变频器在油田中的应用

[摘 要]变频器自20世纪80年代在中国推出以后，在国民经济和日常生活中发挥着日益重要作用，已经被广泛的应用于企业的工业生产以及人们的日常生活中。变频器广泛应用，主要得益于其优良的节能特性和调速特性。要解决产品能耗问题，除其它相关的技术问题需要改进外，变频调速已成为节能及提高产品质量的有效措施。

[关键词]变频器；节能特性；调速特性

中图分类号：TG353.7 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）20-0354-01

一、变频器在游梁式抽油机控制中的应用

目前，在油田采用的抽油设备中，以游梁式抽油机应用最为普遍，数量也最多。一方面，游梁式抽油机运动为反复地上下提升，当平衡块下降时，抽油杆提出，带油至井口。由于电机转速一定，负荷减轻，电机拖动产生的能量无法被负载吸引，势必会寻找能量消耗的渠道，导致电机进入再生发电状态，将多余的能量反馈到电网，引起主回路母线电压的升高，势必会对整个电网产生冲击，导致电网供电质量下降，功率因数降低，频繁的高压冲击会损坏电机，对电动机没有可靠的保护功能，一旦电机损害，造成生产效率降低、维护量加大，极不利于抽油设备的节能降耗，给企业造成较大的经济损失。另一方面，游梁式抽油机引入两个大质量的平衡块，导致抽油机的起动冲击大等诸多问题。除了上述两方面问题之外，在油井开采前期储油量大，供液足，为提高功效可采用工频运行，保证较高的产油量；在中、后期，由于石油储量减少，易造成供液不足，电机若仍工频运行，势必浪费电能，造成不必要的损耗，这时须考虑实际工作情况，适当降低电机转速，减少冲程，有效提高充盈率。

目前，对游梁式抽油机的变频器改造主要有以下3个方面：

一是以提高电网质量，减小对电网影响为目标的变频改造。这主要集中在供电企业对电网质量要求较高的场合，为了避免电网质量的下降，需引入变频控制，其主要目的就是减小抽油机工作过程对电网的影响。

二是以节能为第一目标的变频改造。这一点比较普遍，一方面，油田的抽油机为了克服大的起动转矩，采用的电动机大于实际所需功率，工作时电动机的利用率一般在20%-30%之间，最高不会超过50%，电动机常常处于轻载状态，造成了电动机资源的浪费。另一方面，抽油机的工作情况是连续变化的，这些都取决于地底下的状态，若始终处于工频运行，势必也会造成电能的浪费。为了节能，提高电动机的工作效率，需进行变频改造。

三是以提高电网质量和节能为目的的变频改造。这种情况综合了上面两种改造的优点，是应用中的一个重要发展方向。

二、 变频器在电潜泵控制中的应用

油田中应用较多的另一种采油设备是电潜泵。电潜泵是井下工作的多级离心泵，同油管一起下入井内，地面电源通过变压器、控制屏和电潜泵专用电缆将电能输送给井下电潜泵电机，使电机带动多级离心泵旋转，将电能转换为机械能，把油井中的液体举升到地面。

由于电潜泵是在地面以下2000多米的井底工作，工作环境非常恶劣（高温、强腐蚀等），传统的供电方式――全压、工频使它故障频繁，运行成本大增。一方面，电潜泵在工频启动时，启动电流大，电机电缆的压降较大，使得电机电缆在启动过程中的反压较高，使绝缘性能降低，每次开机都会使电潜泵寿命大打折扣，大大影响了电潜泵的使用寿命。电潜泵损坏后提到地面上来修理，使用成本较高。

针对电潜泵的特殊情况，对电潜泵井进行变频改造，可实现电潜泵的软启动、软停车，有效地保护了电潜泵与电缆；通过调节频率可方便的调节油压，避免了电潜泵在高压下长期运行；延长了电潜泵的寿命，节约了油井维修、维护费用，使电泵机组在最佳工况下运行，大大提高了电潜泵采油系统的效率。同时，提高功率因数，提高了电网的供电能力，节电效果明显。

三、变频器在注水泵控制中的应用

油田开发过程中地层能量不断衰减，常用注水方式以保持地层能量，进行油田开发。一方面，注水压力的高低是决定油田合理开发和地面管线及设备的重要参数。考虑到后期开发注水井的增多，注水工艺设计和机电设备配置都比实际宽裕，加之地质情况的变化，开关井数的增减，洗井及供水不足的影响，经常引起注水压力的波动，注水量不均匀，不稳定。注水压力低，注水量满足不了油田开发的需要，必然会造成油层压力下降；注水压力过高，浪费动力，也造成超注，导致水淹，水窜；注水压力控制难度大，也给油田生产和管理带来诸多不便，因而要求油田注水压力恒定。另一方面，由于储油地层的压力及油气水分布不断在发生变化，其数值很难准确预测和控制，考虑到油田开发中的需要，在工艺和机电设备的配置上都按照油田最大可能的需求来设计，这一点在注水系统的设计当中显得尤为突出。油田注水设备多采用高压离心泵匹配高压电机，大功率系统运行常是“大马拉小车”，效率低下。注水压力靠泵出口闸门手动控制，即靠改变管网特性曲线来调节泵的排量，泵、电机匹配难以达到在泵的最佳工况点运行，管网效率低。正是从恒压注水和节能的两个方面考虑，在油田注水系统中引入变频控制。

由于风机、泵类设备均属平方转矩负载，流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。通过上述分析可以知道，通过改变电动机转速可方便地改变水的流量，保证水压恒定；通过改变电动机转速，在降低水流量的同时，可有效降低系统的电能损耗。

通过变频改造的注水系统具有如下优点：

（1） 实现了电机软起动、自由停车。电机均通过变频器或软起动从0～50Hz作缓慢加速起动，可减少机泵因突然高速起动所带来的影响，减少了直接起动时起动电流对电网的冲击。

（2） 提高了功率因数，改善了电机电源质量，电机的功率与实际负荷相匹配，系统达到节能运行的目的。

（3） 消除了泵的喘振现象，使泵运行处于最佳工况状态。

（4） 实现了压力自动控制，被调节量得到更平稳的调节，增强了系统的稳定性和可靠性。

应用变频调速技术，对注水设备的电机转速进行调节，达到稳压、稳流供注水。同时软起软停的功能代替了减压启动，使电机起停平稳，减少了对电网和机械设备的冲击，不会造成管网压力、流量、流速的剧烈变化，不需要阀门截流，因此对防止汽蚀、水击、喘振极为有利，可以延长管网、泵、阀门的维修周期和使用寿命。

五、总结

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和电潜泵控制中的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。在油田注水和油气集输中的应用与生活中的恒压供水类似，其应用技术已经成熟，应用也十分普遍。变频调速技术在油田中的应用应该集中解决以下两个方面的问题：

（1） 解决变频器的控制问题。这个必须解决变频器如何适应多变的工作环境，对某一台抽油机控制的成功并不代表对所有油井都成功，因而必须提高变频器控制技术适应不同井况的能力。

（2） 解决变频控制成本较高的问题。与一般控制柜相比，变频控制的成本太高。无论上双PWM变频器还是电潜泵专用变频器，都面临着这个问题，因而必须提高相关产品的配套能力，在保证可靠性的前提下降低成本。