变频调速技术在采油机电设备上的应用

【摘 要】目前，变频技术在理论和应用上都取得了较快的发展，本文阐述了变频技术的基本原理和发展，进而对变频器在机械动力负荷设备、流体负荷设备中的应用进行了分析，以期能服务于生产，并在生产中取得较好的经济和社会效益。

【关键词】变频技术；机电设备；应用

目前石油开采各个生产系统的用电占到石油企业用电量的70-90%，对抽油机、空压机、柱塞泵等动力负荷变化较大的机电设备，在启动、加减速、制动和设备维护等方面的浪费是巨大的，而明显的节能效果和优越的调节性能，能使变频节能技术在石油开采中的应用越来越广泛，技术也越来越成熟。

1 变频技术的基本原理

变频技术在理论和应用方面都取得了较快的发展。在功率器件方面经过了GTR、IGBT的更替，并进一步发展为智能功率模块（IPM）；在控制理论方面，压频比（U1/f）控制方式得到很大改进，矢量控制和转矩直接控制方式在实际变频器中广泛应用，模糊自优化控制、人工神经网络等控制方法成为新的研发方向；调速系统的集成度越来越高，从单片机开始，先后产生了数字信号处理器（DPS）、精简指令集计算机（RISC）和高级专用集成电路（ASIC）；在功能方面，变频器的综合化程度越来越高，除了能完成基本的调速功能外，还具有内置的可编程序、参数辨识及通信等功能。

2 变频技术在石油机电设备中应用

油田作为一个特殊行业，以抽油机、泵类负载为主，因而决定了变频器在油田中的应用应以节能为第一目标，其应用主要集中如下：

2.1 变频技术在机械动力负荷设备中的应用

在胜利油田采用的抽油设备中，以游梁式抽油机最为普遍，数量也最多。一方面，游梁式抽油机运动为反复上下提升，一个冲程提升一次，当滑块提升时，将采油机杆送入井中；滑块下降时，采油杆提出带油至井口，由于电动机转速一定，滑块下降过程中，负荷减轻，电动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，导致电动机进入再生发电状态，将多余能量反馈到电网，引起主回路母线电压升高，势必会对整个电网产生冲击，导致电网供电质量下降，功率因数降低的危险；频繁的高压冲击会损坏电动机，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，给企业造成较大经济损失；另一方面，游梁式抽油机引入两个大质量的钢质滑块，导致抽油机的起动冲击大等诸多问题。除上述两方面问题外，油田采油的特殊地理环境决定了采油设备有其独特的运行特点：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，保证较高产油量；在中后期，由于石油储量减少，易造成供液不足，电动机若仍工频运行，势必浪费电能，造成不必要损耗，这时须考虑实际工作情况，适当降低电动机转速，减少冲程，有效提高充盈率。

目前，对游梁式抽油机的交流变频调速技术改造主要有：

1）以提高电网质量，减小对电网影响为目标的变频改造：主要集中在供电企业对电网质量要求较高的场合，为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。

2）以节能为第一目标的变频改造：一方面，油田抽油机为克服大的起动转矩，采用的电动机远远大于实际所需功率，工作时电动机利用率一般为20%～30%，最高不会超过50%，电动机常处于轻载状态，造成资源浪费；另一方面，抽油机工作情况的连续变化，取决于地底下的状态，若始终处于工频运行，也会造成电能浪费。为了节能、提高电动机工作效率，需进行变频改造。

3）以提高电网质量和节能为目的的变频改造：该情况综合上面两种改造的优点，是应用中的一个重要发展方向。

2.2 变频调速技术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，注水压力高低是决定油田合理开发和地面管线及设备状态的重要参数，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，注水压力控制难度大，也给油田生产和管理带来诸多不便，因而要求注水压力恒定；另一方面，由于储油地层压力及油气水分布不断发生变化，其数值很难准确预测和控制，考虑到油田开发中的需要，在工艺和机电设备配置上都按照油田最大可能需求设计，这点在注水系统设计中尤为突出。油田注水设备多采用高压离心泵匹配高压电动机，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，泵、电动机匹配难以使泵在最佳工况点运行，管网效率低，因此在油田注水系统中引入变频控制。

目前变频调速技术在注水系统中主要应用在供水水源井电潜泵、注水站注水泵、配水间增压泵工艺中，应用变频调速技术对注水设备的电动机转速进行调节，达到稳压、稳流供注水；同时软起软停功能代替减压启动，使电动机起停平稳，减少对电网和机械设备的冲击，不会造成管网压力、流量、流速剧烈变化，无需阀门截流，因此对防止汽蚀、水击、喘振极为有利，可延长管网、泵、阀门维修周期和使用寿命。

2.3 变频调速技术在油气集输控制中的应用

在油田生产中，与注水泵类似，输油泵额定排量往往大于实际需要排量，一方面，如完全采用阀门调节输油量，一旦油量变化较快，输油阀门调节频繁，增加了工作人员劳动强度且所需人员也较多，若阀门调节不当，易造成被抽干或冒罐现象，泵出现干抽烧损，冒罐则造成原油浪费；另一方面，为保证输出油量恒定，需保证管压恒定，阀门开度直接影响到管压，如使用变频调速器可彻底解决该问题，它通过减小电动机电源频率实现降低电动机转速。电动机带动泵运行，转速降低，对于柱塞泵，就是降低了柱塞运行频率，减小泵实际排量；对于离心泵，降低了叶轮转速，同样降低泵排量。因此当需排量变化时，可通过调节变频器输出频率，达到控制排量的目的，保证管压恒定。泵排量降低，电动机负荷也随之减小，电动机输出功率亦减小，效率提高，达到节能目的。

3 结束语

综上所述，交流变频调速技术在石油行业使用广泛，在游梁式抽油机控制、电潜泵控制和电驱钻机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有待进一步解决，只有充分考虑油田油井实际情况，才能促进交流变频调速技术在采油设备中的应用。

【参考文献】

[1]朱未萍.世界石油态势及中国能源战略[J].国际经济合作，2001（11）.

[2]张德义.21世纪石油工业展望[J].石油技术与工程，2003（1）.

[3]侯芙生.迈向21世纪的石油技术[J].中国工程科学，1999（12）.