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            解決方案 News
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            新科瑞C500變頻器在第二代數字化抽油機上的應用
            日期: 2019-05-21
            瀏覽次數: 185


              摘要:本文主要介紹了新科瑞C500 在某油田第二代數字化抽油機上的應用,數字化抽油機在數字化油田建設中發揮了重要的作用,其控制性能可靠,節能效率高。數字化抽油機的控制包括手動/自動切換控制,RTU 控制系統與 C500 系列變頻器工變頻切換系統共同構成數字化抽油機的核心控制系統,本文以其中一例 15KW 的 C500 變頻器為例分析其應用,并對 C500 系列變頻器在抽油機上的應用提供推廣的方案。

              關鍵詞:抽油機 變頻器 RTU

              

             ? ? 一、引言

              目前隨著我國大部分油田原油含水率的不斷增加,油田用抽油機普遍存在著低效、高能耗的問題。為解決這一問題,不少油田采用了電機變頻調速技術,由調整抽油機的電機轉速取代機械沖次調節,取得了很好的節能效果。在油田井場站數字化建設流程中, 要求井場抽油機的各項數據都要傳入上一級的增壓點監控室,而且要求在增壓點控制室遠程操作抽油機,電機的控制就顯得尤為重要,新科瑞 C500 變頻器不僅滿足油田數字化建設的要求而且有很大的節能空間。

              二、數字化抽油機應用分析

             ? ?油田普遍采用有桿抽油方式,而所用的磕頭機普遍存在效率低、能耗大等情況。在實際生產過程中,采油井的供液能力隨時都有變化,需要對抽油系統運行參數進行及時而合理的調整,其中抽油機沖次的調節尤為重要。一般通過更換電機皮帶輪調節沖次,抽油機沖次只有三檔,分別為,5、3.5、2.5min-1。某油田為超低滲透油藏,為保證采油系統處于最佳工作狀態,需要使用低于 2.5min-1 的沖次采油,而現有沖次調節不能任意調節,難于使采油系統處于最佳工作狀態,造成泵效普遍降低,能耗。

              為實現數字化智能高效抽油和節約電能,第二代數字化抽油機方案應運而生, 其系統主要由彎梁變矩抽油機、變頻控制柜、電動機、傳感器、通訊和監控中心六部分組成。傳感器采集抽油系統地面功圖,為變頻調速提供依據,變頻控制柜提供調速需要的變頻電源, 電動機接入變頻電源驅動抽油機按需要的沖次運轉,通訊模塊將采集到的數據上傳至監控中心,監控中心遠程控制啟停機和調速。第二代數字化抽油機的整體方案示意圖如下所示。

            新科瑞C500變頻器在長慶油田第二代數字化抽油機上的應用

              井場提供 380V/50HZ 輸入交流電源,根據油井負荷不同,油田各井場的抽油機配備的電動機功率也有所不同,從 11KW 到 45KW 不等,這就使得各站點要求的變頻裝置將有柜體尺寸和變頻器型號的區別。但不論如何,新科瑞 C500 通用系列變頻器可滿足其要求, 本文以 11KW 抽油機為例分析,下圖為彎梁變矩式抽油機。

              

            新科瑞C500變頻器在長慶油田第二代數字化抽油機上的應用? ? ? ?新科瑞C500變頻器在長慶油田第二代數字化抽油機上的應用


              三、數字化抽油機選擇變頻調速的優點

              以往的抽油機通常只有工頻配電,電機一直以工頻運行,而數字化抽油機配備了變頻調速,這是因為變頻調速具有諸多優點,主要表現在以下幾個方面:

              (1) 可以實現抽油機的無極調速,這是變頻調速在抽油機上最重要的優點。由于某油田為超低滲透油藏,抽油機如果一直在工頻運行將使裝備效率大大降低,能耗相應也會很高, 一般來說抽油機運行在工頻以下。

              (2) 大大提高了功率因數(可由原來的 0.25~0.5 提高到 0.9 以上),大大減小了供電(視在)電流,從而減輕了電網及變壓器的負擔,降低了線損,可省去大量的“增容”開支,引入變頻控制,可以大大減小抽油機工作過程對電網的影響。

              (3) 可以節約寶貴的電能。一方面,油田抽油機為克服大的起動轉矩,采用的電動機遠遠大于實際所需功率,工作時電動機利用率一般為 20%~30%,最高不會超過 50%,電動機常處于輕載狀態,造成資源浪費。另一方面,抽油機工作情況的連續變化,取決于地底下的狀態,若始終處于工頻運行,也會造成電能浪費。為了節能,提高電動機工作效率,需采用變頻調速。

              (4) 由于實現了真正的“軟起動”,對電動機、變速箱、抽油機都避免了過大的機械沖擊, 大大延長了設備的使用壽命,減少了停產時間,提高了生產效率。

              (5) 保護功能強大,適應電網電壓波動能力強。變頻器一般保護功能全面,具有過壓,過流,短路,過載,缺相保護等等,可以防止電網突變對電機的損害,在網側電源故障時有效的保護變頻器和電機,在電機負載發生故障時也可以有效的防止故障擴散至電網,也可以最大限度的保護電機。電壓工作范圍寬,電網電壓在-15%~+15%之間波動時,系統均可正常運行。

              (6) 使用變頻調速裝置可以提高自動化水平,為實現油田數字化建設提供了底層解決方案 。高度的自動化水平可以提高生產效率、降低作業強度、規范裝備控制管理。

              四、變頻控制柜設計方案

              試驗用抽油機型號為CYJW10-3-37HY,其電機參數如下所示:

            功率

            11KW

            額定電壓

            380V

            額定轉速

            730rpm

            額定電流

            25A

              由以上電機參數為參考,可選配 C500-11G-4T 變頻器。由于變頻柜體空間較小,所以選用安裝方便的制動電阻,其大小為 34Ω/3000W。所用變頻控制其主電路如下:

            新科瑞C500變頻器在長慶油田第二代數字化抽油機上的應用

              

              啟動按鈕 停止按鈕

              工變頻切換開

              故障復位按鈕

              手自動選擇 頻率給定調節

              由此可以看出,數字化抽油機采用的是工變頻切換的控制方式。事實上,抽油機在正常運行時使用變頻方式,如果變頻器發生故障,為了使抽油機繼續運轉,由變頻柜繼電控制回路將抽油機自動切換至工頻運行。

              抽油機的控制方式有手動/自動/鎖定,手動控制在變頻柜門板上進行操作,相應的變頻器控制方案是端子控制方式,自動控制相應的為變頻器 RS485 通訊控制,鎖定為不允許頻率調節。變頻控制柜門操作界面如上圖所示。

             

              為實現遠程監控功能,變頻器的 RS485 與 RTU 控制單元的通訊接口相連,RTU 無線發射與增壓點進行通訊,在增壓點監控室便是通過這種方式遠程控制變頻器的。當然,RTU 還采集工變頻電路和油井的其他信號。

              新科瑞C500 變頻器為數字化的底層執行提供了強有力的解決方案,其控制 I/O 電路和對應的主要參數設置如下所示。參數版本為 V4.8。

            新科瑞C500變頻器在長慶油田第二代數字化抽油機上的應用 

            ? ? ? ?五、現場調試及應用效果分析

              按照數字化建設的要求安裝井場變頻控制柜,按標準程序檢查好柜內外接線,對變頻控制柜進行現場啟停、調速、遠程控制試驗等,C500 通用型變頻器都能出色的完成試驗任務。由于抽油機的工況特殊,長期處于制動狀態,所以有必要對抽油作長期運行測試,以測試變頻器及電動機的狀況。對抽油機進行了為期 2 天的連續帶載運轉測試,結果表明新科瑞 C500 變頻器完全滿足油田惡劣的工況要求,以下是測得的數據:

              

            項目

            20HZ

            30HZ

            40HZ

            50HZ

            75HZ

            輸出電壓

            145V

            235V

            310V

            380V

            390

            輸出電流

            10~20A

            11~21A

            12~21A

            12~21A

            9~30A

            輸出轉速

            300RPM

            450RPM

            600RPM

            750RPM

            1125RPM

            制動電阻溫度

            140~155

            170~190

            200~230

            240~270

            346~380

              由上表可以看出,由于負載基本不變,隨著頻率的降低,輸出電壓減小,電動機功耗將明顯降低,這也說明對抽油機進行變頻調速將有很大的節能空間。

            ? ? ? 抽油機在某油田井場長時間運行取得了很好的穩定性,自調試上井后,變頻器平均故障時間為 0,在保證單井產液量不變的情況下取得了非常好的節能效果,以下是油田某井場實測數據:

            序號

            參數

            單位

            應用前

            應用后

            1

            載荷

            kN

            35.8/21

            34.1/21.7

            2

            沖程

            M

            3.0

            3.0

            3

            沖次

            /min

            3.5

            2.3

            4

            產液量

            m3/d

            2.11

            2.09

            5

            電機功率

            kW

            11

            7.5

            6

            日耗電量

            Kw.h

            103

            55

            7

            節電率 46.6%


              六、結束語

              新科瑞C500 系列通用型變頻器以其優越的性能在油田的數字化底層建設中發揮著重要作用,在井場長時間的運行受到一線員工的好評,由它帶來的無級調速大大降低了現場沖次調節的作業強度和時間。C500 變頻器不僅是第二代數字化抽油機智能控制的核心組成部分, 而且節約了電能,特別是對于超低滲透油藏節能效果更加明顯。目前,隨著數字化抽油機在油田的推廣,新科瑞通用型變頻器必將以其極高的可靠性和強大的功能在抽油機的控制中發揮越來越重要的作用。

              參考文獻

              [1] 張琪,王杰祥,樊靈,陳德春.《采油工程原理與設計》.2015 年

              [1]深圳市新科瑞電氣技術有限公司.《C500 高性能矢量變頻器用戶手冊》.2019 年


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