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1140V变频器在油田抽油机上的应用

2017-12-27 17:33:34

The Application of 1140V Inverter in the Oil Field Pumping Unit
胜利油田新海兴达实业集团有限责任公司 张彬
新风光电子科技股份有限公司  李克志  孔亮  张月玲
Zhang Bin  Li Kezhi  Kong Liang  Zhang Yueling
摘 要:本文论述了风光牌1140V变频器在油田游梁式抽油机上的应用,说明了油田抽油机应用变频器的难点,展示了其应用效果。
关键词:游梁式抽油机  变频器  三电平  应用
Abstract: This paper discusses the Fengguang brand 1140V inverters used in the oil fields beam pumping unit, illustrating the difficulty of oil field pumping applications inverter, showing its application results.
Keywords: Beam pumping unit  Inverter  Three-level  Application
1游梁式抽油机的特点
在全世界的油田中,从设备的数量与规模上都占绝大多数。只要走入某个油田,首先映入眼帘的大多是游梁式抽油机,又称“磕头机”,这种设备以其安装方便,调试简单,使用可靠、应用灵活而被大多数的采油厂使用,如图1为野外使用的抽油机。

图1游梁式磕头机
这种设备是采用杠杆的原理,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,从而使驴头及对应的平衡装置作上下运动,将地下的油带出地面,进入输油系统。
该设备由于都安装于地面,安装、调试都比较方便,应用也比较广泛。但是在地质情况比较复杂的场合,如油质稠、含沙、结蜡较多,有时抽起来比较困难。
2工频控制的缺点
原来用工频直接起动,起动力矩大,对机械的冲击大,很容易出现断杆、卡井、减速机齿轮损坏、烧毁电机等较严重故障,特别是油井的中、后期,井液量供液不足时,需要调节冲次,更换皮带轮或减速箱,较繁琐,危险性大,工作量大,也带来了一定的困难。
由于油井都比较深,大约都在1千米以上,油井启动时力矩比较大,所需要的转矩大约是正常工作的一倍以上,因此在设计时采用的动力装置---电动机往往功率较大,而在正常抽油时,负载变轻,所需的力矩又比较小,因此存在着严重的“大马拉小车”现象。
又由于在驴头下放时,负载变轻,电机基本处于自由下放状态,降低了电网的功率因数及电机的效率,增加了无功损耗,使整个系统效率低下,耗能严重,出现严重的能源浪费现象。随着电力电子技术和微电子技术发展起来的变频调速装置,由原来的用于风机、水泵的节能控制变频器,现也逐步应用到抽油设备上,收到了良好的效果。而且改造方便,使用原有电机即可,可实现调冲次、软起停、节能的效果,这是其他任何方法都做不到的。
3  新风光电子1140V抽油机变频器
3.1 新风光1140V抽油机变频器主回路拓扑结构
新风光1140V抽油机变频器如图2所示。由于现场工作电压比较高,为中压1140V,采用普通的变频器显然不合适,而采用高压模块,代价又较高,且对于高压电机而言,良好的波形,对其绝缘及耐压都是必须的,普通的两电平电路显然不能适应这一要求。
 
图2新风光电子抽油机变频柜
为了适应电压等级及负载的要求,抽油机变频器主回路采用了三电平电路或称中点箝位电路,如图3所示。
 
图3 抽油机变频器主电路图
其中主电路每相接有两只IGBT,串联承担全部的电压,三相交流电压经全波整流后变成直流电压,由单片机控制两只IGBT(1700V)的导通与截止,形成SPWM的交变输出。为抑制IGBT交变过程中的电压突变,采用了中点箝位电路,有两只快恢复二极管串联组成箝位二极管,其中心点与滤波电容的中心点相连接,组成本电路的中心点(三电平的中心电平)。其输出波形如图4所示。
 
图4 三电平波形图
从图4中可看出,相电压为三电平,线电压为五电平,因此它不但能输出较高的电压,而且能降低输出谐波和电压变化率(dv/dt),良好的波形正是本电路的特色。
3.2新风光电子1140V抽油机变频柜的技术指标
项目 标准指标
输入 额定电源电压 3相1140V、50-60Hz±5%,电压失衡率<3%
输出 额定电压 最大输出电压同输入电源电压相同
额定电流 100%额定电流连续
过载能力 150%额定电流1min,180%额定电流2s
输出频率 0Hz~600Hz,可设定
主要
控制
功能
控制方式 VVVF(优化PWM及标准PWM,可设定)、矢量控制
输入方式 频率输入
频率分辨率 数字设定:0.01Hz
启动频率 0Hz~10Hz
转矩提升 转矩提升0.0%~20.0%
V/FFFFF曲线 五种方式:恒转矩V/F曲线、1种用户定义多段V/F曲线方式和3种降转矩特性曲线方式(2.0次幂、1.7次幂和1.3次幂)
加减速曲线 两种方式:直线加减速、S曲线加减速;
两种加减速时间,时间最长3000s
直流制动 停机直流制动起始频率:0~15.00Hz
制动时间:0~60.0s    制动电流:0~150%
多段速运行 通过内置PLC或控制端子实现多段速运行
自动电压调整(AVR) 当电网电压变化10%时,维持输出电压恒定不变
自动节能运行 根据负载情况,自动优化V/F曲线,实现节能运行
通讯功能 具有RS485标准通讯接口,支持MODBUS通讯协议
运行命令通道 LED键盘、控制端子、串行口(RS485)
频率设定通道 LED键盘模拟电位器、LED键盘▲、▼键、功能码数字给定、串行口、端子UP/DOWN、模拟电压、模拟电流、组合给定
输入
功能
数字输入通道 2路开停机控制端子、6路可编程数字量输入
模拟输入通道 2路模拟量信号输入:2路0~10V/0~20mA可切换
输出
功能
数字输出通道 2路开路集电极输出、2路继电器输出
模拟输出通道 2路模拟信号输出:2路0~10V/4~20mA可切换
操作
面板
LED数码显示/HMI 可显示或设定变频器相关参数
保护功能 提供多保护功能:短路、过流、过载、欠载、过压、欠压、缺相、过热、外部故障、PID反馈断线、485断线等保护功能
选配件 触摸屏、铁板房
环境 海拔高度 低于1000m(高于1000m时需降额使用)
环境温度 -10℃~+40℃
湿度 小于90%RH,无结露
振动 小于5.9m/s2(0.6G)
存储温度 -20℃~+60℃
结构 防护等级 IP54
冷却方式 强制风冷
 
(1)柜体采用室外设计,防风、防雨、防沙,可在野外直接使用,而不必再建造房舍,减少用户投资,方便使用。
(2)柜内设有电压、电流表指示,用户可直观地观察设备运行情况,操作方便。
(3)设有工频旁路,以便在变频故障或维修时可暂时投入工频运行,保证生产的连续,不耽误生产。
(4)针对有些油井需要缓抽的情况,还设计了间抽功能,时间可从一天到七天,方便用户实现自动缓抽功能。
(5)对泵升电压,根据用户要求,可采用耗能电阻和回馈电网两种方式进行处理,有效的保证了设备的安全运行,并提高了节电效果。
(6)采用低频补偿技术,使变频器启动力矩可根据现场情况进行适当调节,保证启动正常,不会对设备造成危害。
4抽油机变频改造的难点
抽油机变频器改造磕头机的难点是:在驴头下放时存在电机发电状态,如处理不好,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。
由于抽油机属位能性负载,尤其当配重不平衡时,在驴头下发过程中,电动机由于位能,使负载拖动电动机的转速比变频器输出的频率所对应的转速还要高,电动机处于再生发电状态,产生的再生电能传输到直流侧滤波电容上,产生泵升电压。过高的泵升电压有可能损坏功率模块、电解电容,甚至会破坏电机的绝缘,从而威胁系统安全工作,因此必须采取措施处理这部分再生能量。一般处理再生能量的方法有能量消耗和能量回馈两种方式。
变频器能量消耗是指采用耗能电阻将这一部分能量以热能的形式消耗掉。在变频器直流侧加放电电阻单元组件,将再生电能消耗在功率电阻上(如图5)。这是一种处理再生能量的最直接的办法,它是将再生能量通过专门的能耗制动电路消耗在电阻上,转化为热能,因此,又被称为电阻制动。
 
图5  能量消耗型变频器改造主回路图
能量回馈型变频器主回路如图6所示。当有再生能量产生时,变频器就将再生能量回馈给电网。通过这种方式,它可以将再生能量进行充分利用,从而起到既节约电能又处理再生电能的功效。
 
图6  能量回馈型变频器改造主回路图
抽油机变频器以上两种处理再生能量的方式,可由用户根据情况自我选用,二者各有利弊。采用耗能电阻价格比较便宜,但节能效果不如回馈单元更好些,而采用回馈单元节能效果比耗能电阻好些,大约多节电20%,而价格相应地比耗能电阻高。
5应用效果
2015年6月4日。新风光电子公司生产的37kW/1140V变频器在胜利油田现河采油厂二矿抽油机上安装调试成功,运行频率26Hz,母线电压1770V,输出电流9A(额定电流23A),抽油机运行平稳。抽油机变频器现场运行如图7所示。
 
图7 抽油机变频器现场运行图
采用风光牌抽油机变频柜对磕头机改造后,可体现出明显的工作效益:
(1)启动时冲击电流减小。工频时启动电流大约是电机额定电流的4---7倍,而采用变频器,则没有冲击电流,而且启动平滑,对机械设备也没有任何冲击,既节约了电能,也保护了电网、电机及机械设备免收冲击,效益是十分明显的。
(2)冲次调节方便。工频运行下调节冲次需停产后更换皮带轮,费时、费力,耽误生产。而采用变频器后可以不停产,直接调节变频器的频率,根据油井液量增大或减小变频器的频率,即可平滑调节电机的转速,实现冲次的调节,非常方便,节省了人工及机械费用。
(3)采用变频器后提高了电网的功率因数,一般达到0.98以上,使电网的负荷利用率提高,减轻了电网及变压器的负担。
(4)节电明显。采用变频器后,节能效果明显。当然由于油井供液情况不同,在前期、中期、后期可能有所不同,不同的油井可能也不同,前期可以提高转速,使产液量提高,相应的生产效益提高。而中后期可降低转速,甚至于在后期由于供液不足,可采用缓抽的方式,保证油井的正常工作。据综合测试,节电率大约在15%---20%左右,效果是十分明显的。
总之,采用变频控制,对于设备的软启动,调节冲次,节能等各方面是很有成效的,是今后游梁式抽油机控制的较理想的选择,值得大力推广。
参考文献
[1]新风光电子使用手册[Z] 新风光电子科技股份有限公司


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