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赫茨中頻油桿加熱系統(tǒng)和磕頭機(jī)變頻改造應(yīng)用案例
（成功應(yīng)用于遼河油田、勝利油田和長(zhǎng)慶油田）
抽油機(jī)的種類繁多，技術(shù)發(fā)明有數(shù)百種。從采油方式上可分為兩種:有桿類采油設(shè)備和無(wú)桿類采油設(shè)備。有桿類采油設(shè)備又可分為抽油桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)類(國(guó)內(nèi)外大量使用的游梁式抽油機(jī)和無(wú)游梁式抽油機(jī))和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)類(如電動(dòng)潛油螺桿泵)，無(wú)桿類采油設(shè)備也可分為電動(dòng)潛油離心泵，液壓驅(qū)動(dòng)類(如水力活塞泵)和氣舉采油設(shè)備。
我國(guó)的油田多為低滲透的低能、低產(chǎn)油田，不像中東的油田那樣有很強(qiáng)的自噴能力，大部分油田要靠注水來(lái)壓油入井，再靠抽油機(jī)把油從地層中提升上來(lái)。以水換油，以電換油是目前我國(guó)油田的現(xiàn)實(shí)，電費(fèi)在我國(guó)的石油開采成本中占了相當(dāng)大的比例。所以，石油行業(yè)十分重視節(jié)約電能。
目前我國(guó)抽油機(jī)的保有量在10萬(wàn)臺(tái)以上，電動(dòng)機(jī)裝機(jī)總?cè)萘吭?500兆瓦，每年耗電量逾百億kw·h。抽油機(jī)的運(yùn)行效率特別低，在我國(guó)平均效率為25.96%，國(guó)外平均水平為30.05%，年節(jié)能潛力可達(dá)幾十億kw·h。除了抽油機(jī)之外，油田還有大量的注水泵、輸油泵和潛油泵等設(shè)備，總耗電量超過(guò)油田總用電量的80%，可見(jiàn)，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)。
采用抽油機(jī)節(jié)能電控裝置是抽油機(jī)節(jié)能的一個(gè)重點(diǎn)發(fā)展方向。在我國(guó)北方地區(qū)，由于天氣和儲(chǔ)油特性的關(guān)系，通常需要對(duì)抽油管進(jìn)行加熱處理，上海紅旗泰公司開發(fā)的中頻加熱系統(tǒng)和磕頭機(jī)變頻改造系統(tǒng)將兩者有機(jī)結(jié)合起來(lái)，在磕頭機(jī)下降的過(guò)程中產(chǎn)生的再生制動(dòng)能量通過(guò)共母線節(jié)能技術(shù)，直接返回到中頻加熱裝置中，進(jìn)一步提高了節(jié)電率。
圖1 基于TI DSP的油田新型節(jié)能系統(tǒng)平臺(tái)
傳統(tǒng)的油管中頻加熱方案
圖2 可控硅軟啟動(dòng)方法
如圖二所示，采用可控硅軟啟動(dòng)的方法即由單片機(jī)控制改變串聯(lián)在電動(dòng)機(jī)定子主回路中的可控硅的導(dǎo)通角β，即可以改變加在定子繞組上的端電壓的大小從而起到調(diào)壓節(jié)電的目的。但是這種方法的缺點(diǎn)也很明顯。
由于可控硅的移相作用，會(huì)產(chǎn)生大量的諧波，對(duì)電網(wǎng)、電機(jī)以及通訊控制系統(tǒng)造成不良的影響今后這類產(chǎn)品將因達(dá)不到電磁兼容的標(biāo)準(zhǔn)而被限制使用。對(duì)于電動(dòng)機(jī)降壓節(jié)電的有關(guān)計(jì)算和校驗(yàn)，中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB12497-1995《三相異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》中有明確的要求：在采取調(diào)壓節(jié)電時(shí)，既要達(dá)到節(jié)電的目的，又要保證電動(dòng)機(jī)軸上的出力，并有一定的過(guò)載系數(shù)，否則當(dāng)負(fù)荷波動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)將發(fā)生堵轉(zhuǎn)而燒毀。但不是所有的降壓行為都能達(dá)到節(jié)能的目的，只有當(dāng)電壓的降低程度大于轉(zhuǎn)差率及功率因數(shù)的上升程度時(shí)，才能使降壓運(yùn)行中的電動(dòng)機(jī)的效率得到提高而節(jié)能。當(dāng)負(fù)載系數(shù)上升時(shí)，有功節(jié)電降低，綜合有功節(jié)電降低，而負(fù)載功率上升，節(jié)電效果并不明顯。而且在需重載起動(dòng)的應(yīng)用場(chǎng)合，降壓?jiǎn)?dòng)會(huì)導(dǎo)致電機(jī)無(wú)法啟動(dòng)甚至堵轉(zhuǎn) 。軟啟動(dòng)可以減小起動(dòng)時(shí)機(jī)械沖擊卻無(wú)法達(dá)到降低啟動(dòng)電流的目的。可控硅的頻繁開關(guān)，降低可控硅的使用壽命，頻繁更換，維護(hù)成本高。
圖三為紅旗泰公司開發(fā)的油管中頻加熱系統(tǒng)框圖：
圖3 抽油管中頻加熱
紅旗泰公司開發(fā)的中頻油管加熱系統(tǒng)，采用采用美國(guó)德州儀器TI公司的最新32位DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）為電源控制核心，SPWM控制技術(shù)，控制系統(tǒng)性能增強(qiáng)，電路簡(jiǎn)化，負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)電源控制的全數(shù)字化，智能化。中頻電源工作時(shí)，纏繞的中頻電纜會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，輸油鋼管的外表面就形成許多微小的感應(yīng)電流渦流。渦流形成的電位差只在微小的區(qū)間內(nèi)（微米級(jí)）存在，在較大范圍內(nèi)（毫米級(jí)），這些電位差會(huì)相互抵消。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，輸油管上的電位差實(shí)測(cè)值不超過(guò)0.5 V。采用先進(jìn)的大功率絕緣柵雙極性晶體管IGBT作為功率開關(guān)器件，逆變頻率可調(diào)。較傳統(tǒng)的可控硅晶閘管較好的開關(guān)斷和開關(guān)頻率高，體積小，電流大，輸出電壓、電流連續(xù)可調(diào)，可以使加熱系統(tǒng)處于最佳工作狀態(tài)，能源利用率高，具有恒輸出電壓/恒輸出功率控制選擇功能。 采用零壓軟啟動(dòng)，啟動(dòng)成功率高無(wú)沖擊。 人機(jī)對(duì)話的顯示界面，可通過(guò)鍵盤的選擇顯示工作頻率及電流，電流變比等，并可顯示故障狀態(tài)及原因，使顯示更直觀，更易于操作。采用強(qiáng)化的故障診斷和保護(hù)技術(shù)，使系統(tǒng)工作可靠，有多種參數(shù)設(shè)定和跟蹤監(jiān)控功能，保護(hù)功能齊全：具有過(guò)壓、過(guò)流、缺相、控制電源欠壓等故障報(bào)警功能。 高效節(jié)能，全功率范圍內(nèi)，極高的功率因數(shù)和電源效率及較好的諧波抑制能力。
由于采用了共同的開發(fā)平臺(tái)，避免了不同節(jié)能系統(tǒng)間的通信難題。有利于日后的各種系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用，降低潛在的工程投資成本，有利于日后大規(guī)模“數(shù)字油田”的建設(shè)，便于實(shí)現(xiàn)電源控制的全數(shù)字化，智能化。
針對(duì)油田中廣泛使用的抽油機(jī)-“磕頭機(jī)”，紅旗泰公司開發(fā)的抽油機(jī)專用變頻控制系統(tǒng)，可與抽油管中頻加熱系統(tǒng)配合使用。對(duì)抽油機(jī)的變頻改造如圖4所示：
圖4 抽油機(jī)變頻器接線圖
當(dāng)變頻器發(fā)生故障時(shí)，抽油機(jī)可切換到工頻運(yùn)行，使用變頻器對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行改造的優(yōu)點(diǎn)為：
沖程、沖次無(wú)級(jí)可調(diào)
◆ 解決了低產(chǎn)井，抽油泵充液不足，依靠間抽的問(wèn)題
◆ 沖程調(diào)節(jié)，提高泵效，節(jié)能明顯
提高電網(wǎng)的功率因數(shù)
◆ 電網(wǎng)功率因數(shù)可提高到0.9 以上
◆ 減少電網(wǎng)的無(wú)功損耗，具有一定的節(jié)能效果
抽油機(jī)實(shí)現(xiàn)了軟起動(dòng)/軟停止
◆ 減少了抽油機(jī)起停示的機(jī)械沖擊
◆ 減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊
紅旗泰公司的油田抽油機(jī)專用節(jié)電器采用先進(jìn)微處理器數(shù)字控制技術(shù)，適用于各類處于空載、輕載或變負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)下抽油機(jī)電機(jī)節(jié)能。本產(chǎn)品通過(guò)內(nèi)置的專用節(jié)電優(yōu)化控制軟件，根據(jù)負(fù)載變化動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)輸入電機(jī)的電壓和電流，在不改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、不減少抽油量的前提下，保證電動(dòng)機(jī)的輸出功率與負(fù)荷需求精確匹配，在實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。產(chǎn)品配備了軟啟動(dòng)功能，可以大大降低電機(jī)的啟動(dòng)電流，減少?zèng)_擊電流對(duì)電機(jī)絕緣的破壞、降低電機(jī)運(yùn)行溫度、減少電機(jī)的維護(hù)量、延長(zhǎng)使用壽命。系統(tǒng)的原理圖如圖5所示:
圖5 紅旗泰抽油機(jī)專用變頻原理框圖
整個(gè)系統(tǒng)框圖如圖6所示：
圖6紅旗泰抽油機(jī)系統(tǒng)圖
同紅旗泰公司的油管加熱系統(tǒng)配合使用，利用共母線節(jié)能技術(shù)，將磕頭機(jī)下降沖程中的動(dòng)能通過(guò)母線傳遞給油管中頻加熱系統(tǒng)，介意不節(jié)約了電能，提高了節(jié)電率。
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