变频技术在海上油田的运用

瓣　鸯诡　采油机的变频改造应用　代学峰　大庆石油管理局松原机械总厂吉林松原　１　３８０００　【摘要】本文主要阐述了油田抽油机变频控制的优点、变频改造的难　占’，传统潜油电泵保护装置、潜油电泵使用变频器的优点，螺杆泵变烦调速　自动控制系统及其改造后的效果等问题。　【关键词】采油机；变频改遣；应用　油田的采油设备较多，如游梁式抽油机、带轮机、螺杆泵、潜油电　泵、直线电动机是伴随采油的不同地质条件，经研发人员实地考察。在　综合分析各种技术条件下，在科技进步的促进下应运而生的。游梁式抽　油机，己使用很久，但大部分油田，９０％以上的油井仍使用这种设备。近　几年，随着国家节能减排措施的不断推　在节能、工艺、提效等方面，　油田科技人员正不断积极探索，力求有较大的突破。变频器在采油设备　上的应用也较多，石油钻井采用交流电动机变频调速装置，抽油机、潜　油电泵也需要变频调速装置。我们对抽油机、潜油电泵、螺杆泵变频改　造进行分别探讨。　１　油田抽油机变频控制　油梁式抽油机，即“磕头机”，油梁式抽油机在油田中，无论是设备　数量还是在规模上都占多数。并且方便安装、易于操作、安全可靠，在采　油厂广泛使用。　油梁式抽油机是采用杠杆原理，由电动机带动减速器周期性的旋　转，并拖动曲杆作往复运动，把地下的油带出地面，送入输油系统。此　设备因其安装于地面，安装、调试方便，应用广泛。然而，在地质条件复　杂时，加油质稠、含砂、结蜡较多，有时使用起来较为困难。　１．１工频控制的缺点　原来使用工频直接起动，起动转矩大，对机械的冲击较大，可能发　生断杆、卡井、减速机齿轮损坏、烧毁电动机等故障，尤其是油井的中后　期，在井液量供液不足时，需要调节冲次，更换带轮或减速箱，较繁琐，　危险性较大，工作量也大。　因其油井较深，一般在ｌｋｍ以上，设备起动时转矩要求较大，需要　的转矩大约是正常工作时的一倍以上，所以，在设计时采用的动力装置　电动机功率要大，而在正常抽油时，负载变轻，需要的转矩就较小，当　然存在“大马拉小车”现象。因其在驴头下放时，负载变轻，电动机基本　处在自由下放状态，降低了电网的功率因数及电动机的效率，增加了无　功损耗，系统效率低下，耗能较大，能源浪费严重。　１．２变频控制的优点　一是可以实现软启动、软停机，对电网无冲击。　二是可通过调节运行频率无级调节抽油机的转速，平滑方便的调　节，使系统始终保持平衡，增加泵效，工作处在最佳状态。　三是在变频器输入侧同时接入交流电抗器和直流电抗器的条件—　能提高全功率因数接近ｌ，可以减轻电网及变压器的负担，节能可以达到　１／３以上。　四是采用普通电动机就能实现调冲，这是其他方法所不及的。　１．３变频改造的难点　此类变频器较大的难点是在驴头下放时存在发电状态，若处理不　当，会向变频器内倒灌形成泵升电压，使变频器的母线电压升高，危及　变频器的安全。传统的变频器采用耗能电阻把这一部分能量以热能的　形式消耗掉，目前大多数采用回馈的方式，把泵升电压通过处理回送电　网，或采用共直流母线方案，使节能效果提高。　２．潜油电爱　潜油电泵采油是油田采油的一种方式。它一般在地下的油井内工　作，在某些供液充足、井况较好的油田，多采用潜油电泵这种采油设　备，加速采油过程，确保稳产、高产。此系统由地面控制柜和井下电泵组　成。　２．１传统潜油电泵保护装置　控制柜设电动机保护装置，有过电压、欠电压、过载、短路等保护　功能，因潜油电泵工作于井下油的液面下，全靠油的循环散热，控制柜　一定要设置欠载保护，以确保在井内供液不足时停止运转，不使电泵空　转而烧毁。　潜油电泵是安置在井下ｌＯ００ｍ￣３ＯＯＯｍ的电泵设备，工作环境很差，　而传统的供电方式全压、工频更使其故障频繁，运行成本高。采用工频　全压启动、恒速运行，有以下弊病：　（１）工频全速运转，在井下液量不富裕时，可能抽空，严重时造成　死井。　（２）产生冲击扭矩，损坏机泵结构。　（３）泵突然产生较大吸力，容易吸入砂子，造成卡泵，且无稳压系　统和井下液面波动较大，造成电压、电流不稳定，使潜油电动机过励磁　或欠励磁，引起故障。　（４）油田供电电压常有波动，使电动机欠励磁或过励磁，经常烧毁　电动机。　，　（５）维修量较大，维护成本高。　２．２潜油电泵使用变频器的优点　基于这些原因，科技人员必须寻求更好的控制方法。变频器具有软　启动和调速方便的优点，把此设备投入到潜油电泵的控制电路上，可以　取得较好的效果。　（１）低频、低压的软启动，使电网无冲击，电泵转矩降低，可以延　长电缆及电泵寿命。　（２）应按井况随时调节电泵转速，使系统在良好的工作状态下运　行。节能效果较好，约可以节能１５￣／ｏ／Ｅ右。　。（３）电泵工作电压不受电网波动的影响，电动机运行平稳，无脉动　现象，变频器能补偿电路电缆的损耗，电动机正常工作。　（４）控制方便，操作简单，各种运行参数清楚、全面。　（５）保护功能齐全。　此类变频器运行比较可靠、稳定的主要有山东新风光电子科技发　展有限公司生产的中压潜油电泵变频器，在大庆、胜利等油田使用较　多，使用效果良好。　３，螺杆泵　在高粘度、高台砂量的区块，一般采用螺杆泵进行稠油油藏的开　采。　螺杆泵既有其柱塞泵的硬特性，又具有离心泵的软特性，能够输　送高粘度、高台砂量的原油，适应高气油比、中深低产井原油的需要。　（１）变频调速自动控制系统　变频控制系统包括变频器、主控电路和辅助电路。主控电路由变频　控制电路和工频控制电路组成，针对螺杆泵井的生产需要，通过切换变　频控制和工频控制部分控制螺杆泵电动机的运行状态。为在变频故障　下不影响生产，采用工频旁路，作为变频备用。　（２）改造后的效果　一是螺杆泵变频调速采油工艺技术可以实现变频调速自动控制。　二是它具有寿命长、抗干扰能力强、线性范围宽、精度高等优点。三是　能提高螺杆泵井的管理水平，为螺杆泵井的安全运行提供保证。　参考文献　【１惆加胜．采油设备的发展．变频器世界，２００８．５　【２】蒋仕民．游梁式抽油机节能技术在河南油田的应用分析．石油天　然气学报，２０１　０年　～　

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变频调速在油田抽油机控制系统中的应用

作者：苏宪龙 李 山 苗亮亮 苏盈盈

来源：《现代电子技术》2008年第11期

过程控制等技术设计了一种高效节能的新型抽油机。介绍了以PLC、变频器为核心组成的变频调速在抽油机控制系统中的应用。阐述了该抽油系统的节能原理、硬件、软件设计及其优点，通过室内模拟试验，证明了基于PLC控制的变频调速应用在抽油机控制系统中，有着优越的技术性能及其显著的经济效益,且具有很好的推广应用价值和进一步的研究价值。

关键词：抽油机；可编程控制器；变频调速；控制系统

中图分类号：TP202 文献标识码：B

文章编号：1004-373X(2008)11-123-

System of Pumping Unit in Oil Field

SU Xianlong,LI Shan,MI

(Chongqing Institute of Technology,Chongqing,400050,China)

Abstract：Due to the shortcomings of low efficiency,high cost and complex adjusting parameters

of rod pumping units at present,it makes full use of drive control technology and processing control

technology to design of a new energy-saving and high-efficiency new oil-drawing

machine.Introducing one kind of frequency converter and PLC for the core constitute of frequency

抽油机变频应用方案

南阳防爆集团电气系统工程有限公司

目 录

1.概述 ........................................................ 1

2.抽油机变频改造分析 ........................................... 1

2.1抽油机的工作状态简述 .................................... 1

2.2抽油机变频改造的几个好处 ................................ 3

2.3抽油机（磕头机）负载分析 ................................ 3

2.4传统磕头机变频器改造的难点 .............................. 4

3.解决方案简介 ................................................ 5

4.系统原理图 .................................................. 7

1

1.概述

目前，抽油机是应用最普遍的石油开采机械之一，也是油田耗电大户，其用电量约占油田总用电量的40％，且总体效率很低，据调查一般在30％左右。

油田抽油机负载是独具特点的时变负载：有动、静负载特性之分。起动初始状态要求拖动电机的起动力矩是抽油机实际负载的3－4倍，甚至更大，起动力矩是抽油机选配电机的第一要素。

当起动力矩适用则负载功率必然匹配不佳，运行负载功率都远小于电机的额定功率，即所谓“大马拉小车”现象。过剩的抽油能力令抽油机的无功抽取时间增加，造成油井开采的电费成本居高不下，能源浪费十分严重。可见抽油机的节能潜力非常可观，因此，抽油机节能潜力非常巨大，石油行业也是推广“电机系统节能”的重点行业。

采用１　１４０　Ｖ级的潜油电泵。随着油井深度的增加，　

少量深井开始使用２　３００　Ｖ的潜油电泵。潜油电泵　

配电控制箱中压变频器采用二极管箝位三电平变　

频控制调速技术，其系统简图如图１所示。　

图１三电平变频控制系统简图　

三电平变频调速控制系统按功能分为４个主要　

部分：即控制监测部分、频率生成部分、电压波形数　据存储部分和变换输出部分。控制监测部分由核　

心单片机构成；频率生成部分主要由定时器、计数　

器和锁相环节组成；电压波形数据存储部分主要由　

随机存储器（ＲＯＭ）、地址锁存和数据分配环节组　

成。其工作原理为：在程序控制下，根据系统实际　

运行情况，由单片机计算出当前最优的频率和电压　参数（由ｕ／ｆ决定），实时地给定定时器定值和数据　

ＲＯＭ页地址，以定时器的输出频率为节拍，按顺序　

逐个送出ＲＯＭ中数据去控制每个绝缘栅双级型晶　

体管（ＩＧＢＴ）开关，达到控制输出电平的目的。同　

时，单片机通过对各前向通道采样接收从传感器反　馈回的信号（包括电流、电压和负载变化），实时地　

对系统的运行方式进行控制和对运行状态进行监　

测（主要是故障的诊断和处理），做到闭环控制。　该技术的特点偏优于采用在不太高的中压变　

频器中。它与二电平相比较，其输出的电压波形虽　

然仍为矩形脉冲，但其脉冲幅值却降低１倍，较好地　

解决了ｄｖ／ｄｔ高所带来的绝缘及谐波等问题，使变频　器的输出波形更接近正弦波，彻底地解决了因器件　

换流对电动机绝缘造成冲击导致的绝缘损伤、轴电　压对电动机轴承的腐蚀以及传导干扰、辐射干扰等　

诸多问题，降低漏电流及电动机噪音。其缺点已基　本克服，美中不足的是逆变元件的换流尚须由箝位　

二极管来保证，尽管其中点电压浮动也是问题之一，　

系统也变得稍加复杂，但在几十千瓦的变频器中，该　不足之处并不构成价格限制因素。　

２　巾　变频涮速驱动技术的特点　

（１）变频器具备软启动功能，平滑启动，消除启　

动时的冲击电流，启动时电动机电流可限制在其额　定电流的１５０％之内。在启动过程中，电动机转速随