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劉奉海 徐俊恭（哈爾濱艾韋自動(dòng)化控制有限公司 150090）
摘要：本文描述了目前廣泛使用的螺桿泵抽油裝置的現(xiàn)狀，結(jié)合在螺桿泵抽油裝置上的變頻器應(yīng)用，介紹了美國AB公司的PowerFlex™400交流變頻器的性能，以及在螺桿泵抽油機(jī)裝置的工作原理與變頻節(jié)能改造的必要性及可行性。
關(guān)鍵詞：機(jī)械采油、螺桿泵、變頻器、節(jié)能。
一、引言
近幾年我國的油田開采取得了飛速的發(fā)展，在能源日益緊張的今天面臨著前所未有的巨大機(jī)遇，但相對于世界先進(jìn)的設(shè)備，也面臨著巨大的挑戰(zhàn)。生產(chǎn)設(shè)備的生產(chǎn)能力基本處于中低的工業(yè)自動(dòng)化程度，主要原因是技術(shù)條件的限制。采油系統(tǒng)的螺桿泵抽油機(jī)裝置，是采油企業(yè)中主要的一種常見新型用電設(shè)備，在目前大部分油田中正進(jìn)行大量的設(shè)備和技術(shù)推廣，而且目前涉及節(jié)能改造的單位很多，螺桿泵抽油機(jī)裝置應(yīng)用變頻器進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化運(yùn)行控制效果非常顯著，所以推廣價(jià)值非常大。目前為止，已有大量的抽油裝置使用螺桿泵抽油，并使用變頻器控制，提高了設(shè)備的運(yùn)行效率，控制了能源的浪費(fèi)。
美國AB公司的PowerFlex™400交流變頻器對于在變轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性風(fēng)機(jī)和泵的速度控制是一款經(jīng)濟(jì)而且實(shí)用的變頻器。它的變轉(zhuǎn)矩速度控制可以極優(yōu)的方式控制螺桿泵的轉(zhuǎn)速，保證螺桿泵抽油機(jī)工作在合適的運(yùn)行狀態(tài)，達(dá)到了節(jié)能的目的。節(jié)能作為企業(yè)增效降耗、降低經(jīng)營成本、提高競爭力的重要手段，已經(jīng)顯得特別有意義。
二、螺桿泵抽油機(jī)裝置介紹
螺桿泵問世于上世紀(jì)30年代，是由法國工程師發(fā)明的，在國內(nèi)也有稱其為曲桿泵的。由于單螺桿泵固有的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)被廣泛地應(yīng)用到國民經(jīng)濟(jì)各工業(yè)領(lǐng)域，特別是在油田采油裝置上已有更廣泛的應(yīng)用。
螺桿泵是按回轉(zhuǎn)嚙合容積式原理工作的轉(zhuǎn)子式容積泵，它是依靠螺桿與襯套相互嚙合在吸入腔和排出腔產(chǎn)生容積變化來輸送液體的。它是一種內(nèi)嚙合的密閉式螺桿泵，主要工作部件由具有雙頭螺旋空腔的襯套（定子）和在定子腔內(nèi)與其嚙合的單頭螺旋螺桿（轉(zhuǎn)子）組成。當(dāng)輸入軸通過萬向節(jié)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子繞定子中心作行星回轉(zhuǎn)時(shí)，定子—轉(zhuǎn)子就連續(xù)地嚙合形成密封腔作勻速軸向運(yùn)動(dòng)，把輸送介質(zhì)從吸入端經(jīng)定子—轉(zhuǎn)子輸送至壓出端，吸入密閉腔內(nèi)的介質(zhì)流過定子而不被攪動(dòng)和破壞。內(nèi)部流速代低，容積保持不變。壓力穩(wěn)定，因而不會(huì)產(chǎn)品渦流和攪動(dòng)。每級泵的輸出壓力為0.6Mpa，揚(yáng)程60m以上，自吸高度一般在3m以上。
因定子選用多種彈性材料制成，所以這種泵對高粘度流體的輸送和含有硬質(zhì)懸浮顆粒介質(zhì)或含有纖維介質(zhì)的輸送，有一般泵種所不能勝任的特性。這種泵零件少，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，維修簡單，轉(zhuǎn)子和定子是本泵的易損件，結(jié)構(gòu)簡單，便于裝拆。是應(yīng)用在當(dāng)前油田采油系統(tǒng)的先進(jìn)的采油泵。
對于采油企業(yè)來說，電耗是其生產(chǎn)成本的主要部分，電能消耗部分中，螺桿泵的用電量占整個(gè)螺桿泵抽油裝置用電量的絕大部分，所以降低其耗電量是螺桿泵抽油裝置節(jié)能的關(guān)鍵。我公司在大慶油田公司的采油系統(tǒng)中使用美國AB公司的PowerFlex™400交流變頻器的變轉(zhuǎn)矩速度控制可以極優(yōu)的方式控制螺桿泵的轉(zhuǎn)速，保證螺桿泵工作在合適的運(yùn)行狀態(tài)，保證連續(xù)抽油，并達(dá)到了節(jié)能的目的。
三、PowerFlex™400變頻器在螺桿泵抽油裝置上的應(yīng)用
螺桿泵抽油裝置正常情況下運(yùn)行的螺桿泵抽油裝置動(dòng)作內(nèi)部的過程對機(jī)器的沖擊很大，影響抽油裝置的壽命很大，并且浪費(fèi)電能。目前國內(nèi)采油企業(yè)中，采油設(shè)備都是按最大的生產(chǎn)能力設(shè)計(jì)，但是在生產(chǎn)的絕大部分過程中往往用不了那么大的功率。
在前期油井中，由于剛開采，儲(chǔ)油量大，提高轉(zhuǎn)速的方式，讓變頻器運(yùn)行在高輸出狀態(tài)，頻率提高，相應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速提高了，其采油量也相應(yīng)提高，其綜合采油率可比工頻情況下更高更好，工效提高有顯著提高。
在中、后期油井中，由于井儲(chǔ)量減少，電機(jī)若仍工頻運(yùn)行，勢必浪費(fèi)電能造成不必要的損耗，因而我們采用降低轉(zhuǎn)速的方式，減少?zèng)_程，一般將變頻器的頻率運(yùn)行至30~40Hz之間，這樣電機(jī)轉(zhuǎn)速下降了30%，加之采油設(shè)備一般負(fù)荷較輕，節(jié)電率可達(dá)25%左右，而且提高了功率因數(shù)，減少了無功損耗。相比較抽油泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速保持工頻運(yùn)行，所輸出功率幾乎不變的情況，變頻控制方式可以避免采油生產(chǎn)中會(huì)出現(xiàn)大馬拉小車的現(xiàn)象。因此可以避免造成大量電能浪費(fèi)。
采用變頻器調(diào)節(jié)螺桿泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，可以提高采油效率，減少機(jī)械故障，延長機(jī)器使用壽命，高效運(yùn)行。同時(shí)油田中采油機(jī)的數(shù)量非常大，變頻控制螺桿泵抽油裝置大量應(yīng)用，可節(jié)約大量的電能，達(dá)到節(jié)約成本。
如圖所示，系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)采用手動(dòng)、自動(dòng)兩種運(yùn)行方式，方便電器、電路的檢修。自動(dòng)控制電路部分，把PowerFlex™400變頻器的繼電器輸出1編程為“電動(dòng)機(jī)運(yùn)行”，把繼電器輸出的常開節(jié)點(diǎn)置于自動(dòng)控制電路中來控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。變頻器運(yùn)行根據(jù)外部啟動(dòng)源和模擬量源來控制起停和運(yùn)行狀態(tài)，對螺桿泵做到更全面的保護(hù)。
螺桿泵電機(jī)主要是由變頻器根據(jù)螺桿泵原油管道的流量來控制其運(yùn)行。螺桿泵油出口管道上安裝帶模擬量輸出的流量閥，變頻器把該模擬量作為輸出的反饋信號(hào)來控制變頻器的輸出。流量反饋高值時(shí)說明井下可抽油量充足，變頻器提升螺桿泵轉(zhuǎn)速以增大抽油能力，流量反饋值低時(shí)說明井下油量很少，變頻器降低螺桿泵轉(zhuǎn)速，直到降低到一定低值，保證不間斷連續(xù)抽油。根據(jù)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，變頻器最佳最低值輸出控制為30Hz，因?yàn)槌橛蜋C(jī)轉(zhuǎn)速更低時(shí)泵效會(huì)降低，節(jié)能效果不明顯。
油礦的油層含量比較復(fù)雜，長時(shí)間抽油可能導(dǎo)致局部抽空而損壞抽油裝置，PowerFlex™400變頻器的繼電器輸出的延時(shí)功能可以完全保護(hù)螺桿泵抽油裝置。我們還是對變頻器的繼電器輸出進(jìn)行變成，把繼電器輸出2的輸出條件選定為模擬量輸入2超限，如圖2所示，將防抽空閥信號(hào)接進(jìn)變頻器模擬量輸入2，再把繼電器輸出2的跳閘點(diǎn)設(shè)成40%～60%區(qū)域的值，這樣當(dāng)油層含量很低時(shí)，根據(jù)管道上的防抽空閥信號(hào)，繼電器輸出2可以依據(jù)設(shè)置一定長度的判斷時(shí)間（120秒）來延時(shí)輸出，如果防抽空閥信號(hào)保持時(shí)間超過了這個(gè)判斷時(shí)間值，則變頻器的繼電器輸出2輸出信號(hào)，停止螺桿泵電機(jī)以保護(hù)抽油裝置，如果是在這個(gè)判斷時(shí)間長度內(nèi)油量有上來了，則繼電器不輸出，抽油裝置保持正常抽油狀態(tài)繼續(xù)抽油。
在螺桿泵電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，由于泵管道內(nèi)的流質(zhì)中含量復(fù)雜，具有變轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性的速度控制的PowerFlex™400變頻器的軟啟/軟停功能可以減少對抽油桿的機(jī)械沖擊，對稠油、結(jié)蠟、沙卡等造成的堵轉(zhuǎn)過載等情況都能有效地進(jìn)行保護(hù)停機(jī)，以保護(hù)電機(jī)及機(jī)械設(shè)備，減少維修量，防止斷桿，變頻器對過壓、欠壓、過載、短路及電機(jī)失速都能可靠地保護(hù)，對延長電機(jī)的壽命，減少機(jī)械設(shè)備的磨損等，都具有很好的作用。
根據(jù)抽油裝置的長期運(yùn)行特性，控制電路只采用一個(gè)停止按鈕控制。而且我們充分利用了變頻器中繼電器輸出及延時(shí)功能，既節(jié)省了繼電器、時(shí)間繼電器等低壓電器設(shè)備，又節(jié)省了控制柜空間和體積，在大面積應(yīng)用的油田系統(tǒng)中，這一項(xiàng)就能節(jié)省大量的基礎(chǔ)投入資金和備件資金。
PowerFlex™400變頻器在螺桿泵抽油裝置上的應(yīng)用優(yōu)勢也很突出：第一操作簡單，與螺桿泵抽油裝置同步運(yùn)行，不必進(jìn)行特殊調(diào)節(jié)；第二可靠性高：保留螺桿泵抽油裝置原有控制方式及電路不變，以備故障時(shí)不影響生產(chǎn)；第三軟啟/軟停：減輕機(jī)器震動(dòng)，延長設(shè)備和模具的使用壽命；有效的減小噪音，改善工作環(huán)境；系統(tǒng)發(fā)熱明顯減少，油溫穩(wěn)定；延長密封組件的使用壽命，降低停機(jī)維修率，節(jié)省大量的維護(hù)費(fèi)用，同時(shí)增加變壓器的裝機(jī)容量；第四高回報(bào)率：根據(jù)具體工況，所有投資約6～12個(gè)月通過電費(fèi)節(jié)省回收。
四、結(jié)束語
對多數(shù)企業(yè)而言，電費(fèi)是被企業(yè)控制的最后一項(xiàng)成本，目前企業(yè)都著眼于電費(fèi)開支的控制，因?yàn)橛秒娫O(shè)備消耗多少電，是被其機(jī)電特性所決定的。作為油田采油環(huán)節(jié)而言，應(yīng)該注重能源的節(jié)約，注重先進(jìn)節(jié)能機(jī)制的采取，先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，把能耗降到最低，即保護(hù)環(huán)境又為企業(yè)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。實(shí)踐證明，通過應(yīng)用高性能高品質(zhì)的POWERFLEX™400變轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性的速度控制變頻器技術(shù)及一系列的技術(shù)措施，特別是其可編程的多功能的繼電器輸出功能，可以幫助油田企業(yè)在采油環(huán)節(jié)上減少大量的電能費(fèi)用。
作者簡介：劉奉海，哈爾濱艾韋自動(dòng)化總經(jīng)理，Rockwell Automation 授權(quán)黑龍江分銷商。
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