變頻器在石油行業應用典型解決方案概述

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變頻器在石油行業應用典型解決方案概述簡介
    變頻調速技術是目前世界公認的電機節電技術之一,具有調速範圍寬、調速精度高、動態響應快、運行效率高、系統功率因數高、操作方便等一系列優點,也成為當今改造傳……
變頻器在石油行業應用典型解決方案概述正文
    

變頻調速技術是目前世界公認的電機節電技術之一,具有調速範圍寬、調速精度高、動態響應快、運行效率高、系統功率因數高、操作方便等一系列優點,也成為當今改造傳統工業、改善工藝流程、提高生產過程自動化水平、提高產品質量、推動技術進步的主要手段之一。在石油行業中,變頻器廣泛應用於風機、注水泵、壓縮機、輸油泵、抽油機、潛油電泵和石油鑽機等。

1、游梁式抽油機

目前,在油田採用的抽油設備中,以游梁式抽油機最為普遍,數量也最多。

一方面,游梁式抽油機運動為反覆上下提升,一個衝程提升一次,其動力來自電動機帶動的兩個重量相當大的鋼質滑塊,當滑塊提升時,類似槓桿作用,將採油機桿送入井中;滑塊下降時,採油桿提出帶油至井口。由於電動機轉速一定,滑塊下降過程中,負荷減輕,電動機拖動產生的能量無法被負載吸收。另一方面,游梁式抽油機引入兩個大質量的鋼質滑塊,導致抽油機的起動衝擊大等問題。

除上述兩方面問題外,油田採油的特殊地理環境決定了採油設備有其獨特的運行特點:在油井開採前期儲油量大,供液足,為提高功效可採用工頻運行,保證較高產油量;在中後期,由於石油儲量減少,易造成供液不足,電動機若仍工頻運行,勢必浪費電能,造成不必要損耗,這時須考慮實際工作情況,適當降低電動機轉速,減少衝程,有效提高充盈率。

目前,對游梁式抽油機的交流變頻調速技術改造主要有以下3個方面:

(1)以提高電網質量、減小對電網影響為目標的變頻改造。這主要集中在供電企業對電網質量要求較高的場合,為避免電網質量的下降,需引入變頻控制,其主要目的就是減小抽油機工作過程對電網的影響。

(2)以節能為目的變頻改造。這點較為普遍,一方面,油田抽油機為克服大的起動轉矩,採用的電動機遠遠大於實際所需功率,工作時電動機利用率一般為20%~30%,最高不會超過50%,電動機常處於輕載狀態,造成資源浪費。另一方面,抽油機工作情況的變化,取決於地底下的狀態,若電動機始終處於工頻運行,也會造成電能浪費。為了節能,提高電動機工作效率,需進行變頻改造。

(3)改變採油桿上行和下行的速度,在一些情況下可以提高生產效率。

在實際應用過程中出現了許多問題,主要集中在游梁式抽油機發電狀態產生能量的處理上。對於上述情況,採用普通變頻器加能耗制動單元和制動電阻可以實現,這是以消耗電能為代價的制動方式。對於上述情況,必須妥善處理電動機發電狀態產生的電能,將其反饋到電網或數台抽油機變頻器構成直流母線式,使這部分能量能得到充分的利用。

2、潛油電泵

油田中應用較多的另一種採油設備是潛油電泵,它是井下工作的多級離心泵,同油管一起放入油井內,地面電源通過變壓器、控制器和潛油電泵專用電纜將電能輸送給井下潛油電泵電動機,把油井中的液體輸送到地面。

由於潛油電泵在地下兩千多米的井底工作,環境非常惡劣(高溫、強腐蝕等),傳統供電方式工頻1140伏全壓,運行故障頻繁,維護成本高。一方面,潛油電泵在工頻啟動時,啟動電流大,電動機電纜壓降較大;線路分佈參數的影響,使得啟動過程中反壓較高,容易損壞電纜和電機的絕緣性,影響使用壽命。潛油電泵損壞后提到地面上修理,僅工程費一項就達5萬元,價值10萬元的電纜平均提上放下5次就須更換,潛油電泵平均每10個月就須維修一次,維修費用約8萬元,成本較高。另一方面,潛油電泵在正常工作時,普遍存在著電動機負載率較低情況,「大馬拉小車」現象嚴重。負載率低導致電機功率因數較低。工頻工作時,始終在額定轉速下,如井下油量供不應求,容易造成「死井」,則損失慘重。為解決該問題,潛油電泵應能根據井下情況變化,調節抽油量。傳統調節方式是靠更換油嘴調節產量,既造成能量損失又不能精確控制,有時使得油泵長期額定轉速運行;有時使得油井出沙嚴重,設備壽命縮短,因而有必要引入交流變頻調速控制系統,調節油壓、調節產量。

3、注水泵

油田開發過程中地層能量不斷衰減,常用注水方式以保持地層能量,進行油田開發。一方面,注水壓力高低是決定油田合理開發和地面管線及設備狀態的重要參數。考慮到後期開發注水井的增多,注水工藝設計和機電設備配置都比實際寬裕,加之地質情況的變化,開關井數的增減,洗井及供水不足的影響,經常引起注水壓力的波動,注水量不均勻、不穩定。注水壓力控制難度大,也給油田生產和管理帶來諸多不便,因而要求油田注水壓力恆定。另一方面,由於儲油地層壓力及油氣水分佈不斷發生變化,其數值很難準確預測和控制,考慮到油田開發中的需要,在工藝和機電設備配置上都按照油田最大可能需求設計,這點在注水系統設計中尤為突出。油田注水設備多採用高壓離心泵匹配高壓電動機,大功率系統運行常是「大馬拉小車」,效率低下。注水量和注水壓力用出口閥門手動調節,這種節流控制方式簡單但耗能。

目前變頻調速技術在注水系統中主要應用在供水水源井潛油電泵、注水站注水泵、配水間增壓泵工藝中。應用變頻調速技術,對注水設備的電動機轉速進行調節,達到穩壓、穩流供注水。同時軟起軟停功能代替減壓啟動,使電動機起停平穩,減少對電網和機械設備的衝擊,不會造成管網壓力、流量、流速劇烈變化,無需閥門節流,因此對防止汽蝕、水擊、喘振極為有利,可延長管網、泵、閥門維修周期和使用壽命。

4、油氣集輸

在油田生產中,與注水泵類似,輸油泵額定排量往往大於實際需要排量,出現「大馬拉小車」現象。一方面,如完全採用閥門調節輸油量,一旦油量變化較快,輸油閥門調節頻繁,增加了工作人員勞動強度且所需人員也較多。若閥門調節不當,易造成被抽干或冒罐現象,泵出現干抽燒損,冒罐則造成原油白白浪費。另一方面,為保證輸出油量恆定,需保證管壓恆定,閥門開度直接影響到管壓。如使用變頻調速器,可徹底解決該問題。它通過減小電動機電源頻率實現降低電動機轉速。電動機帶動泵運行,轉速降低,對於柱塞泵,就是降低了柱塞運行頻率,減小泵實際排量;對於離心泵,降低了葉輪轉速,同樣降低泵排量。因此,當需排量變化時,可通過調節變頻器輸出頻率,達到控制排量的目的,保證管壓恆定。泵排量降低,電動機負荷也隨之減小,這樣電動機輸出功率亦減小,效率可大大提高,達到節能目的。

5、電驅鑽機

由於石油特殊行業背景,決定了石油鑽機有其本身特點。整個鑽井過程的複雜性決定了電動機電控系統的複雜性和多樣性。當前常用機電傳動系統按其驅動電動機類型分為直流傳動和交流傳動兩大類,目前發展為SCR傳動系統和交流變頻傳動系統。SCR電傳動系統是柴油機驅動交流發電機,發電機發出的交流電通過SCR整流裝置,將交流電變換為可控的直流電控制直流電動機,由直流電動機驅動絞車、轉盤及泥漿泵等;交流變頻傳動系統是柴油機驅動交流發電機,發電機發出的交流電通過變頻裝置,將交流電變換為可大範圍調整頻率的交流電,控制交流變頻電動機,驅動絞車、轉盤及鑽井泵等。

一方面,交流變頻電傳動鑽機的絞車、轉盤可實現無級調速,調速範圍寬,這樣不僅可去掉絞車、轉盤內變速系統,且使絞車結構簡化、重量減輕、體積縮小,為工程作業提供非常優越的施工條件。另一方面,交流變頻電傳動鑽機可使電動機短時過載倍數達2倍以上,提高了鑽機提升和處理事故能力,尤其是在帶負載情況下,可平穩啟動、制動和調速,具有軟啟動性能,可降低供電電源容量;可採用計算機自動控制技術,便於對現場情況的監控和控制;對於交流變頻電傳動鑽機鑽井泵排量、沖數、轉盤轉數、扭矩等參數,可實現全數字顯示,實現鑽機的自動化、智能化和對外界變化的自適應控制。

綜上所述,由於交流電動機自身優點,使得交流變頻電驅動鑽機無需再配電磁輔助剎車、易實現自動送鑽,鑽機結構簡單、效率高、易實現自動化等,自產生以來在國內得到一定發展。但是,當前情況下,各油田應用的鑽機以直流驅動鑽機為主,且鑽機品種和質量基本滿足了國內不同地區、不同井深的需要,已有一批國產鑽機在國外承擔鑽井作業服務,並受到用戶好評。而在交流鑽機方面,僅有長慶石油勘探局ZJ15DB型鑽機、四川石油管理局ZJ40DBS鑽機等少量機型應用了交流變頻電驅動系統,並在應用過程中受到了鑽井隊工程技術人員和設備管理人員的好評。但其交流變頻功能並沒能完全開發,因而有廣泛的應用前景。在國內,交流鑽機正成為研究熱點,許多單位和科研院所將其作為重點開發產品。

總之,交流變頻調速技術作為高新技術、基礎技術和電動機控制技術,其應用已滲透到石油行業各個技術部門。在游梁式抽油機控制、潛油電泵控制,電驅鑽機控制中的應用還處於開始階段,在應用中也出現了許多問題,有待進一步解決。只有充分考慮油田油井實際情況,才能促進交流變頻調速技術在採油設備中的應用。在油田注水和油氣集輸中的應用與生活中的恆壓供水類似,其應用技術已成熟。

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