SY6000/6600系列变频器在游梁式抽油机上的应用

2015-06-26

 

1、引言

    进入21世纪,变频调速技术得益于其优异的节能特性和调速特性,在我国油田中得到广泛应用,中国产值能耗是世界上最高的国家之一。要解决产品能耗问题,除其它相关的技术问题需要改进外,变频调速技术已成为节能及提高产品质量的有效措施。油田作为一个特殊行业,有其独特的背景, 目前,抽油机是应用最普遍的石油开采机械之一,也是油田耗电大户,其用电量约占油田总用电量的40%,且总体效率很低,据调查一般在30%左右。油田抽油机负载是独具特点的时变负载:有动、静负载特性之分。起动初始状态要求拖动电机的起动力矩是抽油机实际负载的3-4倍,甚至更大,起动力矩是抽油机选配电机的第一要素。当起动力矩适用则负载功率必然匹配不佳,运行负载功率都远小于电机的额定功率,即所谓“大马拉小车”现象。过剩的抽油能力令抽油机的无功抽取时间增加,造成油井开采的电费成本居高不下,能源浪费十分严重。可见抽油机的节能潜力非常可观。本文主要介绍变频器在游梁式抽油机上的应用。

2、SY6000变频器在石化行业中的应用

2.1游梁式抽油机工作原理

                                           游梁式抽油机结构简图如图1所示

 

     游梁式抽油机是一种变形的四连杆机构,其整机结构特点像一架天平:一端是抽油载荷,另一端是平衡配重载荷。对于支架来说,如果抽油载荷和平衡载荷形成的扭矩相等或变化一致,那么用很小的动力就可以使抽油机连续不间断地工作。也就是说抽油机的节能技术取决于平衡的好坏。在平衡率为100%时电动机提供的动力仅用于提起1/2液柱重量和克服摩擦力等,平衡率越低,则需要电动机提供的动力越大。因为,抽油载荷是每时每刻都在变化的,而平衡配重不可能和抽油载荷作完全一致的变化,才使得游梁式抽油机的节能技术变得十分复杂。因此,可以说游梁式抽油机的节能技术就是平衡技术。

     工作时,驴头悬点上作用的载荷是变化的。上冲程时,驴头悬点提起与悬绳器相连的抽油杆柱和液柱,在抽油机未进行平衡的条件下,电动机就要付出很大的能量。在下冲程时,抽油机杆柱反转而对电动机做功,使电动机处于发电机的运行状态。抽油机未进行平衡时,上、下冲程的载荷极度不均匀,这样将严重地影响抽油机的四连杆机构、减速箱和电动机的效率和寿命,恶化抽油杆的工作条件,增加它的断裂次数。为了消除这些缺点,一般在抽油机的游梁尾部或曲柄上或两处都加上了平衡重,这样一来,在悬点下冲程时,平衡重从低处上升至高处,平衡重位能增加。平衡重所增加的位能由两部分构成:油杆柱下落所释放的位能与电动机产生的能量。在上冲程时,平衡重由高处下落,把下冲程时储存的位能释放出来,帮助电动机提升抽油杆和液柱,减少电动机在上冲程时所需给出的能量。目前使用较多的游梁式抽油机,都采用了加平衡配重的工作方式,因此在抽油机的一个工作循环中,有两个电动机运行状态和两个发电机运行状态。当平衡配重调节较好时,其发电运行状态的时间和产生的能量都较小。

2.2改造方案对比

(1)无变频改造。

     此方案利用抽油机本身配置的平衡装置,实现电机的运行耗能最小化。由于原油的稠度等是时刻变化的,但是配置不能实时调节,所以势 必造成大部分能量的浪费,及设备寿命的缩短。另外,上冲程时,电动机处于电动状态时,从电网吸收电能;下冲程时,电动机处于发电状态时,释放能量,电能直接回馈给电网,造成抽油机供电系统功率因数降低,对电网质量影响较大。

(2)变频改造,加装制动单元

       如图1所示。在变频器主回路直流母线两端加制动电阻和制动单元。在加装变频器后,电动机进入再生发电状态时,其产生的电能没有逆向流回电网的通路,所以势必引起主变频器主回路直流母线电压升高。此时必须用电阻来就地消耗,这就是我们在变频器上必须使用制动单元和制动电阻的原因。SY6000在功率55KW以下可选择内置制动单元,只需接制动电阻好,体积减少。完全可以达到理想中的控制效果。

                                                         图1   变频器内部主回路图

对于变频器加装制动单元的情况,发电产生的能量不能回馈至电网而是就地消耗,所以还是会造成能量的浪费。但加装变频装置后,网侧功率因数大大提高(由原来的0.25~0.5提高到0.9以上),大大减小了供电视在电流,从而减轻了电网及变压器的负担,降低了线损,可省去大量的“增容”开支。SY6000内置的AVR功能可根据负载特性,智能调节输出。一方面可达到节能目的,同时还可以增加原油产量。避免电网质量的下降,减小抽油机工作过程对电网的影响。此方式的缺点是必须解决制动电阻散热及寿命问题。

应用实例:

      SY6000-G03740在河南油田游梁式抽油机上成功应用。

      根据河南油田采油工况,采用变频器加装制动单元对其部分油井抽油机进行变频节能改造。河南油田原油稠度不大,负载率比较低。采用再生能量就地耗散方案方能达到预期效果。且制动电阻散热问题仅通过加装柜顶风扇便可顺利解决。

                                                                                        其接线图如图3所示:


                                                                                          图2:工变频切换主回路

图2电路接线图可实现工变频转换,其中KM1与KM2互锁。KM1与KM3导通,变频运行;KM2导通工频运行。

    该套系统经过调试,运行正常,经检测,网侧功率因素有大幅提高。跟踪后期使用情况,与无变频时比较,节能约30%左右。符合预期。

(3)变频改造,加装能量回馈单元。

      制动电阻的散热寿命问题及节能效果不理想成为方案(2)实际应用中的技术瓶颈。针对上述情况,为实现节能优化,提高效率,可以采用变频器加装能量回馈装置方案,将再生能量回馈给电网。

      所谓能量回馈装置,其实就是一台有源逆变器。按采用的功率开关器件的不同又可以分为晶闸管(SCR)有源逆变器及绝缘栅双极型晶体管(IGBT)逆变器两种,它们的共同特点是可以将变频器直流回路的电压反馈到电网,如下图3所示。

                                                                 图3:带能量回馈单元主回路

     加装能量回馈单元的变频器适用于交流50HZ,额定电压380V的异步电动机,实现软起动,软停车及过程调速控制功能。其具备起动电流小、速度平稳、性能可靠、对电网冲击小等优点,避免对电动机、变速箱、抽油机造成机械冲击,大大延长设备的使用寿命,减少停产时间,提高了生产效率,提高了电网质量。

应用案例

      SY6000-G05540在中原油田游梁式抽油机上成功应用。

     中原油田的工况原油稠度大,电机的负载率大。为实现节能最大化,此方案采用变频器加装能量回馈单元的方式。其工/变频转换电路与图2中类似,不再画出。 变频器参数与数设置方面与(2)区别不大。

由+于变频器安装在野外,胜利油田当地的气候因素,昼夜温差大,易结露。为解决此问题,需在柜体内安装加热与抽湿装置。

       经过较长时间的应用比较,多套设备均运行稳定,且节能效果十分明显,节能率达到了40%~50%。电网质量显著提高。

(4)共直流母线方式

      对于同一井场上有多口油井的场所,可以采用共用直流母线系统方案,即若干台抽油机的变频器将其直流母线联结在一起,利用各变频器的回馈能量不可能在同时发生的原理,将某一台变频器的回馈能量作为其它变频器的动力。这样即节约了能量,又防止了泵升电压的产生。此方式可以搭配方式(2)或(3)使用,效果更佳。

应用案例

    SY6000-G04540在中原油田应用成功

     此方案参数设置方面与(2)、(3)区别不大。仅在接线图上有所区别,现将有差异部分做简图绘出,如图6。其他控制接线部分基本与上述两方案雷同。

     由于油井分布地理位置限制,此方案中大多为3台~4台变频器共一组直流母线。

 

      此方案应用情况良好,节能效果明显,约为40%左右,且前期投入较适中。其必需条件是油井分布需在限制距离以内。

2. 3节能原理与数据分析

     根据电机学原理:

N=60f(1-s)/p

其中:

n=电机转速

s=转差率

p=电机极对数

       以上可以看出,通过改变运行频率,可以改变电机的运行转速。根据负载特性,电机运行转速下降,则电机轴功率下降。另通过变频改造,能量回馈单元将下冲程时产生的能量回馈给电网。另外,电网功率因数的提高所产成的节能效果也是十分可观的。通过INVT多个系列变频器在我国多个大型油田的实际使用数据测算可得,在油田游梁式抽油机的应用中,变频节能比可达30~50%,同时,产油量可增加20~30%。

 

结束语

      总之,变频调速技术作为高新技术、基础技术和节能技术,其应用已经渗透到石油行业的各个技术部门。在游梁式抽油机控制应用还处于开始阶段,在应用中也出现了许多问题,这些都待于进步解决。只有充分考虑油田油井的实际情况,才能促进变频技术在采油设备中的应用。