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      變頻儲能技術(shù)原理及現(xiàn)場應(yīng)用研究

      2017-01-24 15:43:25趙亞杰黃華董濤
      關(guān)鍵詞:沖次抽油機(jī)

      趙亞杰++黃華++董濤

      摘 要:抽油機(jī)帶動油桿上、下往復(fù)運(yùn)動過程中,電動機(jī)會進(jìn)入重負(fù)荷—輕負(fù)荷—空載—發(fā)電—空載—輕負(fù)荷—重負(fù)荷的循環(huán)狀態(tài)。目前,延長油田抽油機(jī)存在沖次大、井下供液不足,抽油泵多數(shù)存在干抽現(xiàn)象。為了降低耗電量,減少采油成本,采用變頻儲能技術(shù)控制電機(jī),無級調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速,降低抽油機(jī)沖次。同時(shí),將電機(jī)負(fù)發(fā)電產(chǎn)生的電能儲存在儲能電容中,在抽油機(jī)另外半個周期中供給電機(jī)使用。在延長油田永寧采油廠實(shí)施了168口井,穩(wěn)定運(yùn)行了10個月,利用抽油機(jī)系統(tǒng)效率測試儀進(jìn)行電機(jī)耗電量測試,結(jié)果顯示平均節(jié)電率37.68%,功率因數(shù)平均值為0.98。

      關(guān)鍵詞:抽油機(jī);沖次;干抽;變頻儲能;節(jié)電率;功率因素

      中圖分類號: TE933 文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A 文章編號: 1673-1069(2016)35-188-2

      0 引言

      延長油田基本采用游梁式抽油機(jī)。游梁式抽油機(jī)是一種特殊的四連桿機(jī)構(gòu),其整個結(jié)構(gòu)特點(diǎn)像一架天平,一端是抽油載荷,另一端是平衡配重載荷。地面采油系統(tǒng)耗電設(shè)備主要為抽油機(jī),在抽油機(jī)帶動油桿上、下往復(fù)運(yùn)動過程中,電動機(jī)會進(jìn)入重負(fù)荷—輕負(fù)荷—空載—發(fā)電—空載—輕負(fù)荷—重負(fù)荷的循環(huán)狀態(tài)。當(dāng)抽油桿上升時(shí),由于電動機(jī)需要克服液柱負(fù)載、油桿負(fù)載、摩擦阻力等而處于重載荷運(yùn)行狀態(tài);當(dāng)抽油桿下降時(shí),由于電動機(jī)需要克服較小的負(fù)載而處于輕負(fù)載或空載狀態(tài)。

      由于抽油桿、光桿、液柱是有一定重量的,再加上油管、油桿的形變,導(dǎo)致抽油機(jī)啟動的瞬間,需要克服較大的啟動負(fù)荷;當(dāng)抽油機(jī)正常運(yùn)行后,需要的功率又大幅減少,由于液面深度是動態(tài)變化的,抽油載荷也隨之發(fā)生變化,平衡配重載荷和抽油載荷工作的變化規(guī)律一致是不可能的,地面采油系統(tǒng)中的抽油機(jī)就會出現(xiàn)欠平衡或過平衡現(xiàn)象,而電動機(jī)提供的功率是額定的,因此就出現(xiàn)了電動機(jī)“大馬拉小車”、電動機(jī)空載等現(xiàn)象,造成能源的巨大浪費(fèi)。

      目前,延長油田約有99%的油井使用有桿泵,加上游梁式抽油機(jī)存在能耗大、效率低、成本高等問題。從單純的機(jī)械角度來看,抽油機(jī)的節(jié)能方法有三種:一是使用節(jié)能型抽油機(jī),如異相曲柄平衡抽油機(jī)、異型游梁式抽油機(jī)和寬帶機(jī)等,盡可能地使抽油機(jī)的平衡曲線和抽油機(jī)載荷曲線的變化規(guī)律相抵消,而且和不同階段的抽油機(jī)載荷相適應(yīng);二是抽油機(jī)調(diào)平衡,通過使用電流表測上下行電流,使抽油機(jī)的平衡度處于80%~100%之間;三是扎實(shí)推進(jìn)抽油機(jī)調(diào)參工作,優(yōu)化抽油機(jī)工作參數(shù)。

      為了降低抽油機(jī)沖次,同時(shí)回收電機(jī)負(fù)發(fā)電的能量,采用變頻儲能技術(shù)控制抽油機(jī)電機(jī),實(shí)現(xiàn)無級調(diào)節(jié)抽油機(jī)沖次,同時(shí)將電機(jī)負(fù)發(fā)電的能量儲存在儲能電容中,在抽油機(jī)另外半個周期中使用,取得了較好的使用效果。

      1 變頻調(diào)速儲能技術(shù)原理

      變頻調(diào)速儲能技術(shù)是實(shí)現(xiàn)了電動機(jī)的軟啟動,對電網(wǎng)無沖擊,電動機(jī)功率因數(shù)可由0.25~0.50 提高到0.90以上,從而減輕了電網(wǎng)及變壓器的負(fù)擔(dān),降低了線損。操作方便,不需停產(chǎn)即可根據(jù)油井的實(shí)際供液能力,動態(tài)調(diào)整抽取速度。利用最新研制的四象限矢量控制變頻調(diào)速器,配以過程控制、位置傳感等技術(shù)改造現(xiàn)有的抽油機(jī),可以實(shí)現(xiàn)油井節(jié)電、增效和增產(chǎn),從而提高整個有桿抽油系統(tǒng)的機(jī)采效率。

      目前抽油機(jī)的能量回收方式有兩種:逆變器和超級電容(大容量電容),電氣原理圖分別見圖1和圖2。逆變器和超級電容(大容量電容)能量回收方式不一樣,前者是實(shí)時(shí)將能量回饋到電網(wǎng)上對電網(wǎng)有污染,后者是將抽油機(jī)前半周期電機(jī)發(fā)電的能量儲存在超級電容(大容量電容)中,在抽油機(jī)后半周期使用。

      逆變器接在變頻器的母線上,抽油機(jī)平衡塊下落過程中,電動機(jī)發(fā)電在變頻器的母線上產(chǎn)生直流電,通過逆變器加到電網(wǎng)上,以節(jié)省電能,同時(shí)須增加濾波器去除變頻器產(chǎn)生的高次諧波,盡量減少對電網(wǎng)的污染。

      超級電容(大容量電容)同樣接在變頻器母線上,抽油機(jī)平衡塊下落過程中,電動機(jī)發(fā)電在變頻器的母線上產(chǎn)生直流電,電能儲存在超級電容(大容量電容)上,平衡塊上升時(shí)優(yōu)先使用超級電容(大容量電容)上的電能,以節(jié)省電能,同時(shí)須增加濾波器去除變頻器產(chǎn)生的高次諧波。此方案對電網(wǎng)沒有任何污染,但電能回收效率沒有逆變器高。慣性負(fù)載中利用“超級電容”儲能,早先使用在高鐵中,目前已經(jīng)在油電混合汽車上廣泛應(yīng)用,將前半周期產(chǎn)生的能量暫時(shí)儲存,后半周期使用。

      2 現(xiàn)場應(yīng)用及效果評價(jià)

      168套變頻儲能柜于2016年1月在永寧采油廠實(shí)施完畢后,正常運(yùn)行3個多月后,于2016年3月利用荊州市微遠(yuǎn)網(wǎng)絡(luò)科技有限公司生產(chǎn)的XTZH-IIIP型抽油機(jī)系統(tǒng)效率綜合測試儀,對已經(jīng)實(shí)施的168口井的電機(jī)進(jìn)行能耗測試,測得工頻和變頻(40Hz)狀態(tài)下電機(jī)功率曲線、電機(jī)電流曲線和電機(jī)兩端電壓曲線,及電機(jī)平均有功功率、平均正有功功率、平均負(fù)有功功率、功率因數(shù)。

      為了更好地分析電機(jī)能耗,將視在功率、有功功率、無功功率及功率因數(shù)之間的關(guān)系闡述如下:

      S2=P2+Q2;P=S·cos?;Q=S·sin?

      式中,S——視在功率,kW;P——有功功率,kW;Q——無功功率,kW;?——工作電流與電壓之間的相位角;cos——功率因數(shù),一般要求大于0.9,純電阻性質(zhì)電路為1。

      另外,分析電機(jī)耗電量時(shí)需要注意以下幾點(diǎn):①無功功率越小越好,但一般不為0,除非是純電阻性電路;②負(fù)有功功率,即為用電設(shè)備向電網(wǎng)回饋的能量,這是國家電網(wǎng)禁止的;③其中平均有功功率=平均正有功功率+平均負(fù)有功功率+線損壞+其他能量損失;④耗電量計(jì)算一般以平均正有功功率為準(zhǔn)。

      為了更好地比較平均有功功率、平均正有功功率、平均負(fù)有功功率、平均無功功率及功率因數(shù),根據(jù)測試數(shù)據(jù)用Origin將它們繪制成曲線如圖3、圖4所示。

      根據(jù)圖3、圖4可知:①工頻狀態(tài)下每臺電機(jī)的平均正有功功率均值為3.53kW、功率因數(shù)平均值為0.312。②變頻(40Hz)狀態(tài)下每臺電機(jī)的平均正有功功率均值為2.2kW,功率因數(shù)平均值為0.98。

      3 結(jié)論

      ①采用變頻儲能調(diào)速技術(shù)后,平均正有功功率可降低37.68%,即節(jié)電率為37.68%。②采用變頻儲能調(diào)速技術(shù)后,功率因數(shù)均值由0.312提高為0.98,實(shí)現(xiàn)了真正意義上的軟啟動,大大減少無功消耗和電網(wǎng)的沖擊。

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