產品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
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解決方案
抽油機械的變頻調速改造
1 引言
在我國的國民經濟的各行各業中，石油所起的作用越來越重要，石油、煤炭已成為我國國民經濟發展的重要支柱。但是，我國的石油儲量低，開采成本高，難度大，且多處于地質貧寒、鹽堿度高的地帶，石油的開采量已遠不能適應社會發展的需要。因此降低生產成本，實現今年開采，已成為當務之急。
經過對油田的考察與調研，實現節能的直接手段就是采用變頻調速控制。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的數量。在油田的輸油系統中，大多采用高壓輸油泵技術。我們早期與遼河油田聯合開發的高壓變頻器，到現在已應用與大慶油田、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，將變頻技術成功的應用與抽油設備及附屬設施上，獲得了較好的效果。現分幾個方面介紹，以期得同行業的幫助與支持。
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，靠鋼質滑塊的旋轉往復運動，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。
由于油井情況復雜，油層又較深，含沙、結蠟情況嚴重，油量希稠不勻，在油井的前、中、后期就需要調節抽油量，在前期，油量充足，可讓充程短一些，加大出油量，提高產量，而在中后期，井下油量不足時，可將充程調長一些，減少抽油量，緩沖泥沙對抽油桿的沖擊。
油田上原來的調節是靠調節皮帶輪來調整充程的，這不但費時費力，有的單靠抽油工工都調節不了，更換皮帶輪麻煩，更換后的充程也不一定合乎要求，需要反復調整，而且這種調節方式，電機轉速不變，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，調節充程時調節電機轉速代替調節皮帶輪，起到了比較號的效果。在前期井中，調高電機轉速，甚至超過全速（50Hz,一般調至65Hz），使抽油量加大，提高產量；在中后期井中，降低電機轉速，使充程滿足工況要求，即可實現充程調節。這種方式簡便易行，采油工只簡單的調節一下變頻器頻率調節旋鈕即可，而且實現了節能。在前期井中，提高產量也即意味著節能，低于50Hz運行更可節約大量的能量。經實測，節電率在35％左右。
但這類變頻器有一個特殊的地方應注意，在抽油機提升油時由于杠桿的作用，相應的鋼質滑塊要下落，這期間電機將超過同步轉速而發電，回送至變頻器，使變頻器的工作安全受到威脅，所以要加耗能環節，將該部分能量消耗掉。
為使變頻器故障時不耽誤生產，可加工工頻旁路，其應用示意圖如圖1所示。變頻器運行時，開關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聯鎖，不會發生合閘的情況。
2.2中頻加熱電源
在曲桿式抽油機中，有很多地質情況下油質稠，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。
傳統的加熱方式式采用工頻加熱，其原理如圖2所示。
將加熱電纜放入空心桿中，空心桿放入油井中當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，引起電網的不平衡，污染電網，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，在中頻狀態下（大約500Hz左右）加熱，升溫快，溫度高，效果更好，而且可以節約電能，這就是中頻加熱電源。其工作如圖3所示。
采用變頻的原理，將50Hz的三相交流電，變成頻率為500Hz，電壓連續可調的中頻電源，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的變化、電纜負載的變化等。將對整個系統的工作起到很好的保護作用。
根據油田電網的實際，我們又開發了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，節省了電能，得到用戶的好評。與原來的工頻相比較，節電可達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，一節泵潛油電泵采用1140V供電，兩節泵潛油電泵采用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。
由于采用全壓啟動，對電網沖擊較大，電機所受扭矩較大，在油層含沙、結蠟的情況下，電機軸扭斷的情況時有發生，而電壓經過2-3km的電纜后，到電機側將有150V左右的壓降得不到補償，因此時間長了電機也會被燒毀。一旦出現問題，將要花費很大的的財力（油田上稱上作業）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，可進行軟啟動補償等，故采用專用變頻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，我們采用模塊串聯的方式，用三電平電路實現了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，較好的彌補了工頻起動運行不足，而且采油工可根據油井含油量的多少調節電機轉速，適應實際工況的需求，節約了電能，收到了較滿意的效果。節電率可達到25％以上。變頻改造的示意如圖5所示。
4 高壓輸油泵及注水泵
4.1輸油泵
輸油泵是油庫生產運行中主要的能耗設備。原來一般通過控制輸油泵出口閥門的開度
來調節油量，大量的能源消耗在泵出口閥前后。
在設計初期，考慮到各種工況的需求，泵的設計裕量一般較大。在一般情況下，存在
著“大馬拉小車”的情況。據測算，輸油泵出口閥門的節流損失最大占額定功率的39％。可見能源的浪費是十分驚人的，其節能改造勢在必行。
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。根據流體力學特性，改變電機轉速后，其泵所需的輸入功率會大幅度的降低，從而達到了節能效果。根據現場運行情況，合理的調整變頻器運行參數，其綜合節電率可達37％。
4.2注水泵
在油田生產中，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，為保持地質平衡，也需要進行注水。注水泵的應用在油田上也很普遍。
由于應用環境的惡劣，一般采用高壓電機，而其功率又比較大，加之工況不同，設計裕量較大，也存在“大馬拉小車”的現象，能源浪費也很嚴重。
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速節能改造，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，其綜合節電率可達到46％。
5 結束語
對抽油設備進行改造，是油田提高產量，節約電能的正確措施，變頻器發揮了必將繼續發揮更強大的作用。通過這幾年的實踐，我們已有了成功的經驗。可以預計，在不遠的將來，變頻器的應用領域將會更為拓展，將會成為油田改造的好產品。
