變頻調(diào)速技術(shù)是目前世界公認的電機節(jié)電技術(shù)之一，具有調(diào)速范圍寬、調(diào)速精度高、動態(tài)響應(yīng)快、運行效率高、系統(tǒng)功率因數(shù)高、操作方便等一系列優(yōu)點，也成為當(dāng)今改造傳統(tǒng)工業(yè)、改善工藝流程、提高生產(chǎn)過程自動化水平、提高產(chǎn)品質(zhì)量、推動技術(shù)進步的主要手段之一。在石油行業(yè)中，變頻器廣泛應(yīng)用于風(fēng)機、注水泵、壓縮機、輸油泵、抽油機、潛油電泵和石油鉆機等。
1、游梁式抽油機
目前，在油田采用的抽油設(shè)備中，以游梁式抽油機最為普遍，數(shù)量也最多。
一方面，游梁式抽油機運動為反復(fù)上下提升，一個沖程提升一次，其動力來自電動機帶動的兩個重量相當(dāng)大的鋼質(zhì)滑塊，當(dāng)滑塊提升時，類似杠桿作用，將采油機桿送入井中；滑塊下降時，采油桿提出帶油至井口。由于電動機轉(zhuǎn)速一定，滑塊下降過程中，負荷減輕，電動機拖動產(chǎn)生的能量無法被負載吸收。另一方面，游梁式抽油機引入兩個大質(zhì)量的鋼質(zhì)滑塊，導(dǎo)致抽油機的起動沖擊大等問題。
除上述兩方面問題外，油田采油的特殊地理環(huán)境決定了采油設(shè)備有其獨特的運行特點：在油井開采前期儲油量大，供液足，為提高功效可采用工頻運行，保證較高產(chǎn)油量；在中后期，由于石油儲量減少，易造成供液不足，電動機若仍工頻運行，勢必浪費電能，造成不必要損耗，這時須考慮實際工作情況，適當(dāng)降低電動機轉(zhuǎn)速，減少沖程，有效提高充盈率。
目前，對游梁式抽油機的交流變頻調(diào)速技術(shù)改造主要有以下3個方面：
(1) 以提高電網(wǎng)質(zhì)量、減小對電網(wǎng)影響為目標的變頻改造。這主要集中在供電企業(yè)對電網(wǎng)質(zhì)量要求較高的場合，為避免電網(wǎng)質(zhì)量的下降，需引入變頻控制，其主要目的就是減小抽油機工作過程對電網(wǎng)的影響。
(2) 以節(jié)能為目的變頻改造。這點較為普遍，一方面，油田抽油機為克服大的起動轉(zhuǎn)矩，采用的電動機遠遠大于實際所需功率，工作時電動機利用率一般為20%～30%，最高不會超過50%，電動機常處于輕載狀態(tài)，造成資源浪費。另一方面，抽油機工作情況的變化，取決于地底下的狀態(tài)，若電動機始終處于工頻運行，也會造成電能浪費。為了節(jié)能，提高電動機工作效率，需進行變頻改造。
(3) 改變采油桿上行和下行的速度，在一些情況下可以提高生產(chǎn)效率。
在實際應(yīng)用過程中出現(xiàn)了許多問題，主要集中在游梁式抽油機發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生能量的處理上。對于上述情況，采用普通變頻器加能耗制動單元和制動電阻可以實現(xiàn)，這是以消耗電能為代價的制動方式。對于上述情況，必須妥善處理電動機發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生的電能，將其反饋到電網(wǎng)或數(shù)臺抽油機變頻器構(gòu)成直流母線式，使這部分能量能得到充分的利用。
2、潛油電泵
油田中應(yīng)用較多的另一種采油設(shè)備是潛油電泵，它是井下工作的多級離心泵，同油管一起放入油井內(nèi)，地面電源通過變壓器、控制器和潛油電泵專用電纜將電能輸送給井下潛油電泵電動機，把油井中的液體輸送到地面。
由于潛油電泵在地下兩千多米的井底工作，環(huán)境非常惡劣（高溫、強腐蝕等），傳統(tǒng)供電方式工頻1140伏全壓，運行故障頻繁，維護成本高。一方面，潛油電泵在工頻啟動時，啟動電流大，電動機電纜壓降較大；線路分布參數(shù)的影響，使得啟動過程中反壓較高，容易損壞電纜和電機的絕緣性，影響使用壽命。潛油電泵損壞后提到地面上修理，僅工程費一項就達5萬元，價值10萬元的電纜平均提上放下5次就須更換，潛油電泵平均每10個月就須維修一次，維修費用約8萬元，成本較高。另一方面，潛油電泵在正常工作時，普遍存在著電動機負載率較低情況，“大馬拉小車”現(xiàn)象嚴重。負載率低導(dǎo)致電機功率因數(shù)較低。工頻工作時，始終在額定轉(zhuǎn)速下，如井下油量供不應(yīng)求，容易造成“死井”，則損失慘重。為解決該問題，潛油電泵應(yīng)能根據(jù)井下情況變化，調(diào)節(jié)抽油量。傳統(tǒng)調(diào)節(jié)方式是靠更換油嘴調(diào)節(jié)產(chǎn)量，既造成能量損失又不能精確控制，有時使得油泵長期額定轉(zhuǎn)速運行；有時使得油井出沙嚴重，設(shè)備壽命縮短，因而有必要引入交流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)油壓、調(diào)節(jié)產(chǎn)量。
3、注水泵
油田開發(fā)過程中地層能量不斷衰減，常用注水方式以保持地層能量，進行油田開發(fā)。一方面，注水壓力高低是決定油田合理開發(fā)和地面管線及設(shè)備狀態(tài)的重要參數(shù)?？紤]到后期開發(fā)注水井的增多，注水工藝設(shè)計和機電設(shè)備配置都比實際寬裕，加之地質(zhì)情況的變化，開關(guān)井?dāng)?shù)的增減，洗井及供水不足的影響，經(jīng)常引起注水壓力的波動，注水量不均勻、不穩(wěn)定。注水壓力控制難度大，也給油田生產(chǎn)和管理帶來諸多不便，因而要求油田注水壓力恒定。另一方面，由于儲油地層壓力及油氣水分布不斷發(fā)生變化，其數(shù)值很難準確預(yù)測和控制，考慮到油田開發(fā)中的需要，在工藝和機電設(shè)備配置上都按照油田最大可能需求設(shè)計，這點在注水系統(tǒng)設(shè)計中尤為突出。油田注水設(shè)備多采用高壓離心泵匹配高壓電動機，大功率系統(tǒng)運行常是“大馬拉小車”，效率低下。注水量和注水壓力用出口閥門手動調(diào)節(jié)，這種節(jié)流控制方式簡單但耗能。
目前變頻調(diào)速技術(shù)在注水系統(tǒng)中主要應(yīng)用在供水水源井潛油電泵、注水站注水泵、配水間增壓泵工藝中。應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，對注水設(shè)備的電動機轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，達到穩(wěn)壓、穩(wěn)流供注水。同時軟起軟停功能代替減壓啟動，使電動機起停平穩(wěn)，減少對電網(wǎng)和機械設(shè)備的沖擊，不會造成管網(wǎng)壓力、流量、流速劇烈變化，無需閥門節(jié)流，因此對防止汽蝕、水擊、喘振極為有利，可延長管網(wǎng)、泵、閥門維修周期和使用壽命。
4、油氣集輸
在油田生產(chǎn)中，與注水泵類似，輸油泵額定排量往往大于實際需要排量，出現(xiàn)“大馬拉小車”現(xiàn)象。一方面，如完全采用閥門調(diào)節(jié)輸油量，一旦油量變化較快，輸油閥門調(diào)節(jié)頻繁，增加了工作人員勞動強度且所需人員也較多。若閥門調(diào)節(jié)不當(dāng)，易造成被抽干或冒罐現(xiàn)象，泵出現(xiàn)干抽燒損，冒罐則造成原油白白浪費。另一方面，為保證輸出油量恒定，需保證管壓恒定，閥門開度直接影響到管壓。如使用變頻調(diào)速器，可徹底解決該問題。它通過減小電動機電源頻率實現(xiàn)降低電動機轉(zhuǎn)速。電動機帶動泵運行，轉(zhuǎn)速降低，對于柱塞泵，就是降低了柱塞運行頻率，減小泵實際排量；對于離心泵，降低了葉輪轉(zhuǎn)速，同樣降低泵排量。因此，當(dāng)需排量變化時，可通過調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率，達到控制排量的目的，保證管壓恒定。泵排量降低，電動機負荷也隨之減小，這樣電動機輸出功率亦減小，效率可大大提高，達到節(jié)能目的。
5、電驅(qū)鉆機
由于石油特殊行業(yè)背景，決定了石油鉆機有其本身特點。整個鉆井過程的復(fù)雜性決定了電動機電控系統(tǒng)的復(fù)雜性和多樣性。當(dāng)前常用機電傳動系統(tǒng)按其驅(qū)動電動機類型分為直流傳動和交流傳動兩大類，目前發(fā)展為SCR傳動系統(tǒng)和交流變頻傳動系統(tǒng)。SCR電傳動系統(tǒng)是柴油機驅(qū)動交流發(fā)電機，發(fā)電機發(fā)出的交流電通過SCR整流裝置，將交流電變換為可控的直流電控制直流電動機，由直流電動機驅(qū)動絞車、轉(zhuǎn)盤及泥漿泵等；交流變頻傳動系統(tǒng)是柴油機驅(qū)動交流發(fā)電機，發(fā)電機發(fā)出的交流電通過變頻裝置，將交流電變換為可大范圍調(diào)整頻率的交流電，控制交流變頻電動機，驅(qū)動絞車、轉(zhuǎn)盤及鉆井泵等。一方面，交流變頻電傳動鉆機的絞車、轉(zhuǎn)盤可實現(xiàn)無級調(diào)速，調(diào)速范圍寬，這樣不僅可去掉絞車、轉(zhuǎn)盤內(nèi)變速系統(tǒng)，且使絞車結(jié)構(gòu)簡化、重量減輕、體積縮小，為工程作業(yè)提供非常優(yōu)越的施工條件。另一方面，交流變頻電傳動鉆機可使電動機短時過載倍數(shù)達2倍以上，提高了鉆機提升和處理事故能力，尤其是在帶負載情況下，可平穩(wěn)啟動、制動和調(diào)速，具有軟啟動性能，可降低供電電源容量；可采用計算機自動控制技術(shù)，便于對現(xiàn)場情況的監(jiān)控和控制；對于交流變頻電傳動鉆機鉆井泵排量、沖數(shù)、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)數(shù)、扭矩等參數(shù)，可實現(xiàn)全數(shù)字顯示，實現(xiàn)鉆機的自動化、智能化和對外界變化的自適應(yīng)控制。
綜上所述，由于交流電動機自身優(yōu)點，使得交流變頻電驅(qū)動鉆機無需再配電磁輔助剎車、易實現(xiàn)自動送鉆，鉆機結(jié)構(gòu)簡單、效率高、易實現(xiàn)自動化等，自產(chǎn)生以來在國內(nèi)得到一定發(fā)展。但是，當(dāng)前情況下，各油田應(yīng)用的鉆機以直流驅(qū)動鉆機為主，且鉆機品種和質(zhì)量基本滿足了國內(nèi)不同地區(qū)、不同井深的需要，已有一批國產(chǎn)鉆機在國外承擔(dān)鉆井作業(yè)服務(wù)，并受到用戶好評。而在交流鉆機方面，僅有長慶石油勘探局ZJ15DB型鉆機、四川石油管理局ZJ40DBS鉆機等少量機型應(yīng)用了交流變頻電驅(qū)動系統(tǒng)，并在應(yīng)用過程中受到了鉆井隊工程技術(shù)人員和設(shè)備管理人員的好評。但其交流變頻功能并沒能完全開發(fā)，因而有廣泛的應(yīng)用前景。在國內(nèi)，交流鉆機正成為研究熱點，許多單位和科研院所將其作為重點開發(fā)產(chǎn)品。
總之，交流變頻調(diào)速技術(shù)作為高新技術(shù)、基礎(chǔ)技術(shù)和電動機控制技術(shù)，其應(yīng)用已滲透到石油行業(yè)各個技術(shù)部門。在游梁式抽油機控制、潛油電泵控制，電驅(qū)鉆機控制中的應(yīng)用還處于開始階段，在應(yīng)用中也出現(xiàn)了許多問題，有待進一步解決。只有充分考慮油田油井實際情況，才能促進交流變頻調(diào)速技術(shù)在采油設(shè)備中的應(yīng)用。在油田注水和油氣集輸中的應(yīng)用與生活中的恒壓供水類似，其應(yīng)用技術(shù)已成熟。
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