浅论变频节能系统在油田的应用

王石磊

(特变电工新疆新能源股份有限公司，新疆 乌鲁木齐 830011)

一 引言

1.新疆油田用电状况

目前，在我国油田抽油设备中，以游梁式磕头抽油机应用最为普遍，数量也最多。但是，传统的磕头机普遍存在着起动冲击大，运行耗电多，大马拉小车、效率低下等诸多问题，加之油井情况复杂，稠油、结蜡、沙卡现象较多，断杆、烧电机等现象时有发生，对电动机没有可靠的保护功能，设备维修量大，同时，油田采油机属于单回路供电，无备用电源。为此，急需对现有的抽油机设备进行改造。

目前新疆很多油田多为低渗透的低能、低产性为主。在油田企业开采过程中主要消耗的能源为水，电，因此，电费在石油开采成本中占了相当大的比例，比重占据了整个开支的30%～40%，因此高能耗成了油田企业很大的负担。

近年来，新疆油区大部分油田已经进入了开发后期，开发深度和难度也随之俱增，油田供液能力明显不足，再加之油田大部分油田为贫油井，在这种环境下，应用的抽油设备仍是机械游粱式采油机，占据了总比重的90%以上，因而整个油井的电耗也日俱攀高。

2.油田用电要求

国家于2005年颁布的《中国节能技术大纲》也明确要求，石油天然气行业机械采油等主要运行效率要提高2%至3%，强调坚持把节约能源放在首位。因此，石油行业大力节约能源已成为一项行政指标。

前不久，“中国石油石化协会石油节能抽油设备专业委员会”的成立可以充分说明了当前各油田三抽设备节能的迫切性和必要性。

进一步落实节能工作，提倡节能企业是当前各油田实现节约降耗增效、提高企业竞争能力、树立企业良好形象的必然选择。目前各油田企业的组织领导已经从战略高度充分认识到了节能的重要性，并在坚持执行“节约与开发并举，把节约放在首位”的方针，积极推进管理机制创新。这种管理理念对“用电大户”油田企业来说显然是迈向高效率，低成本的良性发展之路。

二 油田电能症状分析

由于油田采油生产使用的抽油机电机载荷是带有冲击性的边载荷，特别是稠油和高凝结构井，故为了使拖动抽油机的电动机稳定运行并具有一定的过载能力，需按抽油机的最大功率来配备电动机，长期以来，油田抽油机大多都处于轻载运行，甚至个别运行段是空载运行，造成极大的能源浪费。

油井设备选型时，所选择的电机考虑负载的频繁启动的因素，其设计功率必须大于驱动负载的平均需求，并且应用负荷本身就是变化的，而选择的电机大小必须能满足最大负荷时的需求，尽管最大负荷只是间断出现，而其它时间负荷要小的多，因而就出现了严重的“大马拉小车”的现象。

“三抽”本身的性能和使用寿命、维护和运转费用都与采油成本有直接关系，“三抽”设备的质量、水平直接关系到油田的原油产量和综合经济效益，一般而言，油田所用的抽油机均普遍存在抽取能力大于油井实际负荷的问题，泵空抽、半抽现象便相伴而生，泵空抽增加了无效行程，浪费大量的电能，同时也使抽油设备的维护费用增高，因而拖住经济效益的后腿。毫无疑问，电能的有效利用已成为油田企业迫在抓紧的一项工作，近年来在大力提倡降低成本，高效采油的思想指导下落实科学发展观，建设节约型企业已成为油田企业今后发展的关键和主攻方向。

三 油田节能解决措施

1.用电的品质和控制层面

由于日益严峻的用电需求和国内电网传输的设备老化(80年代初期所装配的用电设备部分已达不到现代企业的要求)，使得企业生产设备的正常运作受到电力品质的严重干扰，加之企业的自身技术手段及设备日益老化等客观因素的存在，导致企业在问题和损失发生之后才采取危机管理手段和方法，做临时的技术处理，在一次事故处理之后并不知道下一次事故或故障会出现在何时，何处，又能造成什么样的后果，因而就造成了不必要的损失和浪费。

2.三抽设备的运行效率层面

针对抽油机而言，这个层面的节能空间是最大的，通常，油田所有的抽油机普遍存在抽取能力大于油井实际负荷的问题，油泵空抽或半抽是常有的事，因为抽油机的电机载荷是带有冲击性的变载荷，特别是稠油和高凝结构的油井来说这种现象更严重，但是为了能使拖动抽油机的电动机稳定运行并有一定的过载能力，还得按抽油机的最大功率来选用电动机，这样一来，抽油机长期在轻载运行，甚至空栽运行，这就如同运输车空车来回或少量运货，形成极大的电能浪费，也造成抽油机本身设备维护费用的增高。

四 采用变频节能的优点

抽油机电机部分节能，其可选用变频器对其电机拖动系统进行改进，抽油电机改用变频器拖动后有以下几个优点：①提高抽油机拖动电机功率因数(实际测量得电机功率因素由0.25～0.7提升至0.9以上)，有效减小了电机供电电流，从而减轻了供电电网及变压器的负荷，降低线路线损。②根据油井的实际采液能力，可动态调整抽取速度，以达到负荷供需均衡，实现节能，增产目的。③由于变频器自身具有的“斜坡电流起动”功能，对电动机、变速箱、抽油机都可实现平滑启动，避免启动过程中的机械冲击，提高设备使用效率。

五 运用变频节能时需注意事项

变频器用于抽油机电机时，由于负载运行特性也有几个问题需要注意并进行解决。

1.设备运行时产生的冲击电流对变频器的影响

游梁式抽油机整机结构特点可看做天平机理，一端为抽油管路负荷，另一端为配重平衡系统。抽油机运行时对平衡要求较高，平衡率越低，则需要电动机提供的动力越大。同时由于抽油载荷是时刻都在发生变化的，而平衡配重需要求与抽油载荷作进行同步的变化，这一要求也使得抽油机的变频节能技术变得复杂，同时也给采用变频器调速控制提出很高的平衡要求。

变频器的选型一般是按电动机的额定功率进行选配，抽油机运行时在上下抽取过程中将产生过大的正向冲击电流，使变频器发生过载保护动作，导致抽油机不能正常工作。故在抽油机配用变频器进行选型时应选用与电机额定功率相同容量或向上提升一个等级容量(视抽油机的负载量及平衡率而定)，可对抽油机的长期稳定运行起保障作用。同时由于抽油机的起动扭矩较大，故要将变频器的加减速时间设置为30～50秒，不致在起动时引起过载过流保护动作。

2.再生能量的处理问题

由于抽油机属位能性负载，尤其当配重不平衡时，在抽油机工作的一个冲程周期中，会出现电动机处于再生制动工作状态(发电状态)，电动机由于位能或惯性，其转速会超过同步转速，再生能量通过与变频器逆变桥开关器件(IGBT)并联的续流二极管的整流作用，反馈到直流母线。由于交一直一交变频器的直流母线采用普通二级管整流桥供电，不能向电网回馈电能，所以反馈到直流母线的再生能量只能对滤波电容器充电而使直流母线电压升高，得到“泵升电压”。直流母线电压过高时将会对滤波电容器和功率开关器件构成威胁，为了保护电容器及功率开关器件的安全，所以变频器都必须设置了“OUD”保护——直流母线电压高保护停机功能。

(1)对于抽油机运行所产生的反向再生电流，可通过增大变频器直流母线上滤波电容器的容量，将再生能量储存起来，等电动状态时再释放给拖动电机作功。这种方法对节能有利，但是电容器的储能作用是有限的，因此在大容量或者负载惯量大的系统中，不可能只靠滤波电容器来限制泵升电压。

(2)第二种办法是采用“放”的办法，可以采用由分流电阻器和开关管组成的泵升电压限制电路，也就是将回馈能量消耗在电阻上，这是一种耗能的方法，对节能不利。尤其是在大容量或者大惯量拖动系统中，能量的损失较大。当然也可以采用现成的变频器选件：制动单元和制动电阻来实现。

六 结束语

变频节能技术目前已在新疆油田得到良好应用，各项节能技术在油田企业的应用是创造油田企业依托科技开发和集成创新，形成企业价值的最大化和产业长期、健康、持续的发展，为油田创建和谐发展的节约型社会迈向长远步伐的有力保障。

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