本文介绍了油田生产现状，能量回馈式油井变频器的工作原理、性能特点以及在低冲次油井中现场推广应用情况，分析了其适用范围、节能效果及其效益。实践证明，油井专用能量回馈式变频器在低冲次油井中推广应用效果良好。

 

　　1  现状

 

　　胜利油田孤东采油厂机采系统目前在用电磁调速电动机257台，井口电表统计日总耗电量为6.3651万千瓦时（开井254口），平均冲次为3.65次/分钟，平均井口吨液用电单耗为10.82千瓦时/吨液，与今年3、4月份测试102口井平均吨液用电单耗3.09千瓦时/吨液相比，其吨液用电单耗高7.73千瓦时/吨液，是采油厂平均水平的3.5倍。其中单井日液量低于15吨的油井110口，平均井口吨液用电单耗28.55千瓦时/吨液。

 

　　造成电磁调速电动机拖动的油井吨液用电单耗高的重要原因之一是电磁调速电动机效率低，自身损耗大，这与电磁调速电动机的结构、工作原理有直接关系。YCT电磁调速电机由拖动电动机、控制器及电磁滑差离合器三部分组成。拖动电动机采用的是Y系列电机，控制器是由反馈、放大、延时、保护等环节构成的电子控制装置；电磁滑差离合器主要是由电枢和爪形磁极与输出轴组成。电枢和爪形磁极之间没有任何机械联系。启动时，接通电源，拖动电动机在空载下运行，电机开始旋转，控制器延时一定时间后，输出电流供给滑差离合器的激磁线圈，在爪形磁极处形成磁场，电枢切割磁场，便在电枢中产生涡流，涡流产生的磁场与原磁场相互作用，带动爪形磁极旋转，即有转矩输出。在一定的负载下，激磁电流越大，转速就越高，输出轴转动带动测速发电机发电，产生与速度成正比的信号，此信号传递给控制器，经过整流、滤波后，取出一部分作为反馈信号与给定值比较，来鉴别输出轴转速是否达到要求值。如果输出轴转速低于给定值（要求值），控制器中的放大器就将给定电压与反馈信号的电压差值进行放大，放大后的信号使移相触角前移，控制器输出电压上升，激磁电流增大，输出轴转速随之增大，否则反之。直到输出轴转速与要求值一致时，控制器输出电压就恒定不变，电机输出轴就在要求下匀速运行。YCT电磁调速电机的传递效率与输出轴的转速成正比例，因此在使用时，应尽量选用调速范围的高速段和中速段。目前机采系统在用的电磁调速电动机，主要用于低冲次油井，其输出轴的转速较低，致使电磁调速电动机效率降低，损耗增大。

 

　　取代电磁调速电动机的方法一般采用：

 

　　（1）更换皮带轮，目前抽油机多使用C型V带，如果单纯通过调小皮带轮直径来获得低冲次，降到3次/分以下相当困难，而且皮带更换繁琐费力，并且可能产生因皮带包角变小，造成“吃”皮带现象，增加材料消耗和职工劳动强度；

 

　　（2）采用多极式调速电机，这种方式省去了更换皮带轮的烦琐，但也只能实现有级调速，无法任意调整冲次；

 

　　（3）应用长冲程低冲次抽油机，这种方式的缺点投资大，成本高。以上三种方式都只能固定某一或几个冲次的调速，无法实现真正意义上的无级调速，不能适应地层供液能力不断变化的需要。

 

　　另外一种方式是应用普通变频采油技术，该技术不但可以无级调整油井生产冲次，而且还可以改变每个冲次中的上下冲程频率，从而改变上下行时间，可实现上快下慢作业生产，在上冲程可减小泵的漏失系数，在下冲程可增大泵的充满系数，从而提高泵效。但是在现场运行检测中发现，几乎没有油井能达到100%的平衡。随油井负荷轻重的变化，电机转速也随之在一定范围内有快慢变化（普通电机有10～40转的变化，高转差率电机则有更大范围内的转速变化），现场安装的有功电度表在转速升高时伴随有反转现象，说明电机此时处于发电状态，将重负荷耗能时储存的机械能量转化为电能量，回馈电网。对普通拖动装置而言，这部分反馈电能造成的有功消耗是较小的。但在交直交变频器中，由于整流管中的电流不能反方向流动，这部分回馈能量施加于直流回路上，造成直流回路电压异常升高，只能用制动电阻白白消耗掉。从这个意义上讲，变频器反成为耗能机器。虽然这部分能量较小，但也从一定程度上降低了节电效果。如果在变频器输入端接入有功电度表，电度表不会出现反转现象，说明能量无法回馈。

 

　　由于抽油机的恒转矩特性，在重载（装载）期间，电机必须输出一定的机械转矩，即变频器必须给出一定的功率输出，节能效果较差；在轻载期间，由于巨大的机械惯性能量作用，电机处于发电状态，而普通变频柜在此时由于制动电阻的介入反而造成多余的能量消耗。而且由于非线性负荷的投入，使高次谐波增加，污染电网，使系统的供电质量下降。采用变频调速时如何解决这个问题是关系油井变频技术推广的关键问题之一。

 

　　2 油井专用能量回馈智能变频器工作原理

 

　　 我厂通过与多方面的配合，在原抽油机能耗制动变频技术的基础上成功推出抽油机专用能量回馈智能变频采油技术。该技术采用“双变频”原理，是通过变频器内置的直流电压观测和电流运算电路时事检测变频器直流环节电压，电机进入发电状态时将会导致变频器直流环节电压升高，当直流环节电压升高至一定值时，由交流电压观测和同步发生电路控制IGBT（逆变模块）将这部分电能变换成和电网电源同步同相位的系统正弦波。

 

　　通过把油井电机在机械势能的作用下进入发电状态时返回变频器直流环节的电能通过滤波电抗器和噪声滤波器输送到变频器的电源 侧，供本地设备利用，从一定程度上减少了设备从电网吸收的电量。从而达到进一步提高节能效果的目的。

 

　　3 油井专用能量回馈智能变频器性能特点

 

　　通过该变频器使用证明其具有以下特点：

 

　　（1）可配合油井井下状态，根据需要调整生产冲次，从而提高抽油机的工作效率。

 

　　（2）柔性起动，把电机启动电流降低3~4倍，降低了对电网的冲击，延长电机和机械设备的使用寿命。

 

　　（3）双向自动电压跟踪方式，自动测算再生电能的大小，计算最佳制动力矩，使设备始终处于最佳运行状态。

 

　　（4）双变频控制，内置电抗器及多重噪声滤波电路，正弦波电流方式回馈再生电量，对电网污染小。

 

　　（5）自动降压运行功能，使电机始终处于最佳节能运行状态。

 

　　4 油井专用能量回馈智能变频器现场应用情况

 

　　2006年12月至2007年3月，胜利油田孤东采油厂分别在采油四矿等单位应用能量反馈式变频器34台，满足了供液不足油井开发需要的低冲次要求，可以根据油井的产能变化不必更换机械设备而任意调整生产冲次（H111-C2可调整到2次/分），解决了工艺要求上低冲次的问题，实现了平稳、低速、安全、可靠的运行，达到提高产量的目的，效果较好。其能量回馈功能可以把抽油机在下行（通常下行时负载较轻，存在机械势能。）发电状态时产生的再生电量中97％的电量再生利用，并且整机由于加入了多重滤波技术，对电网的干扰远低于国家标准《电能质量公用电网谐波》GB/T 14549-93中规定的5%。

 

　　5 现场应用效果分析

 

　　能量反馈式变频器节能效果统计表如表1所示，变频器应用后测试平均节电率达到了32.53％，吨液单耗节电率为36.61％，电表计量节电率为29.4％，油井系统效率平均提高了9.4个百分点。

 

　　装前吨液单耗8.74千瓦时/吨液，单井平均液量29.75吨计算，推广应用34台能量反馈式变频器年节电量为：

 

　　8.74×29.75×34×365×36.61％＝121.6万千瓦时

 

　　以电费0.57元/千瓦时计算，项目年效益为：

 

　　121.6×0.57＝69.31万元

 

　　 以项目总投入160万元计算，项目投资回收期为：

 

　　投资回收期＝160:69.31＝2.3年

 

　　项目以使用5年计算，投入产出比为：投入产出比＝160:（69.31×5）＝1:2.2

 

表1 能量反馈式变频器节能效果统计表

 

 

　　6 结论

 

　　通过现场应用证明，抽油机能量回馈智能变频技术包容了节约电能和再生电能回收的功能，较理想、较彻底地一次性实现了抽油机节能增效项目的改造。该设备针对抽油机野外工作环境设计，具有备用共频回路；保护功能齐全，操作简单，节能效果好，综合效益高，运行稳定，值得大面积推广应用。