VACON變頻器對傳統(tǒng)抽油機(jī)的節(jié)能改造控制
一、抽油機(jī)使用變頻驅(qū)動的節(jié)能原理
首先，需要明確抽油機(jī)的負(fù)載特性：恒速運行；由于有配重，因此是變轉(zhuǎn)矩、變功率負(fù)載。目前國內(nèi)油田普遍采用的傳統(tǒng)式抽油機(jī)系統(tǒng)存在如下特性：運行時間長、“大馬拉小車”、效率低下、耗能大、沖程和沖次調(diào)節(jié)不方便，因此抽油機(jī)有必要使用變頻器以實現(xiàn)節(jié)能、增產(chǎn)的目的。
任何平衡良好的抽油機(jī)都有發(fā)電狀態(tài)，但是如果變頻器運行時，仍采用恒速度運行方式，并保持工頻時的抽油次數(shù)，即變頻器一直輸出50Hz的工頻頻率，并繼續(xù)保持抽油機(jī)在一個沖程中有兩次發(fā)電狀態(tài)，將導(dǎo)致變頻器因直流橋電壓升高出現(xiàn)過電壓故障，很明顯的，這是不可行的。
如果允許變頻器變速運行的同時保持原抽油次數(shù)，發(fā)電狀態(tài)下變頻器輸出頻率增加，將直流橋電壓保持在一定范圍內(nèi)，此時變頻器不會過壓。為保持恒定的抽油次數(shù)，在電動狀態(tài)下，變頻器的運行速度將降低，即其輸出頻率減小，在轉(zhuǎn)矩不變的情況下，從電網(wǎng)吸收的能量亦將減少；在發(fā)電運行狀態(tài)下，變頻器無需再從電網(wǎng)吸收能量，并有部分能量存儲在其直流電容中，這部分能量將用于電動狀態(tài)下的供能，因此，抽油機(jī)從電網(wǎng)吸收的能量將進(jìn)一步減少。
二、傳統(tǒng)抽油機(jī)變頻改造的難點
隨著原油生產(chǎn)對抽油機(jī)產(chǎn)量和節(jié)能要求的不斷提高，國內(nèi)對抽油機(jī)變頻節(jié)能改造做了大量的試驗，但都不太成功，主要原因是：
1.游梁式抽油機(jī)在一個工作循環(huán)中，有兩次發(fā)電狀態(tài)運行，如果此時不采取任何有效的措施，將造成變頻器過壓故障。傳統(tǒng)的解決方法是采用四象限、帶反饋的變頻器，或普通變頻器帶能耗制動或降頻使用或在直流橋上并大容量儲能電容。使用四象限、帶反饋的變頻器將增加系統(tǒng)的造價，延長油田收回成本的時間；使用普通變頻器帶能耗制動時，不同的油井將選用不同的制動電阻，并且隨著油層的變化，制動電阻的大小也將隨之變化，否則仍然會產(chǎn)生過壓故障，這將大大降低節(jié)能的效果；普通變頻器降頻使用時，很難提高抽油的效率；在變頻器的直流橋上并聯(lián)大電容時，也需要隨著油層的變化，改變并聯(lián)電容的容量，否則仍會造成過壓；
2.游梁式抽油機(jī)的起動需要較大的起動轉(zhuǎn)矩，如果變頻器的參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，將造成過流或不能起動的現(xiàn)象；
3.以往的設(shè)計方案很少考慮油井的油面、油濃度的變化等情況，在提高產(chǎn)量等方面，并不具備顯著的效果。
三、VACON抽油機(jī)專用變頻節(jié)能驅(qū)動解決方案
VACON抽油機(jī)專用變頻節(jié)能驅(qū)動解決方案主要基于VACON變頻器的BeamPump應(yīng)用宏軟件包。該應(yīng)用宏由VACON標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用宏經(jīng)過簡單修改而成，是根據(jù)油田實際情況，以及梁式抽油機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，專門開發(fā)的新型智能化電氣油田抽油機(jī)控制方式，它能自主判斷抽油機(jī)運行的上下沖程，根據(jù)油井的實際情況，實時調(diào)節(jié)上下沖程的速度，從而在實際抽油時，不更改每分鐘的抽油次數(shù)，但增加每次抽油時的采油量，提高抽油機(jī)的產(chǎn)量。
Vacon變頻節(jié)能方案通過調(diào)整變頻器內(nèi)部的頻率參考值，保證抽油時間（SPM）恒定。所有的參考指令都將折算為每分鐘的抽油次數(shù)。控制的原理是：對正常工作給出合適的電流限制，在電動狀態(tài)下，電機(jī)實際速度低于參考值；在發(fā)電狀態(tài)下，允許電機(jī)速度高于參考值，從而保持平均的恒定抽油時間。當(dāng)使用平衡負(fù)載應(yīng)用時對上下沖程使用兩種不同的參考頻率值。該方案的優(yōu)點在于：
1.高效節(jié)能，增產(chǎn)
控制器內(nèi)無任何的制動電阻，當(dāng)抽油機(jī)處于發(fā)電運行狀態(tài)時，變頻器自動提高電機(jī)的運行速度，并儲存發(fā)電運行產(chǎn)生的能量，與傳統(tǒng)設(shè)計方案相比，減少了不必要的能量損失。
2.運行安全，性能可靠
驅(qū)動控制無需任何PLC，而是基于變頻器的專用控制程序?qū)崿F(xiàn)，并且具有工頻和變頻操作方式，這兩種操作方式互鎖，并相互獨立，變頻器具有寬廣的輸入電壓范圍，因此使系統(tǒng)的運行更安全，性能更加可靠。
3.人機(jī)界面友好，安裝方便，操作簡單
變頻器的顯示面板可以直接顯示變頻器的輸出電壓，輸出電流，輸出頻率，電機(jī)運行消耗的能量，運行時間，抽油次數(shù)等。變頻器的運行參考值可直接設(shè)置抽油機(jī)的抽油次數(shù)，從而改善了傳統(tǒng)的通過設(shè)置電機(jī)運行頻率進(jìn)行控制的操作方式。
上述方案適用于目前常見的游梁平衡式、曲柄平衡式和復(fù)合平衡式三種傳統(tǒng)的抽油機(jī)。實際應(yīng)用中，當(dāng)輸入必須的抽油機(jī)參數(shù)后，控制器將對抽油機(jī)進(jìn)行靜態(tài)建模，并根據(jù)抽油機(jī)的實際運行情況，實時修改抽油機(jī)的數(shù)學(xué)模型，以達(dá)到增產(chǎn)節(jié)能的目的。
四、應(yīng)用案例
基于BeamPumper應(yīng)用宏的VACON抽油機(jī)專用變頻節(jié)能驅(qū)動解決方案已經(jīng)在遼河油田，新疆油田，大慶油田，勝利油田等大規(guī)模投入使用。在此僅以遼河油田洼3737井、海C9-17井為例，其應(yīng)用示意圖如下圖所示。為使變頻器故障時不耽誤生產(chǎn)，可加工工頻旁路。變頻器運行時，C3和C1、C2聯(lián)鎖，不會發(fā)生同時合閘的情況，即在正常運行狀態(tài)下，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。
系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)為節(jié)電率15%，增產(chǎn)率5%。由上表可知，Vacon變頻節(jié)能方案達(dá)到了設(shè)計要求，節(jié)能效果顯著。
五、結(jié)束語
能源價格的不斷上漲和國家能源法案對節(jié)能越來越嚴(yán)格的要求是包括石油鉆探在內(nèi)的各行業(yè)在設(shè)計驅(qū)動系統(tǒng)時必須考慮的重要課題。另外，隨著采油行業(yè)對石油產(chǎn)量和系統(tǒng)運行成本要求的不斷提高，變頻驅(qū)動解決方案的應(yīng)用勢必趨于廣泛。實踐證明，本文介紹的VACON抽油機(jī)專用變頻節(jié)能驅(qū)動解決方案在應(yīng)用中體現(xiàn)出明顯的節(jié)能和增產(chǎn)效果，是替代傳統(tǒng)抽油機(jī)驅(qū)動方案的理想選擇。
首先，需要明確抽油機(jī)的負(fù)載特性：恒速運行；由于有配重，因此是變轉(zhuǎn)矩、變功率負(fù)載。目前國內(nèi)油田普遍采用的傳統(tǒng)式抽油機(jī)系統(tǒng)存在如下特性：運行時間長、“大馬拉小車”、效率低下、耗能大、沖程和沖次調(diào)節(jié)不方便，因此抽油機(jī)有必要使用變頻器以實現(xiàn)節(jié)能、增產(chǎn)的目的。
任何平衡良好的抽油機(jī)都有發(fā)電狀態(tài)，但是如果變頻器運行時，仍采用恒速度運行方式，并保持工頻時的抽油次數(shù)，即變頻器一直輸出50Hz的工頻頻率，并繼續(xù)保持抽油機(jī)在一個沖程中有兩次發(fā)電狀態(tài)，將導(dǎo)致變頻器因直流橋電壓升高出現(xiàn)過電壓故障，很明顯的，這是不可行的。
如果允許變頻器變速運行的同時保持原抽油次數(shù)，發(fā)電狀態(tài)下變頻器輸出頻率增加，將直流橋電壓保持在一定范圍內(nèi)，此時變頻器不會過壓。為保持恒定的抽油次數(shù)，在電動狀態(tài)下，變頻器的運行速度將降低，即其輸出頻率減小，在轉(zhuǎn)矩不變的情況下，從電網(wǎng)吸收的能量亦將減少；在發(fā)電運行狀態(tài)下，變頻器無需再從電網(wǎng)吸收能量，并有部分能量存儲在其直流電容中，這部分能量將用于電動狀態(tài)下的供能，因此，抽油機(jī)從電網(wǎng)吸收的能量將進(jìn)一步減少。
二、傳統(tǒng)抽油機(jī)變頻改造的難點
隨著原油生產(chǎn)對抽油機(jī)產(chǎn)量和節(jié)能要求的不斷提高，國內(nèi)對抽油機(jī)變頻節(jié)能改造做了大量的試驗，但都不太成功，主要原因是：
1.游梁式抽油機(jī)在一個工作循環(huán)中，有兩次發(fā)電狀態(tài)運行，如果此時不采取任何有效的措施，將造成變頻器過壓故障。傳統(tǒng)的解決方法是采用四象限、帶反饋的變頻器，或普通變頻器帶能耗制動或降頻使用或在直流橋上并大容量儲能電容。使用四象限、帶反饋的變頻器將增加系統(tǒng)的造價，延長油田收回成本的時間；使用普通變頻器帶能耗制動時，不同的油井將選用不同的制動電阻，并且隨著油層的變化，制動電阻的大小也將隨之變化，否則仍然會產(chǎn)生過壓故障，這將大大降低節(jié)能的效果；普通變頻器降頻使用時，很難提高抽油的效率；在變頻器的直流橋上并聯(lián)大電容時，也需要隨著油層的變化，改變并聯(lián)電容的容量，否則仍會造成過壓；
2.游梁式抽油機(jī)的起動需要較大的起動轉(zhuǎn)矩，如果變頻器的參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，將造成過流或不能起動的現(xiàn)象；
3.以往的設(shè)計方案很少考慮油井的油面、油濃度的變化等情況，在提高產(chǎn)量等方面，并不具備顯著的效果。
三、VACON抽油機(jī)專用變頻節(jié)能驅(qū)動解決方案
VACON抽油機(jī)專用變頻節(jié)能驅(qū)動解決方案主要基于VACON變頻器的BeamPump應(yīng)用宏軟件包。該應(yīng)用宏由VACON標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用宏經(jīng)過簡單修改而成，是根據(jù)油田實際情況，以及梁式抽油機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，專門開發(fā)的新型智能化電氣油田抽油機(jī)控制方式，它能自主判斷抽油機(jī)運行的上下沖程，根據(jù)油井的實際情況，實時調(diào)節(jié)上下沖程的速度，從而在實際抽油時，不更改每分鐘的抽油次數(shù)，但增加每次抽油時的采油量，提高抽油機(jī)的產(chǎn)量。
Vacon變頻節(jié)能方案通過調(diào)整變頻器內(nèi)部的頻率參考值，保證抽油時間（SPM）恒定。所有的參考指令都將折算為每分鐘的抽油次數(shù)。控制的原理是：對正常工作給出合適的電流限制，在電動狀態(tài)下，電機(jī)實際速度低于參考值；在發(fā)電狀態(tài)下，允許電機(jī)速度高于參考值，從而保持平均的恒定抽油時間。當(dāng)使用平衡負(fù)載應(yīng)用時對上下沖程使用兩種不同的參考頻率值。該方案的優(yōu)點在于：
1.高效節(jié)能，增產(chǎn)
控制器內(nèi)無任何的制動電阻，當(dāng)抽油機(jī)處于發(fā)電運行狀態(tài)時，變頻器自動提高電機(jī)的運行速度，并儲存發(fā)電運行產(chǎn)生的能量，與傳統(tǒng)設(shè)計方案相比，減少了不必要的能量損失。
2.運行安全，性能可靠
驅(qū)動控制無需任何PLC，而是基于變頻器的專用控制程序?qū)崿F(xiàn)，并且具有工頻和變頻操作方式，這兩種操作方式互鎖，并相互獨立，變頻器具有寬廣的輸入電壓范圍，因此使系統(tǒng)的運行更安全，性能更加可靠。
3.人機(jī)界面友好，安裝方便，操作簡單
變頻器的顯示面板可以直接顯示變頻器的輸出電壓，輸出電流，輸出頻率，電機(jī)運行消耗的能量，運行時間，抽油次數(shù)等。變頻器的運行參考值可直接設(shè)置抽油機(jī)的抽油次數(shù)，從而改善了傳統(tǒng)的通過設(shè)置電機(jī)運行頻率進(jìn)行控制的操作方式。
上述方案適用于目前常見的游梁平衡式、曲柄平衡式和復(fù)合平衡式三種傳統(tǒng)的抽油機(jī)。實際應(yīng)用中，當(dāng)輸入必須的抽油機(jī)參數(shù)后，控制器將對抽油機(jī)進(jìn)行靜態(tài)建模，并根據(jù)抽油機(jī)的實際運行情況，實時修改抽油機(jī)的數(shù)學(xué)模型，以達(dá)到增產(chǎn)節(jié)能的目的。
四、應(yīng)用案例
基于BeamPumper應(yīng)用宏的VACON抽油機(jī)專用變頻節(jié)能驅(qū)動解決方案已經(jīng)在遼河油田，新疆油田，大慶油田，勝利油田等大規(guī)模投入使用。在此僅以遼河油田洼3737井、海C9-17井為例，其應(yīng)用示意圖如下圖所示。為使變頻器故障時不耽誤生產(chǎn)，可加工工頻旁路。變頻器運行時，C3和C1、C2聯(lián)鎖，不會發(fā)生同時合閘的情況，即在正常運行狀態(tài)下，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。
系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)為節(jié)電率15%，增產(chǎn)率5%。由上表可知，Vacon變頻節(jié)能方案達(dá)到了設(shè)計要求，節(jié)能效果顯著。
五、結(jié)束語
能源價格的不斷上漲和國家能源法案對節(jié)能越來越嚴(yán)格的要求是包括石油鉆探在內(nèi)的各行業(yè)在設(shè)計驅(qū)動系統(tǒng)時必須考慮的重要課題。另外，隨著采油行業(yè)對石油產(chǎn)量和系統(tǒng)運行成本要求的不斷提高，變頻驅(qū)動解決方案的應(yīng)用勢必趨于廣泛。實踐證明，本文介紹的VACON抽油機(jī)專用變頻節(jié)能驅(qū)動解決方案在應(yīng)用中體現(xiàn)出明顯的節(jié)能和增產(chǎn)效果，是替代傳統(tǒng)抽油機(jī)驅(qū)動方案的理想選擇。
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