采用变频回馈技术对游梁式抽油机的改造

采用变频回馈技术对游梁式抽油机的改造
张阳
职称评审,评审条件,建筑设计,高级工程师
摘要：关键词：变频技术、节能、抽油机、效率
1．前言
我国的油田大多是中、晚期的油田，油井多为低渗透的低能、低产油井，绝大部分油井都是注水开采和使用抽油机提升油井产出液。在采油成本中，抽油机电费占30％左右，为采油生产电耗的第二位，仅次于注水。由于历史原因我国的抽油机大多为游粱式，大部分抽油机由工频电机拖动，在功率配备上就高不就低，存在着“大马拉小车”的现象，造成电机效率较低，无功损耗相对较高。另外，由于部分油井产能低，存在一定的干抽现象等等。这些现象造成抽油机综合运行效率特别低，有些油井机采效率仅为1O%，在国内一般地区平均只有12%～23%，先进地区至今也不到30%。
随着全球能源紧张，油价、电价飞涨，在“能源开发和节约并重”的方针指导下，“增收节支”成为石化行业的热门话题。在工业科技迅猛发展的今天，除了通过加强管理等手段以外，我们还应通过现代先进技术对能源浪费设备进行节能改造，实现“增收节支”的目的。
2．游粱式抽油机能耗高的原因
2.1 游梁式抽油机的悬点载荷为周期性变载荷，而驱动抽油机的普通三相异步电动机输出的转速和扭矩基本上恒定不变，为满足峰值扭矩的要求，抽油机不得不配用较大功率的电动机，这就造成了运行过程中大多数情况下电动机处于轻载状态，运行效率和功率因数都很低，尤其是在无功状态时的功率因数非常低。
2.2 游梁抽油机在运行过程中，当相位角在大于90°的情况下，有功电流为负，电动机处于发电状态，在电动和发电的转换过程中电动机正好处在效率最低段整个过程中能量转换的效率特别低。
2.3 游梁抽油机在换向过程中悬点加速度比较大。在整个机、杆、泵系统中，通常抽油杆达到1OOOm以上，这样长的抽油杆在运行过程中弹性变形已经很明显，在换向加速度大时抽油杆变形更大，这种变形使光杆与泵中活塞的运动规律产生很大的差异。在大多数情况下抽油杆的弹性变形减少了活塞的实际行程，降低了抽油泵的充满系数，导致干抽现象的发生，造成吨油耗能增加。
以上这些原因造成抽油机能耗过大，油井开采的电费消耗居高不下。因此，对现今使用的常规游梁式抽油机进行技术改造已成为迫切任务。
3．改造设想
目前用于油田的在役抽油机仍以常规游梁式抽油机为主，如何进一步发挥游梁机的作用，挖掘其节能潜力，而且要投入少，效益高，特别是能够在不影响生产的前提下，对在役抽油机实现节能改造，成为油田亟待解决的实际问题。
我们针对抽油机能耗高的几个主要原因，考虑采用变频回馈一体节能装置来改进抽油机的运行状态达到降低吨油耗能的目的。
油田传统上是靠调节传动轮的方式来调整冲次模式，而采用变频控制系统改造后，调节冲次时只需调节电动机转速，就可收到较好的效果。在前期井中，调高电动机转速，可达到60HZ，使抽油量增大，提高产量；在中后期井中。油井的供液能力小于抽油泵的排量，就可能造成泵抽空和液击。防止液击的有效方法之一就是减慢泵速以提高泵充满度。通过变频调速技术降低电机转速减少抽取频次，可提高泵的充满度，大大提高系统效率。
采用变频技术，除了可以改变抽油机的冲程频次之外，还可以根据实际需要可把转速控制细化为上行程转速控制和下行程转速控制，使抽油机工作在最佳运行状态。在下行程时，适当降低下行程的速度，可以减小抽油杆的弯曲度，从而降低偏磨程度。提高原油在泵内的充满度；在上行程时，适当提高上行程的速度，则可减少在提升中的漏失系数，有效的提高单位时间内原油产量。另外，我们可根据井况实际负载的大小，调整电动机端电压频率，精确的匹配供给电机功率。当抽油机下行时，供给的功率相应较小；当抽油机上行时，供给的功率相应较大；使之尽量与所需实际功率相匹配，也就减少了多余的厉磁电流，进而减少电动机的铜损和铁损．避免了由于轻载引起的电机效率下降问题．使电动机始终运行在最佳状态，提高电机效率，从而有效的节约电能。
梁式抽油机的运行状况并非是恒转速状态，其运行状态是：上；中程时，电动机是处在耗能状态，下冲程时，电动机则处于发电状态，在使用变频器时，为使变频器能够持续运行，就必须将电动机发出来的电能释放掉。第一种方式是外加制动单元和制动电阻，把电能消耗在电阻上；第二种方式是采用回馈制动方式，将电能回馈到原电网。在油田抽油机上选用第二种回馈制动方式，是实现节能最大化的方式，也是首选方式。
利用变频器加智能控制，可以提高采油系统的效率、降低吨油成本、提高产量，使抽油机的工作参数更适合地下工况，调整更方便容易，有效解决起动冲击大，运行耗电多，大马拉小车、效率低下等诸多问题。
4．变频回馈一体节能装置在抽油机上的应用
吐哈油田温米采油厂093井是2003年投产的，改造前泵效仅为38.67%，功率因数为0.357,系统效率32.99%，经论证后对该井进行了应用改造。改造后，该井的能耗有明显下降，泵效显著提高，生产管理也较过去便利，具体体现在以下几个方面：
1)冲次任意调节：根据产液量的变化可任意无级调节抽油机的冲次，不用更换皮带轮、不需停产调节速度，提高了生产效率。解决了因调速造成的停产及用更换皮带轮的方法冲次调节范围窄的问题。
2)实现了分段转速控制：通过变频对抽油机转速的调节，根据抽油机的特殊工况，把转速控制细划分上冲程转速控制和下冲程转速控制，减少漏失，提高泵充满程
度，提高泵效。
3)提高了油井的产量和泵效：根据油井的实际供液能力，动态调整抽取速度，使油井的供排协调，减少泵的空行程，提高泵效。该试验井经改造后，泵效为52.03%,
提高了13.3%，日产液提高0.4吨。
4)提高了电网和电机的功率因数：使用变频器后，电动机功率因数提高0.789，系统效率提高到48.57%,接近了国外先进油田的标准。
5)对电网和设备无冲击。当电机在工频状态下启动时，启动电流相当于5～7倍额定电流，对抽油设备和供电电网造成很大的冲击，尤其是稀土永磁电机在启动瞬间产生很大的电流和震动，使用变频后电机柔性启动，使启动电流降至3—4倍，减少了对电网和抽油设备的冲击。
6)改善了抽油杆受力状况。光杆抽油速度对抽油杆受力有很大的影响，变频降冲次和优化上下冲程速度，实现慢上快下，改善了抽油杆循环特性。
7)电机能耗明显减少。采用变频回馈拖动，一方面提高了电机及电网的功率因数，另一方面，在电机处于发电工作状态时，回馈单元把再生电能回馈电网(回馈单元的滤波器全程过滤噪声，不会污染电网和干扰其他设备)，使抽油机系统的效率得到显著提高。
8)使用变频回馈拖动装置后，不仅能耗降低、原油产量上升，光杆、泵、皮带等的维护周期都会延长，使用寿命也会延长，综合经济效益非常可观。
5．结束语
在抽油机节能改造中，需要不断引进新技术、新工艺，在实践中逐渐改善和提高将节能电控装置的节能效果，使其在抽油机节能中发挥更大的作用。
采用变频拖动对游梁式抽油机进行技术改造，技术方案较为成熟，改造后的节能增产效果较为明显，值得大面积推广应用。变频拖动不仅适用于低产、低速、低效油井的改造．同样适用于新投油井。对新投油井，更可灵活地使用变频拖动。新投油井井底液面较高、泵挂低，泵的充满度高，为提高泵效，可适当提高抽油机的冲程频次，提高产液量，提升开采效率。在变频拖动的情况下，只需适当提高输出频率即可达到目的，方便易行；随着新投井的持续开采，如果出现产液量自然递减，只需适时调整变频器的工作参数即可，并不需要再进行适应性改造。可以肯定，大面积推广变频回馈节能装置将全面提升全油田的机采系统效率，降低综合能耗，进而提高采油企业的经济效益。
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