抽油机生产中变频控制柜的应用

1  前言 

    目前变频技术的发展十分迅速，在油田生产中，在工业领域里的应用日益广泛。变频技术的原理，结合信息技术、模糊控制技术、计算机技术、变频调速技术、传感器技术等现代*，使得油田开发过程中的抽油机能耗控制得到根本的改善。利用变频调速技术，通过传感器技术实现模糊控制，使机械采油的效率在运行过程中始终保持在*状态，有效杜绝了设备的空耗，从而实现了节能的目的。同时变频技术的利用使抽油机实现了软启动，设备选型更加合理。变频技术的应用适应热采区块吞吐轮次高，地下参数变化大的生产特点，使得变频技术在油田开发过程中具备了广阔的推广空间。

    2  变频柜在油井节能、增产运行机理

    2.l  工作原理

    当前在各种抽油机变频柜中处理再生电能的方法有制动电阻、吸收电容、回馈制动等，其中较为*的方法是利用回馈制动的方式将这部分电能回馈电网。抽油机能量回馈智能变频控制柜，在电动机驱动抽油机的状态时由主变频器从电网吸收电能，而在油井释放能量状态时由回馈变频器将这部分能量变成与电网电压同步同相位的正弦波经过滤波后回馈电网，利用变频控制柜+永磁电机配合使用，进行节能改造经实践证明效果非常明显，节电率高达30％一60％。

    2.2  增产原理

    动态节能装置通过输入正常频率、zui小载荷、zui高频率、zui低频率，能够根据实时采集载荷及示功图进行分析处理。在一个冲程内采集的载荷大于zui小载荷，抽油机按正常频率运行，如果采集的载荷小于zui小载荷，变频柜将在zui高频率和zui低频率之间分成多段运行。对于上下不平衡油井，控制抽油机按不同的频率运行，达到上快、下慢的方式运行，减少空抽，提高泵效。
    如果电动机运行在额定负荷或额定负荷附近，则电动机属于经济运行。实际上，电动机以轻载运行，即一般称为“大马拉小车”的情况是常见的。因此，电动机节能是不容忽视的重要问题。电动机运行效率取决于电动机负荷率，国家标准GBl2497—1995规定，Y2系列（IP44）37kw/6极电动机的负荷率应大于0.40：22kw 6极电动机的负荷率应大于0.46，此时电动机为经济运行。对于不同功率的Y系列电动机，效率下降点也不同。一般情况下，效率和功率因数随负荷率变化的曲线如图l所示。把效率将要快速下降点q所对应的负荷率称为临界负荷率β。当负荷率β＞βa。时，效率的变化不大，这是由于电动机的可变损耗和不变损耗的对比关系所决定的，当负荷率β（0.70时，功率因素下降很快。功率因素的低下不但使电动机本身能耗有所增加，而且给电网造成了附加损耗，降低了电网容量和变压器设备的利用率。

    从以上讨论可以看出，只要负荷率β不低于βa，“大马拉小车”的影响主要是降低功率因数。对于一般负荷（如风机、水泵），节能的关键是提高负荷率。如果将负荷率提高到0.70—0.80可以说是*运行区间，没有必要提高到1。一般工作在β＝0.70以上，功率因数就比较高。

   3  游梁式抽油机用电动机运行特点

   游梁式抽油机是机械采油的主要设备，约占机采井总数的75％。它工作时承受带冲击性的周期交变负荷，如图2a所示。这一负荷特性要求驱动电动机在选择容量时留有足够的裕度，以保证带载启动时能克服抽油机较大的惯性矩，满足启动要求；在运行时有足够的过载能力，以克服交变载荷的zui大扭矩。因此，电动机容量选择就过大，负荷匹配不合理，大多数情况下电动机处于轻载状态，负荷率一般为0.25．同时，电动机在一个冲次中还存在两段发电状态，一个冲次内电动机电流如图2b所示，在一个冲次内其电压、电流相量图如图3所示。在一个冲次内，电流的大小及相位角φ总是变化的，相位有大于90°的情况，这段时间有功电流为负，为发电状态，这已从理论上和现场实测得到证明。在现场实测中，采用两种方法：一是接人三相电度表，在一个冲次内有两次电表反转：二是用计算机采集电压、电流的正弦波形，也清楚看出相位角甲大于90°的情况。发电情况与平衡有关，平衡效果越差，发电越多。平衡效果较好时，只有一次发电状态。这种特殊负荷给电动机节能带来很大难度。另外，抽油杆运动时的惯性作用和弹性变形，使抽油机在上下死点产生冲击，而普通Y系列电动机的机械特性是硬特性。在运行过程中转速随负荷变化不大，抽油泵柱塞的实际行程由此变短，从而影响泵的充满率，降低泵效，使整个游梁式抽油机的系统效率降低。

     由以上分析可知，游梁式抽油机节能应包括两个方面：一是从电动机本身考虑，就是提高电动机效率和负荷率，从而提高运行效率和功率因数。提高电动机效率的潜力不大，能提高几个百分点就很不容易而且是以提高电动机成本为代价的。因此，如果负荷率高于临界负荷率，只要并上适当的补偿电容器就达到节能的目的。二是从系统考虑，就是改变电动机的机械特性，使机、杆、泵整个系统达到较好的配合，提高系统效率。两者比较，后者的节能潜力比前者大得多。因此，后者应该是游梁式抽油机用电动机节能的主要研究方向。