赫茨中频油杆加热系统和磕头机变频改造应用案例

（成功应用于辽河油田、胜利油田和长庆油田）

　　抽油机的种类繁多，技术发明有数百种。从采油方式上可分为两种:有杆类采油设备和无杆类采油设备。有杆类采油设备又可分为抽油杆往复运动类(国内外大量使用的游梁式抽油机和无游梁式抽油机)和旋转运动类(如电动潜油螺杆泵)，无杆类采油设备也可分为电动潜油离心泵，液压驱动类(如水力活塞泵)和气举采油设备。

　　我国的油田多为低渗透的低能、低产油田，不像中东的油田那样有很强的自喷能力，大部分油田要靠注水来压油入井，再靠抽油机把油从地层中提升上来。以水换油，以电换油是目前我国油田的现实，电费在我国的石油开采成本中占了相当大的比例。所以，石油行业十分重视节约电能。

　　目前我国抽油机的保有量在10万台以上，电动机装机总容量在3500兆瓦，每年耗电量逾百亿kw·h。抽油机的运行效率特别低，在我国平均效率为25.96%，国外平均水平为30.05%，年节能潜力可达几十亿kw·h。除了抽油机之外，油田还有大量的注水泵、输油泵和潜油泵等设备，总耗电量超过油田总用电量的80%，可见，石油行业也是推广“电机系统节能”的重点行业。

　　采用抽油机节能电控装置是抽油机节能的一个重点发展方向。在我国北方地区，由于天气和储油特性的关系，通常需要对抽油管进行加热处理，上海红旗泰公司开发的中频加热系统和磕头机变频改造系统将两者有机结合起来，在磕头机下降的过程中产生的再生制动能量通过共母线节能技术，直接返回到中频加热装置中，进一步提高了节电率。

图1 基于TI DSP的油田新型节能系统平台

　　传统的油管中频加热方案

图2 可控硅软启动方法

　　如图二所示，采用可控硅软启动的方法即由单片机控制改变串联在电动机定子主回路中的可控硅的导通角β，即可以改变加在定子绕组上的端电压的大小从而起到调压节电的目的。但是这种方法的缺点也很明显。

　　由于可控硅的移相作用，会产生大量的谐波，对电网、电机以及通讯控制系统造成不良的影响今后这类产品将因达不到电磁兼容的标准而被限制使用。对于电动机降压节电的有关计算和校验，中华人民共和国国家标准GB12497-1995《三相异步电动机经济运行》中有明确的要求：在采取调压节电时，既要达到节电的目的，又要保证电动机轴上的出力，并有一定的过载系数，否则当负荷波动时电动机将发生堵转而烧毁。但不是所有的降压行为都能达到节能的目的，只有当电压的降低程度大于转差率及功率因数的上升程度时，才能使降压运行中的电动机的效率得到提高而节能。当负载系数上升时，有功节电降低，综合有功节电降低，而负载功率上升，节电效果并不明显。而且在需重载起动的应用场合，降压启动会导致电机无法启动甚至堵转 。软启动可以减小起动时机械冲击却无法达到降低启动电流的目的。可控硅的频繁开关，降低可控硅的使用寿命，频繁更换，维护成本高。

　　图三为红旗泰公司开发的油管中频加热系统框图：

图3 抽油管中频加热

　　红旗泰公司开发的中频油管加热系统，采用采用美国德州仪器TI公司的最新32位DSP（数字信号处理器）为电源控制核心，SPWM控制技术，控制系统性能增强，电路简化，负载适应性强，实现电源控制的全数字化，智能化。中频电源工作时，缠绕的中频电缆会产生交变磁场，输油钢管的外表面就形成许多微小的感应电流涡流。涡流形成的电位差只在微小的区间内（微米级）存在，在较大范围内（毫米级），这些电位差会相互抵消。经现场检测，输油管上的电位差实测值不超过0.5 V。采用先进的大功率绝缘栅双极性晶体管IGBT作为功率开关器件，逆变频率可调。较传统的可控硅晶闸管较好的开关断和开关频率高，体积小，电流大，输出电压、电流连续可调，可以使加热系统处于最佳工作状态，能源利用率高，具有恒输出电压/恒输出功率控制选择功能。 采用零压软启动，启动成功率高无冲击。 人机对话的显示界面，可通过键盘的选择显示工作频率及电流，电流变比等，并可显示故障状态及原因，使显示更直观，更易于操作。采用强化的故障诊断和保护技术，使系统工作可靠，有多种参数设定和跟踪监控功能，保护功能齐全：具有过压、过流、缺相、控制电源欠压等故障报警功能。 高效节能，全功率范围内，极高的功率因数和电源效率及较好的谐波抑制能力。

　　由于采用了共同的开发平台，避免了不同节能系统间的通信难题。有利于日后的各种系统大规模应用，降低潜在的工程投资成本，有利于日后大规模“数字油田”的建设，便于实现电源控制的全数字化，智能化。

　　针对油田中广泛使用的抽油机-“磕头机”，红旗泰公司开发的抽油机专用变频控制系统，可与抽油管中频加热系统配合使用。对抽油机的变频改造如图4所示：

图4 抽油机变频器接线图

　　当变频器发生故障时，抽油机可切换到工频运行，使用变频器对抽油机进行改造的优点为：

　　冲程、冲次无级可调

　　◆ 解决了低产井，抽油泵充液不足，依靠间抽的问题

　　◆ 冲程调节，提高泵效，节能明显

　　提高电网的功率因数

　　◆ 电网功率因数可提高到0.9 以上

　　◆ 减少电网的无功损耗，具有一定的节能效果

　　抽油机实现了软起动/软停止

　　◆ 减少了抽油机起停示的机械冲击

　　◆ 减少对电网的冲击

　　红旗泰公司的油田抽油机专用节电器采用先进微处理器数字控制技术，适用于各类处于空载、轻载或变负载运行状态下抽油机电机节能。本产品通过内置的专用节电优化控制软件，根据负载变化动态调节输入电机的电压和电流，在不改变电动机转速、不减少抽油量的前提下，保证电动机的输出功率与负荷需求精确匹配，在实现节能效果。产品配备了软启动功能，可以大大降低电机的启动电流，减少冲击电流对电机绝缘的破坏、降低电机运行温度、减少电机的维护量、延长使用寿命。系统的原理图如图5所示:

图5 红旗泰抽油机专用变频原理框图

　　整个系统框图如图6所示：

图6红旗泰抽油机系统图

　　同红旗泰公司的油管加热系统配合使用，利用共母线节能技术，将磕头机下降冲程中的动能通过母线传递给油管中频加热系统，介意不节约了电能，提高了节电率。