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求變頻器應(yīng)用在油田磕頭機(jī)上的具體案例!

請具體說明在應(yīng)用過程中所解決的問題!: 問提問者：網(wǎng)友 | 2017-05-25

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三晶變頻器在油田磕頭機(jī)上的應(yīng)用一、前言進(jìn)入21世紀(jì)，變頻調(diào)速技術(shù)得益于其優(yōu)異的節(jié)能特性和調(diào)速特性，在我國油田中得到廣泛應(yīng)用，中國產(chǎn)值能耗是世界上最高的國家之一。要解決產(chǎn)品能耗問題，除其它相關(guān)的技術(shù)問題需要改進(jìn)外，變頻調(diào)速技術(shù)已成為節(jié)能及提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效措施。油田作為一個特殊行業(yè)，有其獨(dú)特的背景，油田中變頻器的應(yīng)用主要集中在游梁式抽油機(jī)控制、電潛泵控制、注水井控制和油氣集輸控制等幾個場合。游梁式抽油機(jī)俗稱“磕頭機(jī)”，是目前各個油田所普遍采用的抽油機(jī)，但是目前的抽油機(jī) 系統(tǒng)普遍存在著效率低、能耗大、沖程和沖次調(diào)節(jié)不方便等明顯的缺點(diǎn)。本文主要介紹SAJ變頻器在游梁式抽油機(jī)上的應(yīng)用。一、磕頭機(jī)的工作原理圖1 游梁式抽油機(jī)實(shí)物圖如圖1,游梁式抽油機(jī)實(shí)物圖所示,當(dāng)磕頭機(jī)工作時，驢頭懸點(diǎn)上作用的載荷是變化的。上沖程時，驢頭懸點(diǎn)需提起抽油桿柱和液柱，在抽油機(jī)未進(jìn)行平衡的條件下，電動機(jī)就要付出很大的能量。在下沖程時，抽油機(jī)桿柱轉(zhuǎn)而對電動機(jī)做功，使電動機(jī)處于發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。抽油機(jī)未進(jìn)行平衡時，上、下沖程的載荷極度不均勻，這樣將嚴(yán)重地影響抽油機(jī)的四連桿機(jī)構(gòu)、減速箱和電動機(jī)的效率和壽命，惡化抽油桿的工作條件，增加它的斷裂次數(shù)。為了消除這些缺點(diǎn)，一般在抽油機(jī)的游梁尾部或曲柄上或兩處都加上了平衡重，如圖1所示。這樣一來，在懸點(diǎn)下沖程時，要把平衡重從低處抬到高處，增加平衡重的位能。為了抬高平衡配重，除了依靠抽油桿柱下落所釋放的位能外，還要電動機(jī)付出部分能量。在上沖程時，平衡重由高處下落，把下沖程時儲存的位能釋放出來，幫助電動機(jī)提升抽油桿和液柱，減少了電動機(jī)在上沖程時所需給出的能量。目前使用較多的游梁式抽油機(jī)，都采用了加平衡配重的工作方式，因此在抽油機(jī)的一個工作循環(huán)中，有兩個電動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和兩個發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)平衡配重調(diào)節(jié)較好時，其發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的時間和產(chǎn)生的能量都較小。二、變頻器在抽油機(jī)的控制問題目前，在勝利油田采用的抽油設(shè)備中，以游梁式抽油機(jī)最為普遍，數(shù)量也最多。其數(shù)量達(dá)十萬臺以上。抽油機(jī)用電量約占油田總用電量的40%，運(yùn)行效率非常低，平均運(yùn)行效率只有25%，功率因數(shù)低，電能浪費(fèi)大。因此，抽油機(jī)節(jié)能潛力非常巨大，石油行業(yè)也是推廣“電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能”的重點(diǎn)行業(yè)。2.1 變頻器在抽油機(jī)的控制問題主要體現(xiàn)在如下幾個方面一方面是再生能量的處理問題,如圖2所示，游梁式抽油機(jī)運(yùn)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(jī)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(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速一定，滑塊下降過程中，負(fù)荷減輕，電動機(jī)拖動產(chǎn)生的能量無法被負(fù)載吸引，勢必會尋找能量消耗的渠道，導(dǎo)致電動機(jī)進(jìn)入再生發(fā)電狀態(tài)，將多余能量反饋到電網(wǎng)，引起主回路母線電壓升高，勢必會對整個電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，導(dǎo)致電網(wǎng)供電質(zhì)量下降，功率因數(shù)降低的危險(xiǎn);頻繁的高壓沖擊會損壞電動機(jī)，造成生產(chǎn)效率降低、維護(hù)量加大，極不利于抽油設(shè)備的節(jié)能降耗，給企業(yè)造成較大經(jīng)濟(jì)損失。圖2 常規(guī)曲柄平衡抽油機(jī) 另一方面是沖擊電流問題，如圖二所示游梁式抽油機(jī)是一種變形的四連桿機(jī)構(gòu)，其整機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)像一架天平，一端是抽油載荷，另一端是平衡配重載荷。對于支架來說，如果抽油載荷和平衡載荷形成的扭矩相等或變化一致，那么用很小的動力就可以使抽油機(jī)連續(xù)不間斷地工作。也就是說抽油機(jī)的節(jié)能技術(shù)取決于平衡的好壞。在平衡率為100%時電動機(jī)提供的動力僅用于提起1/2液柱重量和克服摩擦力等，平衡率越低，則需要電動機(jī)提供的動力越大。因?yàn)椋橛洼d荷是每時每刻都在變化的，而平衡配重不可能和抽油載荷作完全一致的變化，才使得游梁式抽油機(jī)的節(jié)能技術(shù)變得十分復(fù)雜。因此，可以說游梁式抽油機(jī)的節(jié)能技術(shù)就是平衡技術(shù)。對長慶油田幾十口油井的調(diào)查顯示，只有1~2口井的配重平衡較好，絕大部分抽油機(jī)的配重嚴(yán)重不平衡，其中有一半以上口井的配重偏小，另有幾口井配重又偏大，從而造成過大的沖擊電流，沖擊電流與工作電流之比最大可超過5倍，甚至超過額定電流的3倍。不僅無謂浪費(fèi)掉大量的電能，而且嚴(yán)重威脅到設(shè)備的安全。同時也給采用變頻器調(diào)速控制造成很大的困難:一般變頻器的容量是按電動機(jī)的額定功率來選配的，過大的沖擊電流會引起變頻器的過載保護(hù)動作而不能正常工作。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(dú)特的運(yùn)行特點(diǎn):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(yùn)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(jī)若仍工頻運(yùn)行，勢必浪費(fèi)電能，造成不必要損耗，這時須考慮實(shí)際工作情況，適當(dāng)降低電動機(jī)轉(zhuǎn)速，減少沖程，有效提高充盈率。2.2 游梁式抽油機(jī)的變頻改造主要有以下3個方面 (1) 大大提高了功率因數(shù)(可由原來的0.25~0.5提高到0.9以上)，大大減小了供電(視在)電流，從而減輕了電網(wǎng)及變壓器的負(fù)擔(dān)，降低了線損，可省去大量的“增容”開支.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(jī)工作過程對電網(wǎng)的影響。 (2) 以節(jié)能為第一目標(biāo)的變頻改造。這點(diǎn)較普遍，一方面，油田抽油機(jī)為克服大的起動轉(zhuǎn)矩，采用的電動機(jī)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際所需功率，工作時電動機(jī)利用率一般為 20%~30%，最高不會超過50%，電動機(jī)常處于輕載狀態(tài)，造成資源浪費(fèi)。另一方面，抽油機(jī)工作情況的連續(xù)變化，取決于地底下的狀態(tài)，若始終處于工頻運(yùn)行，也會造成電能浪費(fèi)。為了節(jié)能，提高電動機(jī)工作效率，需進(jìn)行變頻改造。 (3) 由于實(shí)現(xiàn)了真正的“軟起動”，對電動機(jī)、變速箱、抽油機(jī)都避免了過大的機(jī)械沖擊，大大延長了設(shè)備的使用壽命，減少了停產(chǎn)時間，提高了生產(chǎn)效率。以提高電網(wǎng)質(zhì)量和節(jié)能為目的的變頻改造。這種情況綜合了上面兩種改造的優(yōu)點(diǎn)，是應(yīng)用中的一個重要發(fā)展方向。三、抽油機(jī)的技術(shù)發(fā)展第一代:最先的抽油機(jī)主馬達(dá)主要是采用三相異步電機(jī)啟動，三相異步電動機(jī)啟動運(yùn)行缺點(diǎn)就是沒有調(diào)速功能，只能保持一個恒速，嚴(yán)重影響產(chǎn)油量。這種不帶保護(hù)的抽油機(jī)電機(jī)控制方式已經(jīng)退出了歷史舞臺。第二代:由于直流電動機(jī)的面世，也加快了直流電機(jī)在抽油機(jī)上的應(yīng)用，從而替代了異步電機(jī)的使用。采用直流調(diào)速的方法明顯的優(yōu)勝三相異步電機(jī)，產(chǎn)油量也高了許多;但直流電動機(jī)成本比較高，其調(diào)速性能也不是很理想。第三代:采用變級電機(jī)調(diào)速，就是改變電機(jī)極對數(shù)來達(dá)到調(diào)速的目的，常采用4/8/32極多速電機(jī)實(shí)現(xiàn)。但其裝置比較復(fù)雜，占用空間也比較大，設(shè)備壽命短，穩(wěn)定性不太好。第四代:變頻調(diào)速技術(shù)，由于變頻調(diào)速技術(shù)已成為節(jié)能及提高產(chǎn)品效益質(zhì)量的有效措施，油田中變頻器應(yīng)用在游梁式抽油機(jī)已經(jīng)非常廣泛。由于油井的類型和工況千差萬別，井下滲油和滲水量每時每刻都在變.抽油機(jī)的負(fù)載變化是無規(guī)律的，故采用變頻調(diào)速技術(shù)，使抽油機(jī)的運(yùn)動規(guī)律適應(yīng)油井的變化工況，實(shí)現(xiàn)抽油系統(tǒng)效率的提高，達(dá)到節(jié)能增產(chǎn)的目的。下面鐘對變頻器在油田嗑頭機(jī)中的應(yīng)用，例出幾個應(yīng)用方案做簡要論述。四、變頻技術(shù)在抽油機(jī)的應(yīng)用方案介紹4.1 變頻器加制動單元控制如下圖3所示:在變頻器主回路直流母線兩端加制動電阻和制動單元，由于抽油機(jī)起動時需要大力矩，上升段也需要大力矩，而在下降段電機(jī)處在發(fā)電狀態(tài)。最關(guān)建的就是下降段，這個過程是連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的，同時隨油的稠度，井深，產(chǎn)量調(diào)節(jié)往復(fù)運(yùn)動次數(shù)/MIN，導(dǎo)致電動機(jī)進(jìn)入再生發(fā)電狀態(tài)，將多余能量反饋到電網(wǎng)，引起主變頻器主回路直流母線電壓升高(此問題在文章第2節(jié)提到過)，而電能沒有流回電網(wǎng)的通路，必須用電阻來就地消耗，這就是我們在變頻器上必須使用制動單元和制動電阻的原因，現(xiàn)在大功率變頻器一般都可以定制動單元，完全可以達(dá)到理想中的控制效果。對于上述第一種情況，采用普通變頻器加能耗制動單元可較方便實(shí)現(xiàn)，這是以多耗電能為代價(jià)的，主要因?yàn)榘l(fā)電能量不能回饋電網(wǎng)造成。在未采用變頻器時，電動機(jī) 處于電動狀態(tài)時，從電網(wǎng)吸收電能;電動機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時，釋放能量，電能直接回饋電網(wǎng)的，并未在本地設(shè)備上耗費(fèi)掉。綜合表現(xiàn)為抽油機(jī)供電系統(tǒng)的功率因數(shù)較低，對電網(wǎng)質(zhì)量影響較大。圖3 變頻器加制動電阻4.2 變頻器加回饋單元控制由于在變頻器的直流上加制動電阻解決不了實(shí)際問題，因?yàn)橹苿与娮璧纳峤鉀Q不了，變頻控制柜殼的散熱都要解決何況發(fā)熱的電阻，變頻器發(fā)熱。接通制動電阻的開關(guān)管的壽命會在頻繁的長時間的開起過程中損壞。針對上述情況，為了回饋再生能量，提高效率，可以采用能量回饋裝置，將再生能量回饋電網(wǎng)，當(dāng)然這樣一來，系統(tǒng)就更復(fù)雜，投資也就更高了。所謂能量回饋裝置，其實(shí)就是一臺有源逆變器。按采用的功率開關(guān)器件的不同又可以分為晶閘管(SCR)有源逆變器及絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)逆變器兩種，它們的共同特點(diǎn)是可以將變頻器直流回路的電壓反饋到電網(wǎng)，如下圖4所示。加裝能量回饋單元的變頻器適用于交流50HZ，額定電壓380V的異步電動機(jī)和永磁同步電動機(jī)，實(shí)現(xiàn)軟起動，軟停車和調(diào)速運(yùn)行過程控制。具有起動電流小、速度平穩(wěn)、性能可靠、對電網(wǎng)沖擊小等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)上下速度任意調(diào)節(jié)和閉環(huán)控制運(yùn)行;用戶可根據(jù)油井的液位、壓力確定抽油機(jī)的沖機(jī)、速度和產(chǎn)液量，降耗節(jié)能，是高泵效;使設(shè)備減少磨損，延長使用壽命，高效節(jié)能低成本，實(shí)現(xiàn)在最大節(jié)能狀態(tài)下的自動化運(yùn)行。圖4 變頻器加回饋單元4.3 四象限變頻器技術(shù)控制對于第一種情況和第二種情況，必須妥善的處理電動機(jī)發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生的電能，必須將其反饋到電網(wǎng)，否則通過調(diào)節(jié)抽油機(jī)的沖程節(jié)省的電能可能不能抵消變頻器制動單元消耗的電能，造成變頻運(yùn)行時反而耗能，與節(jié)能的目標(biāo)背道而馳。為了解決這個問題，有必要對普通變頻器進(jìn)行改造，在結(jié)構(gòu)上引入雙PWM結(jié)構(gòu)的變頻器如下圖5所示，保證發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生的電能回饋電網(wǎng);在控制方法引入自適應(yīng)控制以適應(yīng)游梁式抽油機(jī)多變的工作環(huán)境。圖5 四象限運(yùn)行變頻器主電路4.3.1 四象限變頻器工作原理當(dāng)電機(jī)工作在電動狀態(tài)的時候，整流控制單元的DSP產(chǎn)生6路高頻的PWM脈沖控制整流側(cè)的6個IGBT的開通和關(guān)斷。IGBT的開通和關(guān)斷與輸入電抗器共同作用產(chǎn)生了與輸入電壓相位一致的正弦電流波形，這樣就消除了二極管整流橋產(chǎn)生的6K±1諧波。功率因數(shù)高達(dá)99%。消除了對電網(wǎng)的諧波污染。此時能量從電網(wǎng)經(jīng)由整流回路和逆變回路流向電機(jī)，變頻器工作在第一、第三象限。當(dāng)電動機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)的時候，電機(jī)產(chǎn)生的能量通過逆變側(cè)的二極管回饋到直流母線，當(dāng)直流母線電壓超過一定的值，整流側(cè)能量回饋控制部分啟動，將直流逆變成交流，通過控制逆變電壓相位和幅值將能量回饋到電網(wǎng)，達(dá)到節(jié)能的效果。采用帶有PWM控制整流器變頻器具有四象限運(yùn)行的功能，能滿足各種位勢負(fù)載的調(diào)速要求，可就電機(jī)的再生能量轉(zhuǎn)化為電能送回電網(wǎng)，達(dá)到最大限度的節(jié)能的目的。不僅如此，它還可減少電源的諧波污染，功率因數(shù)可接近于1，是一種真正的“綠色”變頻器。整流器變頻器五、總結(jié) 總之，變頻調(diào)速技術(shù)作為高新技術(shù)、基礎(chǔ)技術(shù)和節(jié)能技術(shù)，其應(yīng)用已經(jīng)滲透到石油行業(yè)的各個技術(shù)部門。: 回答者：網(wǎng)友

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