康沃变频器在抽油机上的节能改造

一、游梁式抽油机概述

目前,陕北、甘肃,宁夏,新疆和华北等地区,油田采用的抽油机设备中,一部分为游梁式抽油机,数量也比较多。游梁式抽油机运动为反复的上下提升,一个冲程提升一次,其动力来自电动机拖动的两个质量很大的钢质滑块,当滑块提升时,类使于杠杆的作用,将采油机杆入井中,滑块下降时,采油杆提出带油至,当负荷不平衡时,在滑块下降时,进入再生发电状态,产生再生能量,再生能量反馈到到变频器的直流侧,引起主回路直流母线电压,这样危机变频器的安全,既不利于设备的安全运行。另一方面,游梁式抽油机引入两个大质量的钢质滑块,导致抽油机启动时冲击电流很大等问题。另外,油田的特殊地理环境,决定采油机自身运行的,在油井开采前期储油量大,供液足,为提高工效可采用工频运行,保证较高的产量在中后期,由于储油量减少,已造成供液不足,电机仍工频运行,造成电能的浪费,这时应该考虑实际工作情况,适当降低电机的转速,减少冲击,有效提高效率,为了解决上述问题,可将变频技术引入到游梁式抽油机控制中去。根据电机理论,其转速公式为n=60f(1-s)/p;其中n为电机的实际转速,f为电源频率,s为转差率,p为电动机极对数。从公式可以看出,电机的转速和频率成正比,根据电动机工作电流的大小确定电动机的工作频率,这样根据井况的变化,方便调节抽油机的冲程,达到节能和提高功率因数的目的。

二、变频器的选型注意事项

考虑到抽油机惯性力矩比较大,选择V/F通用变频器功率要比电机的实际功率放大一挡,也可以选择启动力矩较好的矢量控制变频器。只要变频器的额定电流大于电机的实际电流就行。另外,抽油机在工作过程中有再生能量产生,变频器容易出现过压保护,每变频器应配相备适应的制动单元和制动电阻,能量消耗在制动电阻上,为了利用这些能量可以采用高品质能量反馈装置反馈到电网中,但是保证对电网的污染很小。由于油田地理环境比较恶劣,变频器在室外安装,注意防雨,防尘,夏季温度高,注意通风散热,室外容易打雷闪电,所以必须加装防雷电击保护装置

抽油机负载分析

1. 国内应用最广泛的是游梁式竖井抽油机,它有三部分组成

1) 地面部分:由电动机、和四连杆构成;

2) 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;

3) 抽油杆柱:连接地面抽油机和井下抽油泵的中间部分。          

2. 抽油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,分别为抽油机上、下冲程的“死点”。

    抽油机在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。通常在抽油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,由于抽油载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,绝大部分抽油机配重严重不平衡,从而造成过大的冲击电流,冲击电流最大可是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,可降低冲击电流是正常工作电流的1.5倍。

    抽油机的负载特性: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。在国内油田使用的抽油机普遍存在的问题: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,有时空抽现象。

 

四.传统抽油机变频器改造的难点

    国内对抽油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) 抽油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) 抽油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。

五.解决方案

    针对当前抽油机变频改造存在的问题,我公司司提出以下解决方案:

1) 采用变频调速技术,使电机转速抽油机负载匹配。在前期井中由于刚开采,油量大,让变频器运行到65HZ,电机转速提高30%,采油率比工频提高20%,工效提高1.2倍。在中、后期井中,油量减小,降低转速,减少冲程,一般频率运行至35~40HZ之间,电机转速下降30%。节电率可达25%,而且提高了功率因数。

2) 动态调节抽油机的冲程频次,随着油井由浅入深的抽取,油量逐渐减小,出现泵充满度不足,泵效下降,当油井的供油能力小于抽油泵排量时,就造成泵抽空和液击现象。降低频率,电机转速下降,提高充满度,不仅节能而且增加原油产量。

3) 动态调节抽油机上下行程的速度,适当降低下行程速度,提高泵内的充满度,适当提高上行程速度,可减小提升中漏失数,使抽油机工作在最佳运行状态,有效提高单位时间内原油产量。

4) 起动力矩大,运行中负荷低,冲击电流大

要从根本上解决问题,加大电动机极对数或增大减速箱速比,增大输出力矩。变频器正常运行80~90HZ。这也有利于减少发电状态的能量,减少“泵升电压”。

5) 再生能量的处理问题

    *增大变频器直流侧滤波电容的容量;

    *减少制动电阻值,提高制动系统的耗电能力,或直接使用回馈制动,减小能量损失;

    *发电时,频率增大。

6) 防空抽,增产。动态调节抽油机冲程频次和上、下行程速度。设定电机的输出功率标准值,实时检测电机输出功率,控制电机转速,大于标准值,加速。反之减速,实现闭环控制。

六.抽油机实测数据

    某油田82-X110抽油机是一台游梁式抽油机,电机功率为22KW,磁极数为8极。采用我公司生产的变频器节能改造

    在抽油机上行程运行时,设置变频输出频率为50Hz,下行程运行时,设置为30Hz。

抽油机工频运行参数:

运行一个周期电流变化:20.1A~30.7A

4小时平均耗电度数:4.7度/每小时

抽油机节能运行参数:

运行一个周期电流变化:4.9A~18.7A

4小时平均耗电度数:3.9度/每小时

    由于油井的类型和工况千差万别,井下渗油和渗水量每时每刻都在变.抽油机的负载变化是无规律的,故采用变频调速技术,使抽油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。

七、抽油机变频改造的几个好处

1. 大大提高功率因数,(0.25~0.5提高0.9以上)。减小了供电电流,从而减小了电网及变压器的负荷。

2. 动态调整抽取速度,一方面节能,同时增加原油产量。

3. 实现真正“起动”对电机变速箱抽油机,避免过大机械冲击,延长设备使用寿命。

 

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