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VD300A系列变频器在油田磕头机上的应用方案
日期: 2015-02-28
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一、概况

游梁式抽油机,俗称“磕头机”,是目前采油生产中的主要设备,其数量达10万台以上。电动机装机总容量在3500kW,年耗电量达百亿度以上。磕头机用电量约占油田总用电量的40%,运行效率非常低,平均运行效率只有25%,功率因数低,电能浪费大。因此,磕头机节能潜力非常巨大,石油行业也是推广“电机系统节能”的重点行业。本文介绍了采用变频调速技术,使磕头机的运动规律适应油井的变化工况,实现系统效率的提高,达到节能增产的目的。

二、磕头机负载分析

1)   国内应用最广泛的是游梁式竖井磕头机,它有三部分组成:

a)   地面部分:由电动机、减速器和四连杆构成。

b)   井下部分:抽油泵(吸入阀、泵筒、柱塞和排油阀),它悬挂在套管中的下端。

c)   抽油杆柱:连接地面抽油机和井下抽油泵的中间部分。

2)   磕头机的电机负荷是按周期变化的,开始起动时,负荷很大,要求启动转矩很大。正常运行时负荷率很低,一般在20%左右,高时负荷率只有30%。电机的负荷曲线有2个峰值,分别为磕头机上、下冲程的“死点”。未进行平衡的条件下,上、下冲程的负载极度不均衡,在上冲程时,需要提起抽油杆柱和液柱,电机需付出很大能量。在下冲程时,抽油杆柱对电机作功,使电机处于发电状态。通常在磕头机的曲柄上加上平衡块,消除上下冲程负载不平衡度。平衡块调节较好,其发电状态的时间和产生的能量就小,由于抽油负荷是每时每刻在变化,平衡配重不可能随抽油负荷作完全一致的变化,绝大部分磕头机配重严重不平衡,从而造成过大的冲击电流,冲击电流最大可为5倍的工作电流,甚至达到额定电流的3倍。调整好平衡配重,可降低冲击电流为正常工作电流的1.5倍。

负载特性:是恒速运行,由于配重,是变转矩,变功率负载在一个循环周期内有两次发电状态,起动力矩大、惯性大。在国内油田使用的磕头机普遍存在的问题:运行时间长,“大马拉小车”,效率低,耗能大,冲程和冲次调节不方便,有空抽现象。

三、传统磕头机变频器改造的难点

磕头机变频节能改造做了大量的尝试,但都不太成功,主要问题是:

1)   磕头机在一个工作循环中,有两次发电状态,尤其当配重不平衡时,产生的“泵升电压”很高,靠加大变频器直流侧电解电容和减小制动电阻值,不能完全解决问题,并且随着油层的变化,“泵升电压”也在变化。

2)   磕头机起动需要较大的起动转矩,如变频器参数设置不当,易造成过流或不能起动。

3)   以往的变频节能改造设计方案很少考虑油井的油面、油浓度的变化等情况。在提高产量方面,效果不佳。

四、沃森变频器产品优势

1)   不需要回馈单元或制动单元

    通常情况下,变频器能根据磕头机的工况自动调节运行,不需要其他品牌传统方案:变频器+能量回馈/制动单元,通过软件自适应调整,系统成本低,可靠性高,(个别特别深的油井需要加相对小功率的能量回馈或制动单元)。

2)   提高电网用电品质

    不需要回馈单元就没有电流反馈电网,谐波和无功率电流都减少,提高电网用电品质,并在相同电网容量下,为更多的磕头机或其他设备供电可降低电网建设成本。

3)   更高的节电效果

    变频器向电网吸取的电能量刚好是工况所需要的能量,没有多余的消耗,比其他品牌的变频器+制动单元传统方法节电更高。

4)   高品质和强大的环境适应性

    在油田野外中午高温和冬天夜间低温长期可靠工作,并能适应宽的输入工作电压(低压可达290VAC输入)。

5)   自动启动功能和转速度追踪功能

    变频器失电后电机自由旋转,当电网恢复正常后,纵然电机还在高速度转动,变频器依然可以正常运转,不耽误生产。

五、变频器接线图及参数设置

六、现场图片

七、结束语
  采用沃森的磕头机变频控制柜在辽河某油田洼3737井、海C9-17井投入实验运行,控制柜运行稳定,节能效果显著。抽油机上冲程要慢,电动机处于电动状态, 图中电动机转速低,变频器输出频率低, 电机转矩为正,直流母线电压低。抽油机下冲程要快,部分时间电动机处于发电状态, 4电动机转速增加,变频器输出频率高, 处于发电状态时电机转矩为负,直流母线电压很高。

 

变频器的控制程序是根据油田实际情况,特殊开发的控制程序,它能自主判断抽油机运行的上下冲程,根据油井的实际情况,实时调节上下冲程的速度,达到实际抽油时,不更改每分钟的抽油次数,但增加每次抽油时的采油量,提高抽油机的产量。沃森VD300A系列变频器控制系统设计指标为节电率15%,增产率5%。系统运行实际节电率达到了18.5%,增产率达到了9.5%,效果相当显著。

 

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