油井變頻能耗監測技術的現場試驗應用

熊慶生（大慶油田工程有限公司）

近幾年來，隨著油田節能降耗工作的迫切需要，油井變頻節能控制柜在油田生產中得到大量推廣應用[1，2]。由于傳統的能耗監測儀器設備只能在50Hz工作頻率下運行，缺乏必要的能在變頻條件下滿足現場測試要求的測試裝備和相關測試技術標準，油井變頻節能控制柜在油田應用過程中遇到的變頻柜損耗和變頻柜效率測試等問題也隨之而來，且關于解決這些問題的相關文獻和研究也較少。因此，引進應用先進的測試技術裝備，開展油田油井變頻控制柜節能監測技術的研究與應用工作，提高對油井變頻控制柜的應用認識，對推廣應用變頻節能技術、實現企業節能降耗具有非常重要的現實意義[3]。

1 油井變頻能耗監測技術的主要研究內容

利用具有高精度、寬頻帶特點的功率分析儀對機采系統油井變頻節能控制柜進行系統監測，主要監測油井變頻節能控制柜在不同工作頻率（主要選擇45、40、35、30、25Hz和20Hz等6個運行頻率點）的損耗情況；對采油廠油井最常用的兩種游梁式抽油機變頻拖動控制技術方案，即采用普通變頻器加能耗制動單元和變頻器加回饋單元控制方案分別進行測試評價；對同一臺油井變頻節能控制柜在50Hz運行頻率下工頻運行與變頻運行的損耗情況進行監測；進行應用測試分析，提出油井變頻節能控制柜優化運行技術方案。

通過引進高精度、寬頻帶功率分析儀（配400 W便攜式多功能移動電源），開展油井變頻節能控制柜不同工作條件下自身損耗量和工作效率的測試，計算油井變頻節能控制柜損耗，分析油井變頻節能控制柜對油井系統效率的影響，這不僅可對油井變頻節能控制柜性能和質量做出客觀評價，而且可通過測試掌握油井變頻節能控制柜不同頻率工作段實際損耗量的變化規律，便于制定油井變頻節能控制柜應用技術標準，為開展油井變頻節能技術推廣和節能監測提供技術指導。

2 功率分析儀的主要技術優勢

2.1 功能

1）可用于高效化變頻控制系統能耗的測試與評價：進行高精度、高穩定性且再現性良好的功率測量；進行電動機能效分析所需的電氣測量；可連接高精度扭矩表與編碼器測量電動機效率。

2）可用于變頻控制系統的維護：現場簡單地測量變頻器次級側的功率；可同時進行變頻器初級側與次級側的測量；測量變頻器的噪音。

3）可用于新能源的開發與評價：同時測量AC功率與DC功率；通過DC模式、RMS模式的電流與功率累積，測量受電、售電、消耗與再生功率；可將測量數據長期保存到大容量媒介中。

2.2 特點

1）對應各種電力線路測量。由于電壓輸入與電流輸入均配備有4個通道，并且所有通道均施以絕緣，因此可進行包括變頻器初級側與次級側同時測量等在內的多個系統的同時測量；可對應單相或三相4線的測量線路；可對應DC～變頻器的寬廣頻率范圍（基波0.5Hz～5kHz）。

2）高精度、寬頻帶。基本精度為±0.05%rdg±0.05%f.s.的高精度，帶寬為DC、0.5Hz～5kHz的寬頻帶；10kHz時，可測量±0.2%rdg±0.1%f.s.；100kHz時，可測量±1.52%rdg±0.5%f.s.，即使在變頻器載波頻帶內，也可以進行高精度的測量。

3）兼顧高速度數據處理與高精度。在保持高精度的狀態下，功率測量與諧波分析可按50ms速率進行數據更新；由于低頻率測量時也根據頻率自動進行數據更新，因此，無需進行從低轉數到高轉數的響應（數據更新速率）切換。

4）標準配備豐富的數據分析功能。可同時測量RMS、MEAN、AC成分、DC成分與基波；也可進行最多100次的諧波分析或最大100kHz的變頻器噪音分析（FFT分析）；可進行500kS/s的高速波型顯示；可利用X-Y圖功能進行多方面分析。

5）可同時測量諧波分析、噪音分析、累積功能與波形顯示等。

6）兼顧簡單的夾鉗測量與高精度的通貫型傳感器測量。可選擇20A～500A之間、AC型或AC/DC型各種電流傳感器；通過對應高精度貫通型電流傳感器，可高精度地測量大電流；因對應夾鉗型電流傳感器，可免除繁瑣的電流直接接線；由于電流輸入以傳感器來絕緣，因此，可大幅度減輕測量變頻器時的同相噪音的影響。

7）標準配備豐富的接口。標配高速100M Ethernet與USB2.0高速通訊接口；對應于高速數據通訊系統；前面板上標配U盤專用端口與CF卡插槽；可高速將數據保存在大容量媒介中。

8）備有遠程控制、數據獲取用PC應用軟件。如果利用PC應用軟件，并用LAN電纜或USB連接線連接本儀器與計算機，計算機則可從本儀器獲取數據，或由計算機對本儀器進行遠程操作；即使不安裝PC應用軟件，也可以利用HTTP服務器功能，通過瀏覽器進行同樣的操作。

9）防止接線錯誤的接線確認功能。復雜的三相接線也可以通過矢量顯示進行接線確認，以防止接線錯誤。

10）可對應多通道的多臺同步功能。連接副機的本儀器可在和主機時間或測量時序同步的狀態下測量并記錄數據；利用PC應用軟件，可在最多4臺本儀器取得同步的狀態下獲取與記錄數據。

11）備有電動機分析選件。如果輸入扭矩表的輸出與轉數，則可測量電動機輸出功率；扭矩輸入也對應于模擬DC輸出與頻率輸出型扭矩表；轉數輸入對應于模擬DC輸出與旋轉脈沖輸出；對應編碼器的Z相輸出，可進行以編碼器脈沖為基準的相位測量。

12）可波形輸出的D/A輸出選件。配備有16通道的D/A輸出，可對任意測量項目進行最多16項的模擬輸出；在波形輸出模式下，輸出500kHz的高速采樣電壓與電流波形，可將絕緣（安全）的電壓電流波形輸入到其他測量儀器中。

13）彩色液晶顯示，可連接溫度計（非接觸式）和打印機。

3 現場試驗及應用情況

功率分析儀屬于無源測試儀器，所以配置了400W便攜式多功能移動電源，可較好地滿足油井生產現場測試要求。2013年9月上旬和11月上旬，在采油6隊、14隊、16隊、18隊、11隊和采油1隊共選取了14口油井對油井變頻節能控制柜以及油井系統效率進行了系統監測。

采油6隊32-3186井和36-3175井油井變頻節能控制柜在不同工作頻率段的損耗測試數據分別見表1和表2。

采油18隊26-1423井和30-2443井油井變頻節能控制柜在不同工作頻率段的損耗測試數據分別見表3和表4。

表1 32-3186井變頻節能控制柜在不同工作頻率段的損耗測試數據

表2 36-3175井變頻節能控制柜在不同工作頻率段的損耗測試數據

從表1和表2可以看出，同一臺油井變頻節能控制柜運行頻率越高，油井變頻節能控制柜損耗越小，變頻器運行頻率在45Hz時變頻柜損耗最小，而運行在20Hz時變頻柜損耗最大。不同型號、不同生產廠家、采用不同控制技術方式的油井變頻柜在不同運行頻率下產生的變頻柜損耗變化規律是一致的。

另外，采用不同控制技術方式的油井變頻柜，其產生的變頻柜損耗在同一運行頻率點是不同的，采用能量回饋單元控制技術方式的變頻柜其損耗要明顯小于采用能耗制動單元控制技術方式的變頻柜。這是因為采用能耗制動單元控制技術方式的變頻柜將抽油機勢能轉化電能的能量以電阻散熱方式消耗掉，對節能不利，還會產生發熱、過熱問題，綜合表現為抽油機的代電系統的功率因數較低，對電網質量影響較大；而采用能量回饋單元控制技術方式的變頻柜啟動電流小、速度平穩、性能可靠、對電網沖擊小，可實現上下速度任意調節和閉環控制運行，用戶根據油井的液位、壓力確定抽油機的沖速、速度和產液量，可降低能耗，提高泵效，采用該技術還可以減少設備磨損，延長設備使用壽命，實現在最大節能狀態下的自動化運行。

表3 26-1423井變頻節能控制柜在不同工作頻率段的損耗測試數據

表4 30-2443井變頻節能控制柜在不同工作頻率段的損耗測試數據

對比表1和表3、表2和表4，采用同一控制技術方式的變頻柜不同生產廠家在同一運行頻率點運行，其損耗量存在明顯不同。這是因為不同生產廠家選用器件、生產安裝工藝、變頻器基準頻率設置以及采用的諧波抑制措施不同等諸多原因造成的。

同一臺油井變頻節能控制柜在50Hz運行頻率下，監測其工頻運行與變頻運行的損耗情況，測試數據見表5。

表5 40-206井同一臺變頻節能控制柜50Hz運行頻率下工頻與變頻損耗測試數據對比

從表5可以看出，同一臺油井變頻節能控制柜在50Hz運行頻率下，變頻運行模式下變頻柜損耗為3.79%，而工頻運行模式下變頻柜損耗為0.94%，同一頻率下相比前者多產生損耗2.85%。

表6為其他4臺油井變頻節能控制柜變頻運行條件下損耗測試數據。油井變頻節能控制柜對油井系統效率的影響見表7。

從表6可以看出，采用能量回饋單元控制技術方式的同型變頻器不同廠家生產的變頻柜，采油16隊和采油14隊4口井的在用4臺變頻柜實際運行損耗均在5%左右。

表7表明，在各變頻節能控制柜輸出端測試油井系統效率測試結果都明顯要高于輸入端的測試結果，這說明變頻節能控制柜存在著明顯的損耗，各種在用變頻柜其損耗量因運行頻率和生產產品質量的不同而不同，一般情況下其損耗在3%至6%之間。

表6 油井變頻節能控制柜變頻運行條件下損耗測試數據

表7 油井變頻節能控制柜對油井系統效率影響數據對比

4 綜合效益分析

4.1 測試效益

該技術不僅有效解決了油井變頻節能控制柜損耗測試，解決了一般功率測試分析儀器只能在50Hz工作頻率下運行，只能對變頻節能控制柜初級側進行功率測試分析，不能開展變頻節能控制柜自身損耗監測，不能滿足油井機采系統測試分析技術要求，而且還解決了野外施工作業測試工作需要的電源問題，具有可觀的測試效益。

4.2 節能效益

通過監測得出不同油井變頻節能控制柜的損耗率，分析產生能量損耗的原因，提出油井變頻節能控制柜優化運行措施，降低變頻節能控制柜的損耗，讓油井變頻節能控制柜在最大節能狀態下自動化運行，達到系統節能降耗的目的，每年具有可觀的節能效益。

4.3 提高油井系統效率

通過監測、優化、調整，再監測、再優化、再調整等措施，降低油井變頻節能控制柜損耗，實現每一臺油井變頻節能控制柜在最大節能狀態下的自動化運行，減少損耗2%～3%，則可提高油井系統效率2%～3%。

4.4 提升節能監測能力

該技術提升了采油廠測試技術能力，使原來只能測試600V以下工作電壓油井系統效率，延伸到可以進行1000V以下工作電壓油井系統效率的測試。

5 結論與建議

1）采用能量回饋單元控制技術方式的變頻柜其損耗要明顯小于采用能耗制動單元控制技術方式的變頻柜，建議油井選用采用能量回饋單元控制技術方式的變頻柜。

2）同一臺油井變頻柜運行頻率越高，油井變頻節能控制柜損耗越小，反之，則越大。不同型號、不同生產廠家、采用不同控制技術方式在不同運行頻率下產生的變頻柜損耗變化規律是一致的。根據油井生產需要，建議油井變頻節能控制柜在25Hz～40kHz之間運行，運行頻率過低或過大均不適合油井變頻節能控制柜節能經濟運行。

3）采用同一控制技術方式的變頻柜，不同生產廠家在同一運行頻率點運行，其損耗明顯不同。

4）同一臺油井變頻節能控制柜在50Hz運行頻率下，變頻運行模式的變頻柜損耗明顯比工頻運行方式下的損耗要大得多。建議變頻柜運行頻率大于45kHz的油井，改為工頻下運行。

5）加強油井變頻柜的優化運行管理，合理確定油井變頻柜的生產運行參數，開展變頻柜運行管理監督檢查，提升變頻柜運行質量，實現油井變頻節能控制柜在最大節能狀態下的自動化運行。

[1]朱益飛.高性能V/F控制變頻器在油井控制中的應用[J].變頻技術應用,2013(1):75-78.

[2]李巖,姚旭東,呂孟權.變頻器在油田抽油機上的應用[J].電氣時代,2004(4):80-82.

[3]程明,劉佳暢.淺談變頻技術在油田抽油機上的應用[J].變頻技術應用,2011,6(1):94-114.