變頻調(diào)速技術(shù)在抽油機(jī)井的應(yīng)用

摘要：在稠油、供液能力較差間出的抽油機(jī)井上，利用動(dòng)態(tài)節(jié)能控制裝置替代原來的普通電動(dòng)機(jī)控制箱，通過變頻調(diào)速，降低抽油機(jī)沖次，提高抽油泵效率，避免抽油機(jī)空抽現(xiàn)象，實(shí)行軟啟動(dòng)，提高電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)，達(dá)到節(jié)電的目的。

關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速；抽油機(jī)；節(jié)能應(yīng)用

一、引言

油田開發(fā)后期，抽油機(jī)采油是原油開采的主要生產(chǎn)方式。我們常用的抽油機(jī)通常是由交流異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的，電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)抽油機(jī)再帶動(dòng)抽油桿及其底部連接的活塞，使活塞在油管下部的泵筒中做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而把原油液提升到地面。由此可以看出，抽油機(jī)是一種峰谷性負(fù)荷，當(dāng)抽油機(jī)上行即抽油桿向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)抽油機(jī)帶動(dòng)抽油桿向上運(yùn)動(dòng)，把原油液提升到地面，此時(shí)電動(dòng)機(jī)的出力大、電流大、負(fù)荷重；當(dāng)抽油機(jī)下行即抽油桿向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，抽油機(jī)由電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)加上抽油桿等的重力帶動(dòng)抽油機(jī)運(yùn)行，此時(shí)電動(dòng)機(jī)的出力小、電流小、負(fù)荷輕。抽油機(jī)運(yùn)行一個(gè)沖程（上行、下行連續(xù)運(yùn)行各一次即一個(gè)周期）內(nèi)，電動(dòng)機(jī)的電流將會(huì)出現(xiàn)峰值和谷值。

抽油機(jī)一般情況下是24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行不停地生產(chǎn)，并且沖次（抽油機(jī)每分鐘運(yùn)行的沖程數(shù)）是固定的。然而，井下油層的情況是復(fù)雜的，每一口油井的情況不盡相同，有稀油井、有稠油井、有供液能力好的井、也有供液能力差的井。供液能力好的稀油井，每天所采出的液量比較穩(wěn)定，電動(dòng)機(jī)不會(huì)出現(xiàn)做無(wú)用功的現(xiàn)象，其耗電量也相對(duì)固定；供液能力差或稠油的井，有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)原油液充不滿泵筒，造成抽油泵效率降低抽出的液量減少，嚴(yán)重時(shí)會(huì)無(wú)泵效抽不出原油液來，這時(shí)，電動(dòng)機(jī)就會(huì)出現(xiàn)做無(wú)用功的現(xiàn)象，功率因數(shù)也會(huì)降低，白白地浪費(fèi)電能。針對(duì)這種情況，我們引用變頻調(diào)速技術(shù)，對(duì)電動(dòng)機(jī)供電頻率進(jìn)行調(diào)整，使抽油機(jī)的沖次降低到供液能力跟得上采出速度，每一個(gè)沖程都能夠采出原油液，保證抽油泵效率、提高電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)，避免電動(dòng)機(jī)做無(wú)用功，減少電能的浪費(fèi)。

二、工作原理

在供液能力較差的抽油機(jī)井上，利用動(dòng)態(tài)節(jié)能控制裝置替代原來的普通電動(dòng)機(jī)控制箱，其結(jié)構(gòu)如圖所示，由變頻器、單片機(jī)微控中心、電動(dòng)機(jī)控制器等，以及安裝在抽油機(jī)光桿方卡子上的載荷儀組成。

在動(dòng)態(tài)節(jié)能控制裝置面板上，可通過鍵盤對(duì)頻率、電流、抽油機(jī)載荷等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，這些參數(shù)需要根據(jù)抽油機(jī)運(yùn)行在正常產(chǎn)液狀態(tài)下一個(gè)沖程的實(shí)際數(shù)值來確定。動(dòng)態(tài)節(jié)能控制裝置的頻率調(diào)整在工頻和最低頻率之間分成多段運(yùn)行。

抽油機(jī)運(yùn)行時(shí)，安裝在抽油機(jī)光桿方卡子上的載荷儀，將采集到的載荷數(shù)據(jù)傳送到微控中心，微控中心從一個(gè)沖程中抽取最大值與設(shè)定的載荷值進(jìn)行對(duì)比，如果最大值不小于設(shè)定值，則電動(dòng)機(jī)保持工頻狀態(tài)運(yùn)行，抽油機(jī)沖次不變；如果最大值小于設(shè)定值，電流也同時(shí)小于設(shè)定值，則說明井筒里的液面下降，供液能力變差，這時(shí)，微控中心向變頻器發(fā)送調(diào)頻指令緩慢下調(diào)頻率，降低電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，減小抽油機(jī)沖次，使井筒中的液面慢慢回升；頻率下調(diào)至最小設(shè)定值時(shí)，電動(dòng)機(jī)保持最低轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，抽油機(jī)運(yùn)行在最小沖次。供液能力恢復(fù)后，負(fù)荷增加，載荷值上升，電動(dòng)機(jī)電流上升，這時(shí)，微控中心通過與設(shè)定的最小值對(duì)比后向變頻器發(fā)送調(diào)頻指令緩慢上調(diào)頻率，逐漸提高電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，增大抽油機(jī)沖次，使抽油機(jī)采出液量增加，當(dāng)載荷值接近等于設(shè)定的最大值時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行。通過調(diào)節(jié)頻率的大小，改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、抽油機(jī)沖次，使抽油機(jī)運(yùn)行時(shí)的每一個(gè)沖程都?jí)虿沙鲈鸵簛怼?/p>

三、效果分析

（一）調(diào)速節(jié)能

一般泵類負(fù)荷，其耗電功率P與轉(zhuǎn)速N的三次方近似成正比，當(dāng)調(diào)整轉(zhuǎn)速N滿足一定生產(chǎn)要求時(shí)，耗電功率可成比例變化。例如：一臺(tái)水泵電動(dòng)機(jī)功率為55kW，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的4/5時(shí)，其耗電量為28.16KW，省電48.8%，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的1/2時(shí)，其耗電量為6.875KW，省電87.5%。

電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速n=60f/p，從公式可以看出，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速N與電源頻率f和磁極對(duì)數(shù)有關(guān)，而一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)是固定的，那么電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨電源頻率的改變而改變。在抽油機(jī)運(yùn)行中，供液能力變差后負(fù)荷下降，動(dòng)態(tài)節(jié)能控制裝置自動(dòng)適應(yīng)載荷，對(duì)頻率進(jìn)行下調(diào)，降低電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，減少耗電功率，同時(shí)避免了做無(wú)用功的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能。

（二）無(wú)功補(bǔ)償節(jié)能

無(wú)功功率不但增加線損和設(shè)備的發(fā)熱，更主要的是功率因數(shù)的降低導(dǎo)致電網(wǎng)有功功率的降低，大量的無(wú)功電能消耗在線路當(dāng)中，設(shè)備使用效率低下，浪費(fèi)嚴(yán)重。由于抽油機(jī)是一種峰谷性負(fù)荷，功率因數(shù)一般在0.5左右。動(dòng)態(tài)節(jié)能控制裝置安裝有變頻器，變頻器內(nèi)部有濾波電容，具有功率因數(shù)補(bǔ)償功能，因此，動(dòng)態(tài)節(jié)能控制裝置可取代原有的控制箱啟動(dòng)器、電容補(bǔ)償器，使系統(tǒng)趨向一體化，保證電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)COSφ在0.95以上，從而減小設(shè)備損耗，減小線路損耗，改善了電網(wǎng)，增加了裝機(jī)容量，達(dá)到了節(jié)能目的。

（三）軟啟動(dòng)節(jié)能

抽油機(jī)使用的電動(dòng)機(jī)一般都是三角型接法，且?guī)ж?fù)荷直接啟動(dòng)，啟動(dòng)電流等于（3-7）倍的額定電流，對(duì)電動(dòng)機(jī)和供電電網(wǎng)造成很大的沖擊，導(dǎo)致對(duì)電網(wǎng)容量要求過高，而且啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的大電流和震動(dòng)對(duì)設(shè)備極為不利；采用動(dòng)態(tài)節(jié)能控制裝置的軟啟動(dòng)功能，使啟動(dòng)電流從零開始，最大值也不超過額定電流，減輕了對(duì)電網(wǎng)的沖擊和對(duì)供電容量的要求，達(dá)到了節(jié)能的目的，同時(shí)，能延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命及維修周期，減少設(shè)備維修費(fèi)用。

四、應(yīng)用實(shí)例

采油二廠結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，選擇五口稠油、間出的抽油機(jī)井，安裝了動(dòng)態(tài)節(jié)能控制裝置，并對(duì)安裝前后的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比（見表），節(jié)電效果明顯，日節(jié)電量最多的一口井達(dá)245千瓦時(shí)。

五、結(jié)論

在油田開采生產(chǎn)中，針對(duì)稠油、供液能力差的間出抽油機(jī)井，利用變頻調(diào)速技術(shù)，降低抽油機(jī)的沖次，提高了抽油泵效率，避免了電動(dòng)機(jī)做無(wú)用功的現(xiàn)象，節(jié)能效果顯著，同時(shí)，延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命及維修周期，減少設(shè)備維修費(fèi)用，為油田企業(yè)降本增效發(fā)揮積極的作用。

作者簡(jiǎn)介：劉傳江 1964年，本科，中原油田分公司采油二廠工程師。