赫茨中頻油桿加熱系統和磕頭機變頻改造應用案例

（成功應用于遼河油田、勝利油田和長慶油田）

　　抽油機的種類繁多，技術發明有數百種。從采油方式上可分為兩種:有桿類采油設備和無桿類采油設備。有桿類采油設備又可分為抽油桿往復運動類(國內外大量使用的游梁式抽油機和無游梁式抽油機)和旋轉運動類(如電動潛油螺桿泵)，無桿類采油設備也可分為電動潛油離心泵，液壓驅動類(如水力活塞泵)和氣舉采油設備。

　　我國的油田多為低滲透的低能、低產油田，不像中東的油田那樣有很強的自噴能力，大部分油田要靠注水來壓油入井，再靠抽油機把油從地層中提升上來。以水換油，以電換油是目前我國油田的現實，電費在我國的石油開采成本中占了相當大的比例。所以，石油行業十分重視節約電能。

　　目前我國抽油機的保有量在10萬臺以上，電動機裝機總容量在3500兆瓦，每年耗電量逾百億kw·h。抽油機的運行效率特別低，在我國平均效率為25.96%，國外平均水平為30.05%，年節能潛力可達幾十億kw·h。除了抽油機之外，油田還有大量的注水泵、輸油泵和潛油泵等設備，總耗電量超過油田總用電量的80%，可見，石油行業也是推廣“電機系統節能”的重點行業。

　　采用抽油機節能電控裝置是抽油機節能的一個重點發展方向。在我國北方地區，由于天氣和儲油特性的關系，通常需要對抽油管進行加熱處理，上海紅旗泰公司開發的中頻加熱系統和磕頭機變頻改造系統將兩者有機結合起來，在磕頭機下降的過程中產生的再生制動能量通過共母線節能技術，直接返回到中頻加熱裝置中，進一步提高了節電率。

圖1 基于TI DSP的油田新型節能系統平臺

　　傳統的油管中頻加熱方案

圖2 可控硅軟啟動方法

　　如圖二所示，采用可控硅軟啟動的方法即由單片機控制改變串聯在電動機定子主回路中的可控硅的導通角β，即可以改變加在定子繞組上的端電壓的大小從而起到調壓節電的目的。但是這種方法的缺點也很明顯。

　　由于可控硅的移相作用，會產生大量的諧波，對電網、電機以及通訊控制系統造成不良的影響今后這類產品將因達不到電磁兼容的標準而被限制使用。對于電動機降壓節電的有關計算和校驗，中華人民共和國國家標準GB12497-1995《三相異步電動機經濟運行》中有明確的要求：在采取調壓節電時，既要達到節電的目的，又要保證電動機軸上的出力，并有一定的過載系數，否則當負荷波動時電動機將發生堵轉而燒毀。但不是所有的降壓行為都能達到節能的目的，只有當電壓的降低程度大于轉差率及功率因數的上升程度時，才能使降壓運行中的電動機的效率得到提高而節能。當負載系數上升時，有功節電降低，綜合有功節電降低，而負載功率上升，節電效果并不明顯。而且在需重載起動的應用場合，降壓啟動會導致電機無法啟動甚至堵轉 。軟啟動可以減小起動時機械沖擊卻無法達到降低啟動電流的目的。可控硅的頻繁開關，降低可控硅的使用壽命，頻繁更換，維護成本高。

　　圖三為紅旗泰公司開發的油管中頻加熱系統框圖：

圖3 抽油管中頻加熱

　　紅旗泰公司開發的中頻油管加熱系統，采用采用美國德州儀器TI公司的最新32位DSP（數字信號處理器）為電源控制核心，SPWM控制技術，控制系統性能增強，電路簡化，負載適應性強，實現電源控制的全數字化，智能化。中頻電源工作時，纏繞的中頻電纜會產生交變磁場，輸油鋼管的外表面就形成許多微小的感應電流渦流。渦流形成的電位差只在微小的區間內（微米級）存在，在較大范圍內（毫米級），這些電位差會相互抵消。經現場檢測，輸油管上的電位差實測值不超過0.5 V。采用先進的大功率絕緣柵雙極性晶體管IGBT作為功率開關器件，逆變頻率可調。較傳統的可控硅晶閘管較好的開關斷和開關頻率高，體積小，電流大，輸出電壓、電流連續可調，可以使加熱系統處于最佳工作狀態，能源利用率高，具有恒輸出電壓/恒輸出功率控制選擇功能。 采用零壓軟啟動，啟動成功率高無沖擊。 人機對話的顯示界面，可通過鍵盤的選擇顯示工作頻率及電流，電流變比等，并可顯示故障狀態及原因，使顯示更直觀，更易于操作。采用強化的故障診斷和保護技術，使系統工作可靠，有多種參數設定和跟蹤監控功能，保護功能齊全：具有過壓、過流、缺相、控制電源欠壓等故障報警功能。 高效節能，全功率范圍內，極高的功率因數和電源效率及較好的諧波抑制能力。

　　由于采用了共同的開發平臺，避免了不同節能系統間的通信難題。有利于日后的各種系統大規模應用，降低潛在的工程投資成本，有利于日后大規模“數字油田”的建設，便于實現電源控制的全數字化，智能化。

　　針對油田中廣泛使用的抽油機-“磕頭機”，紅旗泰公司開發的抽油機專用變頻控制系統，可與抽油管中頻加熱系統配合使用。對抽油機的變頻改造如圖4所示：

圖4 抽油機變頻器接線圖

　　當變頻器發生故障時，抽油機可切換到工頻運行，使用變頻器對抽油機進行改造的優點為：

　　沖程、沖次無級可調

　　◆ 解決了低產井，抽油泵充液不足，依靠間抽的問題

　　◆ 沖程調節，提高泵效，節能明顯

　　提高電網的功率因數

　　◆ 電網功率因數可提高到0.9 以上

　　◆ 減少電網的無功損耗，具有一定的節能效果

　　抽油機實現了軟起動/軟停止

　　◆ 減少了抽油機起停示的機械沖擊

　　◆ 減少對電網的沖擊

　　紅旗泰公司的油田抽油機專用節電器采用先進微處理器數字控制技術，適用于各類處于空載、輕載或變負載運行狀態下抽油機電機節能。本產品通過內置的專用節電優化控制軟件，根據負載變化動態調節輸入電機的電壓和電流，在不改變電動機轉速、不減少抽油量的前提下，保證電動機的輸出功率與負荷需求精確匹配，在實現節能效果。產品配備了軟啟動功能，可以大大降低電機的啟動電流，減少沖擊電流對電機絕緣的破壞、降低電機運行溫度、減少電機的維護量、延長使用壽命。系統的原理圖如圖5所示:

圖5 紅旗泰抽油機專用變頻原理框圖

　　整個系統框圖如圖6所示：

圖6紅旗泰抽油機系統圖

　　同紅旗泰公司的油管加熱系統配合使用，利用共母線節能技術，將磕頭機下降沖程中的動能通過母線傳遞給油管中頻加熱系統，介意不節約了電能，提高了節電率。