變頻遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)在油田中研究與應(yīng)用

  摘要：目前，國內(nèi)外很多電力拖動(dòng)場(chǎng)合已將矢量控制的變頻器廣泛應(yīng)用于通用機(jī)械、紡織、印染、造紙、軋鋼、化工、石油等行業(yè)中交流電動(dòng)機(jī)的無級(jí)調(diào)速，已明顯取得節(jié)能效果并滿足工藝和自動(dòng)調(diào)速要求。目前油田節(jié)能降耗，建造數(shù)字化油田已成為中國石油行業(yè)的發(fā)展目標(biāo)。采用變頻調(diào)速及無線通訊系統(tǒng)能對(duì)油田油井的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，遠(yuǎn)程調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)。從而降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度。使抽油機(jī)運(yùn)行在最佳理想狀態(tài)。本文以PL-ZNCY系列變頻遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)先容其工作原理及在油田中的應(yīng)用情況。

一、前言

我國的油田絕大部分為低能、低產(chǎn)油田，不像國外的油田有很強(qiáng)的自噴能力，大部分油田要靠注水來壓油入井，靠抽油機(jī)(磕頭機(jī))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(xiàn)實(shí)，電費(fèi)在我國的石油開采成本中占了相當(dāng)大的比例，所以，石油行業(yè)十分重視節(jié)約電能、增產(chǎn)、減少設(shè)備維護(hù)等。

目前據(jù)統(tǒng)計(jì)我國抽油機(jī)的保有量在10萬臺(tái)以上，電動(dòng)機(jī)裝機(jī)總?cè)萘吭?500MW，年耗電逾百億KW·h。抽油機(jī)的運(yùn)行效率特別低，在我國平均運(yùn)行效率為25.96%，國外平均水平為30.05%，年節(jié)能潛力可達(dá)幾十億KW·h。除了抽油機(jī)之外，油田還有大量的注水泵、輸油泵、潛油泵等設(shè)備，總耗電量超過油田總用電量的80%?？梢姡托袠I(yè)也是推廣“電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能”的重點(diǎn)行業(yè)。

抽油機(jī)節(jié)能，其首選方案是采用變頻器對(duì)其電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改造，抽油機(jī)改用變頻器拖動(dòng)后有以下幾個(gè)好處：

1)大大提高了功率因數(shù)(提高到0.9以上)，大大減小了供電(視在)電流，從而減輕了電網(wǎng)及變壓器的負(fù)擔(dān)，降低了線損，可省去大量的“增容”開支；

2)可根據(jù)油井的實(shí)際供液能力，動(dòng)態(tài)調(diào)整抽取速度，一方面達(dá)到節(jié)能目的，同時(shí)還可以增加原油產(chǎn)量；

3)由于實(shí)現(xiàn)了真正的“軟起動(dòng)”，對(duì)電動(dòng)機(jī)、變速箱、抽油機(jī)都避免了過大的機(jī)械沖擊，大大延長了設(shè)備的使用壽命，減少了停產(chǎn)時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。

但是，變頻器用于抽油機(jī)電機(jī)時(shí)，也有幾個(gè)問題需要解決。

(1)沖擊電流問題

如圖1所示，游梁式抽油機(jī)是一種變形的四連桿機(jī)構(gòu)，其整機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)像一架天平，一端是抽油載荷，另一端是平衡配重載荷。對(duì)于支架來說，如果抽油載荷和平衡載荷形成的扭矩相等或變化一致，那么用很小的動(dòng)力就可以使抽油機(jī)連續(xù)不間斷地工作。也就是說抽油機(jī)的節(jié)能技術(shù)取決于平衡的好壞。在平衡率為100%時(shí)電動(dòng)機(jī)提供的動(dòng)力僅用于提起1/2液柱重量和克服摩擦力等，平衡率越低，則需要電動(dòng)機(jī)提供的動(dòng)力越大。因?yàn)?，抽油載荷是每時(shí)每刻都在變化的，而平衡配重不可能和抽油載荷作完全一致的變化，才使得游梁式抽油機(jī)的節(jié)能技術(shù)變得十分復(fù)雜。因此，可以說游梁式抽油機(jī)的節(jié)能技術(shù)就是平衡技術(shù)

(2)電磁干擾(EMI)問題，即變頻器對(duì)微電腦控制器，傳感(變送)器及通信設(shè)備的干擾問題。因?yàn)樽冾l器是一個(gè)很強(qiáng)的電磁干擾源，變頻器中的開關(guān)器件，以及產(chǎn)生的SPWM電壓波形，會(huì)對(duì)控制及通信系統(tǒng)造成很大的干擾。干擾的途徑，除了感應(yīng)，輻射之外，也包括傳導(dǎo)干擾。

(3)諧波干擾問題，變頻器對(duì)輸入側(cè)產(chǎn)生諧波對(duì)變頻器而言只要有整流回路就將產(chǎn)生非線性引起的諧波，按傅氏級(jí)數(shù)可分解基波和各次諧波，通常含有6m+1(m=1，2，3，……。)次。在變頻器逆變輸出回路中輸出電壓輸出電流均有諧波。由于變頻器是通過CPU產(chǎn)生6組脈寬可調(diào)的SPWM波控制三相6組功率元件導(dǎo)通/關(guān)斷，從而形成電壓、頻率可調(diào)三相輸出電壓。其輸出電壓和輸出電流是由SPWM波和三角波的交點(diǎn)產(chǎn)生的，不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波用傅氏級(jí)數(shù)分解電壓方波和電流正弦鋸齒波可分析出包含較強(qiáng)的高次諧波成分。

因此變頻器的諧波產(chǎn)生危害不可忽視對(duì)容量大的電力系統(tǒng)影響不是十分明顯，但對(duì)于電力系統(tǒng)容量小的系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生不可忽視。它對(duì)公用電網(wǎng)是一種污染，使電設(shè)備所處的環(huán)境惡化，給周圍的通信系統(tǒng)和公用網(wǎng)以外的設(shè)備帶來危害。主要表現(xiàn)在一下幾點(diǎn)：1、諧波使電網(wǎng)中電器元件產(chǎn)生附件的諧波損耗，降低輸變電及用電設(shè)備的效率。2、諧波會(huì)引起電網(wǎng)中局部串聯(lián)或并聯(lián)諧振，3、電流諧波將增加變壓器銅損。4、諧波引起電動(dòng)機(jī)附加發(fā)熱，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)額外溫升并影響電機(jī)絕緣。

(4)可靠性和環(huán)境適應(yīng)性問題

由于抽油機(jī)都在環(huán)境惡劣的野外工作，并且很多油井是無人值守的，所以，對(duì)變頻器的可靠性和環(huán)境適應(yīng)能力提出了很高的要求：既要選用可靠性指標(biāo)高的變頻器品牌，又要給變頻器在野外惡劣環(huán)境下工作創(chuàng)造必要的條件，如設(shè)計(jì)防護(hù)等級(jí)高的雙層密閉隔墊(保溫)控制柜，對(duì)晝夜溫差大的地區(qū)，柜內(nèi)設(shè)計(jì)強(qiáng)迫風(fēng)冷系統(tǒng)，可以將柜內(nèi)的熱量排出，并在柜底設(shè)計(jì)有冷空氣入口，使之適合在夏季沙漠高溫環(huán)境中使用。并使控制柜避免陽光直接照射及雨淋。

二、PL-ZNCY系列變頻監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)