理带来诸多不便，因而要求油田注水压力恒定。　　另一方面，由于储油地层压力及油气水分布不断发生变化，其数值很难准确预测和控制，考虑到油田开发中的需要，在工艺和机电设备配置上都按照油田最大可能需求设计，这点在注水系统设计中尤为突出。油田注水设备多采用高压离心泵匹配高压电动机，大功率系统运行常是“大马拉小车”，效率低下。注水压力靠泵出口闸门手动控制，即靠改变管网特性曲线来调节泵的排量，泵、电动机匹配难以达到在泵的最佳工况点运行，管网效率低，电能损失高达50%以上。正是从恒压注水和节能两个方面考虑，在油田注水系统中引入变频控制。　　目前变频调速技术在注水系统中主要应用在供水水源井电潜泵、注水站注水泵、配水间增压泵工艺中。应用变频调速技术，对注水设备的电动机转速进行调节，达到稳压、稳流供注水。同时软起软停功能代替减压启动，使电动机起停平稳，减少对电网和机械设备的冲击，不会造成管网压力、流量、流速剧烈变化，无需阀门截流，因此对防止汽蚀、水击、喘振极为有利，可延长管网、泵、阀门维修周期和使用寿命。注水泵变频改造中涉及品牌较多，进口品牌有ABB、A-B、三菱、东芝、富士、西门子等，国产品牌有佳灵、安圣等，在该领域的应用技术已较成熟。四在油气集输控制中的应用　　在油田生产中，与注水泵类似，输油泵额定排量往往大于实际需要排量，出现“大马拉小车”现象。　　一方面，如完全采用阀门调节输油量，一旦油量变化较快，输油阀门调节频繁，增加了工作人员劳动强度且所需人员也较多。若阀门调节不当，易造成被抽干或冒罐现象。泵出现干抽烧损，冒罐则造成原油白白浪费。　　另一方面，为保证输出油量恒定，需保证管压恒定，阀门开度直接影响到管压。如使用变频调速器，可彻底解决该问题。它通过减小电动机电源频率实现降低电动机转速。电动机带动泵运行，转速降低，对于柱塞泵，就是降低了柱塞运行频率，减小泵实际排量；对于离心泵，降低了叶轮转速，同样降低泵排量。因此，当需排量变化时，可通过调节变频器输出频率，达到控制排量的目的，保证管压恒定。泵排量降低，电动机负荷也随之减小，这样电动机输出功率亦减小，效率可大大提高，达到节能目的。五在电驱钻机中的应用　　由于石油特殊行业背景，决定了石油钻机有其本身特点。整个钻井过程的复杂性决定了电动机电控系统的复杂性和多样性。当前常用机电传动系统按其驱动电动机类型分为直流传动和交流传动两大类，目前发展为SCR传动系统和交流变频传动系统。SCR电传动系统是柴油机驱动交流发电机，发电机发出的交流电通过SCR整流装置，将交流电变换为可控的直流电控制直流电动

分享到：