油田生產系統(tǒng)應用變頻技術節(jié)能效果分析

蔡 婷，王 紅

河南石油勘探局水電廠，河南 南陽 473132

目前，河南油田已經處于原油高含水開發(fā)后期，含水量已經達到90%以上，開采過程中使用大量抽液抽氣、注水注氣、油水輸送等設備，用于動力的電能達到50%以上，應用變頻調速技術實施節(jié)能的潛力非常大，變頻技術在原油生產系統(tǒng)中的節(jié)能應用有非常廣闊的發(fā)展前景。本文就變頻調速器在油田部分單位的生產應用效果進行簡要分析。

1 變頻調速器的節(jié)能原理

變頻調速器的節(jié)能原理如下：

變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。通過改變電動機的工作頻率，來控制電動機的轉速，使轉速在我們希望的使用范圍內運行。

電機的轉速n 與供電頻率f 有以下關系：

其中，q為電機極數(shù)，s為轉差率

可以看出，轉速n 與頻率f 成正比，如果不改變電動機的極數(shù)（設備投入生產后一般也不容易改變），只要改變頻率 f 就可以改變電動機的轉速，當頻率 f 在0～50Hz 的范圍內變化時，電動機轉速調節(jié)范圍非常寬。所以變頻器就是通過改變電動機電源頻率實現(xiàn)速度調節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調速手段。變頻器的幾種節(jié)能方式：

1）變頻節(jié)能：為了保證生產的可靠性，各種生產設備在設計配用動力時，都留有一定的富余量。電動機不可能在滿負荷下運行，除了滿足動力要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成電能的浪費，在壓力偏高或偏低時，根據(jù)實際情況實施閉環(huán)、開環(huán)調節(jié)，降低或提高電機的運行速度，使其在恒壓的同時節(jié)約電能；

2）動態(tài)調整節(jié)能：迅速適應負載變動，供給最大效率電壓。變頻調速器在軟件上設有 5000次/s的測控輸出功能，保持電機的輸出始終在高效率狀態(tài)下運行。對于經常發(fā)生負載變化的如過山車、抽油機、分壓供水等方面很有意義；

3）變頻自帶軟啟動節(jié)能：在電機直接硬啟動時，由于電機的啟動力矩需要，要從電網吸收 7倍左右的電機額定電流，而大的啟動電流即浪費電力，對電網的電壓波動影響也大，也增加了線損和變損。采用軟啟動后，啟動電流可以從0至電機額定電流 逐步上升，減少了啟動電流對電網的沖擊，節(jié)約了電費，也減少了啟動慣性對設備的大慣量的轉速沖擊，延長了設備的使用壽命；

4）可以提高功率因數(shù)節(jié)能：電動機由定子繞組和轉子繞組通過電磁作用而產生力矩。繞組由于其感抗作用。對區(qū)域電網而言，電機在運行時吸收大量的無功功率，造成功率因數(shù)低。采用變頻節(jié)能調速器后，由于其性能已變?yōu)椋?AC-DC-AC，在整流濾波后，負載特性發(fā)生了變化。變頻調速器對電網的阻抗特性呈阻性，功率因數(shù)升高，減少了無功損耗。

2 變頻調速器在河南油田機械采油、注水系統(tǒng)、輸油系統(tǒng)中的使用情況

目前在河南油田的采油一廠、采油二廠等生產單位中的抽油機、輸油泵、鍋爐給水泵、注水泵、污水泵等的應用，其節(jié)能效果一般都能達到20%甚至更多。

變頻器的應用雖然節(jié)能效果比較明顯，但是隨著通用變頻器應用范圍的擴大，暴露出來的問題也越來越多，主要有以下幾方面：

1）諧波問題。變頻器輸出電壓中含有除基波以外的其它諧波，較低次諧波通常對電動機負載影響較大，引起轉矩脈動，而較高的諧波又使變頻器輸出電纜的漏電流增加，使電動機出力不足，另外諧波會對供電電源系統(tǒng)產生電力污染，會影響電網系統(tǒng)中其它設備的正常使用。因此變頻器輸出的高低次諧波都必須抑制；

2）變頻器負載匹配問題。主要考慮電流、電壓和轉矩幾個方面的匹配。電流匹配要求變頻器的額定電流與電機的額定電流相符，對于特殊的負載則要參考電機性能參數(shù)，以最大電流確定變頻器電流。電壓匹配要求變頻器的額定電壓與負載的額定電壓相符。轉矩匹配主要針對生產機械的種類繁多，性能和工藝要求各異，其轉矩特性也是復雜的，大體分為3種類型：恒轉矩負載、風機泵類負載和恒功率負載。針對不同的負載類型，應選擇不同類型的變頻器；

3）發(fā)熱問題。變頻器的發(fā)熱是由內部的損耗產生的。在變頻器中各部分損耗中主要以主電路為主，約占98%，控制電路占2%。為了保證變頻器正常可靠運行，必須對變頻器進行散熱，環(huán)境溫度以控制在0℃～40℃為宜；

4）適用性問題。目前我油田采油二廠主要采用稠油熱采技術，把蒸汽注入到一口或多口井中，將生產井的稠油采出，因為是蒸汽吞吐，周期開采，這樣就造成開采負荷變化大，抽油機比較適合采用變頻調節(jié)器進行節(jié)能控制。

3 應用變頻技術的建議

變頻調速器在河南油田中的應用主要集中在抽油機、輸油泵、注水泵、污水泵等方面。在油田注水、油氣集輸、污水抽排、恒壓供水等方面其應用技術已經比較成熟。但是變頻調速器在“磕頭機” 也就是游梁式抽油機和電潛泵控制中的應用還有待進一步發(fā)展和提高。

3.1 變頻器選型

針對以上問題，應用過程中選用變頻器首先要搞清電動機所帶負載的性質。不同負載類型，選不同類型的變頻器。并且兩者功率要相互匹配。這樣不僅可以節(jié)約投資，使投資回收期更短，而且有更好的節(jié)能效果。且良好的選型是保證變頻器長周期安全運行的前提。

3.2 相適應的工作環(huán)境

變頻器的安裝環(huán)境對其使用壽命來說有著極大影響，變頻器要有良好的運行工作環(huán)境，變頻器對環(huán)境的要求主要是溫度、粉塵和濕度，環(huán)境運行溫度一般要求+5 ℃ ～ +40℃，就我油田情況而言建議工作環(huán)境最低不低于-10℃，最高不要超過 55℃。同時要有合適的防塵和防潮措施，以增加設備使用可靠性、延長變頻器的壽命。

3.3 采用自動閉環(huán)調整

目前我油田應用的變頻器有許多采用開環(huán)控制，人為地根據(jù)設備工作負荷調節(jié)工作頻率，這樣勢必不能最大限度地發(fā)揮變頻器的作用，影響變頻器的節(jié)能效果。如果能夠根據(jù)實際情況確定相對固定參數(shù)，實行閉環(huán)自動調整將是最理想的方式。

4 結論

總之，變頻調速技術作為高新技術、基礎技術和節(jié)能技術，其應用已滲透到油田行業(yè)的各個部門和單位。由于在輸水泵、輸油泵等改造方面，其應用技術已經很成熟，應用也十分普遍，如能不斷總結提高、推廣應用、擴大戰(zhàn)果將對河南油田經濟的發(fā)展起到了促進作用，為創(chuàng)造節(jié)約型社會立下汗馬功勞。

[1]呂汀，石紅梅.變頻技術原理與應用[M].機械工業(yè)出版社，2004.

[2]姚錫祿.變頻器控制技術入門與應用實例[M].中國電力出版社，2009.