功率隨動(dòng)數(shù)控拖動(dòng)裝置的應(yīng)用效果分析

孫曉麗（大慶油田有限責(zé)任公司第七采油廠）

功率隨動(dòng)數(shù)控拖動(dòng)裝置的應(yīng)用效果分析

孫曉麗（大慶油田有限責(zé)任公司第七采油廠）

功率隨動(dòng)數(shù)控拖動(dòng)裝置屬于變頻控制技術(shù)的一種，該裝置是通過跟蹤監(jiān)測抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載變化規(guī)律，合理優(yōu)化調(diào)整電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使電動(dòng)機(jī)始終處于低轉(zhuǎn)速高功率、高轉(zhuǎn)速低功率的狀態(tài)下運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行軌跡和抽油機(jī)的井下功況更加合理，最終達(dá)到降低抽油機(jī)舉升能耗，消除電動(dòng)機(jī)發(fā)電狀態(tài)，降低電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，改善深井泵工作狀態(tài)。結(jié)合該裝置的技術(shù)特點(diǎn)及現(xiàn)場應(yīng)用情況，從裝置的運(yùn)行特性、應(yīng)用效果進(jìn)行了詳細(xì)的分析，為變頻控制技術(shù)在油田上的進(jìn)一步推廣提供參考。

變頻 電動(dòng)機(jī) 負(fù)載 控制

抽油機(jī)運(yùn)行過程中存在兩種狀態(tài)，一是電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械設(shè)備運(yùn)動(dòng)，抽油機(jī)從電網(wǎng)吸收電能；二是由于抽油機(jī)平衡塊的勢能釋放，使機(jī)械設(shè)備帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)，抽油機(jī)向電網(wǎng)傳導(dǎo)電能。隨著變頻控制技術(shù)的迅速發(fā)展，抽油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)得到了較好的改善。變頻控制技術(shù)是集信息、自控、計(jì)算機(jī)、調(diào)速、傳感器等技術(shù)為一體的電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)，該技術(shù)主要是通過監(jiān)測電動(dòng)機(jī)的負(fù)載變化規(guī)律，對(duì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行過程實(shí)現(xiàn)模糊控制，使電動(dòng)機(jī)始終保持最佳狀態(tài)下運(yùn)行，有效的降低電動(dòng)機(jī)的功率損耗，消除了電動(dòng)機(jī)的發(fā)電狀態(tài)。同時(shí)，變頻控制技術(shù)具有軟啟動(dòng)功能，完全可以解決抽油機(jī)的“大馬拉小車”問題，使抽油機(jī)井的設(shè)備選型更加合理。功率隨動(dòng)數(shù)控拖動(dòng)裝置即屬于變頻控制技術(shù)的一種。

1 技術(shù)特性分析

功率隨動(dòng)數(shù)控拖動(dòng)裝置結(jié)合抽油機(jī)負(fù)荷變化的周期性特點(diǎn)，對(duì)抽油機(jī)上一個(gè)沖程周期內(nèi)，電動(dòng)機(jī)的輸出功率和轉(zhuǎn)矩的分布情況進(jìn)行時(shí)時(shí)監(jiān)測，將監(jiān)測結(jié)果作為抽油機(jī)下一個(gè)沖程周期的預(yù)期性參考值。由于抽油機(jī)井在實(shí)際生產(chǎn)過程中，可能出現(xiàn)負(fù)荷突變的情況，此時(shí)如果嚴(yán)格按照參考值執(zhí)行，并不完全符合抽油機(jī)下一個(gè)沖程周期內(nèi)的實(shí)際工況需求。因此預(yù)設(shè)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不能是強(qiáng)制性的，必須在一定范圍內(nèi)具有自動(dòng)調(diào)整的能力。考慮到抽油機(jī)在運(yùn)行過程中，由于曲柄的旋轉(zhuǎn)速度決定著懸點(diǎn)的直線運(yùn)動(dòng)速度，懸點(diǎn)直線運(yùn)動(dòng)速度的變化，又直接決定著桿柱的強(qiáng)度負(fù)荷與疲勞負(fù)荷，以及井下抽油泵的綜合運(yùn)行效果。因此通過逆向推導(dǎo)，可以導(dǎo)出懸點(diǎn)直線運(yùn)動(dòng)速度的分布需求，進(jìn)而導(dǎo)出電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制的邊界條件和優(yōu)化方向。

當(dāng)電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)發(fā)電狀態(tài)時(shí)，功率隨動(dòng)數(shù)控拖動(dòng)裝置是通過提高電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，讓旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速大于或等于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，在消除電動(dòng)機(jī)發(fā)電狀態(tài)，降低電動(dòng)機(jī)無功損耗的同時(shí)，借助抽油機(jī)平衡塊的慣性作用，降低抽油機(jī)負(fù)載對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的需求。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的跟蹤調(diào)整，就是根據(jù)抽油機(jī)負(fù)載的變化需求，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的按需分配，已達(dá)到降低電動(dòng)機(jī)功率損耗的目的。

功率隨動(dòng)數(shù)控拖動(dòng)裝置的優(yōu)化過程，還需要根據(jù)油井以往的生產(chǎn)參數(shù)，包括產(chǎn)量、液面、沖速等，在保持或接近原井沖速的前提下，對(duì)抽油機(jī)每一個(gè)沖程周期內(nèi)，上下行程的速度進(jìn)行重新分配，通過延長抽油機(jī)下行程時(shí)間、縮短上行程時(shí)間，來改變深井泵的運(yùn)行狀況，提高深井泵的充滿度，減少深井泵的漏失量。

功率隨動(dòng)數(shù)控拖動(dòng)裝置同時(shí)具有軟啟動(dòng)功能，通過逐漸增加電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)速，使電流緩慢上升，最終達(dá)到電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)所需的轉(zhuǎn)矩，從而消減了電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)峰值電流，降低了電動(dòng)機(jī)的裝機(jī)功率，提高電動(dòng)機(jī)功率利用率，解決了抽油機(jī)“大馬拉小車”的問題。

2 應(yīng)用效果分析

2.1 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速跟蹤調(diào)整效果

以1#井為例：圖1為該井工頻50H z狀態(tài)下，測試一個(gè)沖程周期內(nèi)的功率、電流和電壓變化曲線。該井平均有功功率為2.84 k W，平均負(fù)功（發(fā)電狀態(tài)）為0.32k W，平均無功功率為14.30k v a r，平均電流為30.84 A，平均電壓222V。

圖2為1#井變頻狀態(tài)下，測試電動(dòng)機(jī)輸入端一個(gè)沖程周期內(nèi)的功率、電流和電壓變化曲線。該井平均有功功率2.01k W，平均負(fù)功為0，平均無功功率為7.56k v a r，平均電流為17.91A，平均電壓154 V，最大輸出頻率108.3H z，最小輸出頻率13.3H z，平均輸出頻率為53.9H z。從測試數(shù)據(jù)和曲線看，功率隨動(dòng)數(shù)控拖動(dòng)裝置使電動(dòng)機(jī)的輸入電壓發(fā)生變化，由于電壓與頻率成正比關(guān)系，證明了該裝置能夠通過自動(dòng)調(diào)整電動(dòng)機(jī)的輸入頻率，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)功率的跟蹤控制。

圖3為1#井變頻狀態(tài)下，測試控制箱輸入端一個(gè)沖程周期內(nèi)的功率、電流和電壓變化曲線。從測試數(shù)據(jù)看，該井平均有功功率為2.26k W，平均無功功率為2.41 k v a r，平均電流為4.84 A，平均電壓227V。與工頻狀態(tài)下對(duì)比，有功節(jié)電率20.4%，負(fù)功消除，無功節(jié)電率83.1%，綜合節(jié)電率28.7%。

2.2 抽油機(jī)上下行程速度調(diào)整效果

以2#井為例：圖4為該井工頻和變頻狀態(tài)下，測試一個(gè)沖程周期內(nèi)的功率變化曲線。工頻狀態(tài)下，平均沖速為4.46min-1，下行程時(shí)間為6.84 s，上行程時(shí)間為6.60s，上下行程的時(shí)間基本相同；變頻狀態(tài)下，平均沖速為2.99min-1，下行程時(shí)間為11.15s，上行程時(shí)間為8.88s。

圖5為2#井工頻與變頻狀態(tài)下測試示功圖。工頻狀態(tài)下，理論排量為12.1t/d，日產(chǎn)液2.4 t，泵效20%；變頻狀態(tài)下，理論排量為13.7t/d，日產(chǎn)液3.1 t，泵效23%。通過數(shù)據(jù)對(duì)比，2#井變頻狀態(tài)下的泵理論排量、日產(chǎn)液、泵效均有不同程度的提高，示功圖的充滿度明顯提高。

2.3 軟啟動(dòng)效果

以3#井為例：圖6為工頻和變頻狀態(tài)下，測試30s的電壓、電流和功率變化曲線。工頻運(yùn)行時(shí)，三相電流的啟動(dòng)峰值分別為181.0 A、190.3 A、212.8A，有功功率峰值為53.11 k W；變頻運(yùn)行時(shí)，三相電流的啟動(dòng)峰值分別降到17.21 A、19.18A、20.50A，分別低于工頻狀態(tài)下啟動(dòng)電流峰值的10.5倍、9.9倍、10.4倍，有功功率峰值降到8.77k W，低于工頻狀態(tài)下啟動(dòng)功率峰值的6.1倍。從測試曲線看，變頻狀態(tài)下，電流和功率值均從0開始逐漸增加，直到電動(dòng)機(jī)可以正常拖動(dòng)負(fù)載運(yùn)行的狀態(tài)后，電流和功率變化曲線趨于穩(wěn)定。

3 技術(shù)適應(yīng)性分析

對(duì)22口試驗(yàn)井的地面設(shè)備組合情況進(jìn)行了調(diào)查，功率隨動(dòng)數(shù)控拖動(dòng)裝置與常規(guī)抽油機(jī)組合的效果較為明顯，有功節(jié)電率均超過了22%；與節(jié)能抽油機(jī)組合后，應(yīng)用低速電動(dòng)機(jī)、普通電動(dòng)機(jī)的匹配效果較為明顯，有功節(jié)電率均超過24%；與高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)的匹配相對(duì)較差，有功節(jié)電率在14%~19%，見表1。

4 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

1）變頻器控制技術(shù)可以在不改變抽油機(jī)原有四連桿機(jī)構(gòu)的情況下，結(jié)合抽油機(jī)負(fù)載的變換規(guī)律，跟蹤調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到降低電動(dòng)機(jī)的功率損耗，消除電動(dòng)機(jī)的發(fā)電狀態(tài)，消減電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流峰值，改善抽油機(jī)深井泵的工作狀態(tài)，提高泵效的目的。

表1 抽油機(jī)地面設(shè)備匹配情況對(duì)比

2）變頻器控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)的柔性啟動(dòng)，減輕地面?zhèn)鲃?dòng)裝置和井下桿柱的磨損，延長油井的免修期，提高設(shè)備的使用壽命。

10.3969/j.i ssn.2095-1493.2012.011.006

孫曉麗，2008年畢業(yè)于西安石油大學(xué)，從事采油工作，E-mail：chenxiaojie@petrochina.com，地址：黑龍江省大慶市大同區(qū)第七采油廠工程技術(shù)大隊(duì)，163517。

2012-08-09）