熊慶生（大慶油田工程有限公司）

近幾年來，隨著油田節(jié)能降耗工作的迫切需要，油井變頻節(jié)能控制柜在油田生產(chǎn)中得到大量推廣應(yīng)用[1，2]。由于傳統(tǒng)的能耗監(jiān)測儀器設(shè)備只能在50Hz工作頻率下運(yùn)行，缺乏必要的能在變頻條件下滿足現(xiàn)場測試要求的測試裝備和相關(guān)測試技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，油井變頻節(jié)能控制柜在油田應(yīng)用過程中遇到的變頻柜損耗和變頻柜效率測試等問題也隨之而來，且關(guān)于解決這些問題的相關(guān)文獻(xiàn)和研究也較少。因此，引進(jìn)應(yīng)用先進(jìn)的測試技術(shù)裝備，開展油田油井變頻控制柜節(jié)能監(jiān)測技術(shù)的研究與應(yīng)用工作，提高對油井變頻控制柜的應(yīng)用認(rèn)識，對推廣應(yīng)用變頻節(jié)能技術(shù)、實(shí)現(xiàn)企業(yè)節(jié)能降耗具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義[3]。

1 油井變頻能耗監(jiān)測技術(shù)的主要研究內(nèi)容

利用具有高精度、寬頻帶特點(diǎn)的功率分析儀對機(jī)采系統(tǒng)油井變頻節(jié)能控制柜進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)測，主要監(jiān)測油井變頻節(jié)能控制柜在不同工作頻率（主要選擇45、40、35、30、25Hz和20Hz等6個(gè)運(yùn)行頻率點(diǎn)）的損耗情況；對采油廠油井最常用的兩種游梁式抽油機(jī)變頻拖動控制技術(shù)方案，即采用普通變頻器加能耗制動單元和變頻器加回饋單元控制方案分別進(jìn)行測試評價(jià)；對同一臺油井變頻節(jié)能控制柜在50Hz運(yùn)行頻率下工頻運(yùn)行與變頻運(yùn)行的損耗情況進(jìn)行監(jiān)測；進(jìn)行應(yīng)用測試分析，提出油井變頻節(jié)能控制柜優(yōu)化運(yùn)行技術(shù)方案。

通過引進(jìn)高精度、寬頻帶功率分析儀（配400 W便攜式多功能移動電源），開展油井變頻節(jié)能控制柜不同工作條件下自身損耗量和工作效率的測試，計(jì)算油井變頻節(jié)能控制柜損耗，分析油井變頻節(jié)能控制柜對油井系統(tǒng)效率的影響，這不僅可對油井變頻節(jié)能控制柜性能和質(zhì)量做出客觀評價(jià)，而且可通過測試掌握油井變頻節(jié)能控制柜不同頻率工作段實(shí)際損耗量的變化規(guī)律，便于制定油井變頻節(jié)能控制柜應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為開展油井變頻節(jié)能技術(shù)推廣和節(jié)能監(jiān)測提供技術(shù)指導(dǎo)。

2 功率分析儀的主要技術(shù)優(yōu)勢

2.1 功能

1）可用于高效化變頻控制系統(tǒng)能耗的測試與評價(jià)：進(jìn)行高精度、高穩(wěn)定性且再現(xiàn)性良好的功率測量；進(jìn)行電動機(jī)能效分析所需的電氣測量；可連接高精度扭矩表與編碼器測量電動機(jī)效率。

2）可用于變頻控制系統(tǒng)的維護(hù)：現(xiàn)場簡單地測量變頻器次級側(cè)的功率；可同時(shí)進(jìn)行變頻器初級側(cè)與次級側(cè)的測量；測量變頻器的噪音。

3）可用于新能源的開發(fā)與評價(jià)：同時(shí)測量AC功率與DC功率；通過DC模式、RMS模式的電流與功率累積，測量受電、售電、消耗與再生功率；可將測量數(shù)據(jù)長期保存到大容量媒介中。

2.2 特點(diǎn)

1）對應(yīng)各種電力線路測量。由于電壓輸入與電流輸入均配備有4個(gè)通道，并且所有通道均施以絕緣，因此可進(jìn)行包括變頻器初級側(cè)與次級側(cè)同時(shí)測量等在內(nèi)的多個(gè)系統(tǒng)的同時(shí)測量；可對應(yīng)單相或三相4線的測量線路；可對應(yīng)DC～變頻器的寬廣頻率范圍（基波0.5Hz～5kHz）。

2）高精度、寬頻帶?；揪葹椤?.05%rdg±0.05%f.s.的高精度，帶寬為DC、0.5Hz～5kHz的寬頻帶；10kHz時(shí)，可測量±0.2%rdg±0.1%f.s.；100kHz時(shí)，可測量±1.52%rdg±0.5%f.s.，即使在變頻器載波頻帶內(nèi)，也可以進(jìn)行高精度的測量。

3）兼顧高速度數(shù)據(jù)處理與高精度。在保持高精度的狀態(tài)下，功率測量與諧波分析可按50ms速率進(jìn)行數(shù)據(jù)更新；由于低頻率測量時(shí)也根據(jù)頻率自動進(jìn)行數(shù)據(jù)更新，因此，無需進(jìn)行從低轉(zhuǎn)數(shù)到高轉(zhuǎn)數(shù)的響應(yīng)（數(shù)據(jù)更新速率）切換。

4）標(biāo)準(zhǔn)配備豐富的數(shù)據(jù)分析功能?？赏瑫r(shí)測量RMS、MEAN、AC成分、DC成分與基波；也可進(jìn)行最多100次的諧波分析或最大100kHz的變頻器噪音分析（FFT分析）；可進(jìn)行500kS/s的高速波型顯示；可利用X-Y圖功能進(jìn)行多方面分析。

5）可同時(shí)測量諧波分析、噪音分析、累積功能與波形顯示等。

6）兼顧簡單的夾鉗測量與高精度的通貫型傳感器測量?？蛇x擇20A～500A之間、AC型或AC/DC型各種電流傳感器；通過對應(yīng)高精度貫通型電流傳感器，可高精度地測量大電流；因?qū)?yīng)夾鉗型電流傳感器，可免除繁瑣的電流直接接線；由于電流輸入以傳感器來絕緣，因此，可大幅度減輕測量變頻器時(shí)的同相噪音的影響。

7）標(biāo)準(zhǔn)配備豐富的接口。標(biāo)配高速100M Ethernet與USB2.0高速通訊接口；對應(yīng)于高速數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)；前面板上標(biāo)配U盤專用端口與CF卡插槽；可高速將數(shù)據(jù)保存在大容量媒介中。

8）備有遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)獲取用PC應(yīng)用軟件。如果利用PC應(yīng)用軟件，并用LAN電纜或USB連接線連接本儀器與計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)則可從本儀器獲取數(shù)據(jù)，或由計(jì)算機(jī)對本儀器進(jìn)行遠(yuǎn)程操作；即使不安裝PC應(yīng)用軟件，也可以利用HTTP服務(wù)器功能，通過瀏覽器進(jìn)行同樣的操作。

9）防止接線錯誤的接線確認(rèn)功能。復(fù)雜的三相接線也可以通過矢量顯示進(jìn)行接線確認(rèn)，以防止接線錯誤。

10）可對應(yīng)多通道的多臺同步功能。連接副機(jī)的本儀器可在和主機(jī)時(shí)間或測量時(shí)序同步的狀態(tài)下測量并記錄數(shù)據(jù)；利用PC應(yīng)用軟件，可在最多4臺本儀器取得同步的狀態(tài)下獲取與記錄數(shù)據(jù)。

11）備有電動機(jī)分析選件。如果輸入扭矩表的輸出與轉(zhuǎn)數(shù)，則可測量電動機(jī)輸出功率；扭矩輸入也對應(yīng)于模擬DC輸出與頻率輸出型扭矩表；轉(zhuǎn)數(shù)輸入對應(yīng)于模擬DC輸出與旋轉(zhuǎn)脈沖輸出；對應(yīng)編碼器的Z相輸出，可進(jìn)行以編碼器脈沖為基準(zhǔn)的相位測量。

12）可波形輸出的D/A輸出選件。配備有16通道的D/A輸出，可對任意測量項(xiàng)目進(jìn)行最多16項(xiàng)的模擬輸出；在波形輸出模式下，輸出500kHz的高速采樣電壓與電流波形，可將絕緣（安全）的電壓電流波形輸入到其他測量儀器中。

13）彩色液晶顯示，可連接溫度計(jì)（非接觸式）和打印機(jī)。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)及應(yīng)用情況

功率分析儀屬于無源測試儀器，所以配置了400W便攜式多功能移動電源，可較好地滿足油井生產(chǎn)現(xiàn)場測試要求。2013年9月上旬和11月上旬，在采油6隊(duì)、14隊(duì)、16隊(duì)、18隊(duì)、11隊(duì)和采油1隊(duì)共選取了14口油井對油井變頻節(jié)能控制柜以及油井系統(tǒng)效率進(jìn)行了系統(tǒng)監(jiān)測。

采油6隊(duì)32-3186井和36-3175井油井變頻節(jié)能控制柜在不同工作頻率段的損耗測試數(shù)據(jù)分別見表1和表2。

采油18隊(duì)26-1423井和30-2443井油井變頻節(jié)能控制柜在不同工作頻率段的損耗測試數(shù)據(jù)分別見表3和表4。

表1 32-3186井變頻節(jié)能控制柜在不同工作頻率段的損耗測試數(shù)據(jù)

表2 36-3175井變頻節(jié)能控制柜在不同工作頻率段的損耗測試數(shù)據(jù)

從表1和表2可以看出，同一臺油井變頻節(jié)能控制柜運(yùn)行頻率越高，油井變頻節(jié)能控制柜損耗越小，變頻器運(yùn)行頻率在45Hz時(shí)變頻柜損耗最小，而運(yùn)行在20Hz時(shí)變頻柜損耗最大。不同型號、不同生產(chǎn)廠家、采用不同控制技術(shù)方式的油井變頻柜在不同運(yùn)行頻率下產(chǎn)生的變頻柜損耗變化規(guī)律是一致的。

另外，采用不同控制技術(shù)方式的油井變頻柜，其產(chǎn)生的變頻柜損耗在同一運(yùn)行頻率點(diǎn)是不同的，采用能量回饋單元控制技術(shù)方式的變頻柜其損耗要明顯小于采用能耗制動單元控制技術(shù)方式的變頻柜。這是因?yàn)椴捎媚芎闹苿訂卧刂萍夹g(shù)方式的變頻柜將抽油機(jī)勢能轉(zhuǎn)化電能的能量以電阻散熱方式消耗掉，對節(jié)能不利，還會產(chǎn)生發(fā)熱、過熱問題，綜合表現(xiàn)為抽油機(jī)的代電系統(tǒng)的功率因數(shù)較低，對電網(wǎng)質(zhì)量影響較大；而采用能量回饋單元控制技術(shù)方式的變頻柜啟動電流小、速度平穩(wěn)、性能可靠、對電網(wǎng)沖擊小，可實(shí)現(xiàn)上下速度任意調(diào)節(jié)和閉環(huán)控制運(yùn)行，用戶根據(jù)油井的液位、壓力確定抽油機(jī)的沖速、速度和產(chǎn)液量，可降低能耗，提高泵效，采用該技術(shù)還可以減少設(shè)備磨損，延長設(shè)備使用壽命，實(shí)現(xiàn)在最大節(jié)能狀態(tài)下的自動化運(yùn)行。

表3 26-1423井變頻節(jié)能控制柜在不同工作頻率段的損耗測試數(shù)據(jù)

表4 30-2443井變頻節(jié)能控制柜在不同工作頻率段的損耗測試數(shù)據(jù)

對比表1和表3、表2和表4，采用同一控制技術(shù)方式的變頻柜不同生產(chǎn)廠家在同一運(yùn)行頻率點(diǎn)運(yùn)行，其損耗量存在明顯不同。這是因?yàn)椴煌a(chǎn)廠家選用器件、生產(chǎn)安裝工藝、變頻器基準(zhǔn)頻率設(shè)置以及采用的諧波抑制措施不同等諸多原因造成的。

同一臺油井變頻節(jié)能控制柜在50Hz運(yùn)行頻率下，監(jiān)測其工頻運(yùn)行與變頻運(yùn)行的損耗情況，測試數(shù)據(jù)見表5。

表5 40-206井同一臺變頻節(jié)能控制柜50Hz運(yùn)行頻率下工頻與變頻損耗測試數(shù)據(jù)對比

從表5可以看出，同一臺油井變頻節(jié)能控制柜在50Hz運(yùn)行頻率下，變頻運(yùn)行模式下變頻柜損耗為3.79%，而工頻運(yùn)行模式下變頻柜損耗為0.94%，同一頻率下相比前者多產(chǎn)生損耗2.85%。

表6為其他4臺油井變頻節(jié)能控制柜變頻運(yùn)行條件下?lián)p耗測試數(shù)據(jù)。油井變頻節(jié)能控制柜對油井系統(tǒng)效率的影響見表7。

從表6可以看出，采用能量回饋單元控制技術(shù)方式的同型變頻器不同廠家生產(chǎn)的變頻柜，采油16隊(duì)和采油14隊(duì)4口井的在用4臺變頻柜實(shí)際運(yùn)行損耗均在5%左右。

表7表明，在各變頻節(jié)能控制柜輸出端測試油井系統(tǒng)效率測試結(jié)果都明顯要高于輸入端的測試結(jié)果，這說明變頻節(jié)能控制柜存在著明顯的損耗，各種在用變頻柜其損耗量因運(yùn)行頻率和生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量的不同而不同，一般情況下其損耗在3%至6%之間。

表6 油井變頻節(jié)能控制柜變頻運(yùn)行條件下?lián)p耗測試數(shù)據(jù)

表7 油井變頻節(jié)能控制柜對油井系統(tǒng)效率影響數(shù)據(jù)對比

4 綜合效益分析

4.1 測試效益

該技術(shù)不僅有效解決了油井變頻節(jié)能控制柜損耗測試，解決了一般功率測試分析儀器只能在50Hz工作頻率下運(yùn)行，只能對變頻節(jié)能控制柜初級側(cè)進(jìn)行功率測試分析，不能開展變頻節(jié)能控制柜自身損耗監(jiān)測，不能滿足油井機(jī)采系統(tǒng)測試分析技術(shù)要求，而且還解決了野外施工作業(yè)測試工作需要的電源問題，具有可觀的測試效益。

4.2 節(jié)能效益

通過監(jiān)測得出不同油井變頻節(jié)能控制柜的損耗率，分析產(chǎn)生能量損耗的原因，提出油井變頻節(jié)能控制柜優(yōu)化運(yùn)行措施，降低變頻節(jié)能控制柜的損耗，讓油井變頻節(jié)能控制柜在最大節(jié)能狀態(tài)下自動化運(yùn)行，達(dá)到系統(tǒng)節(jié)能降耗的目的，每年具有可觀的節(jié)能效益。

4.3 提高油井系統(tǒng)效率

通過監(jiān)測、優(yōu)化、調(diào)整，再監(jiān)測、再優(yōu)化、再調(diào)整等措施，降低油井變頻節(jié)能控制柜損耗，實(shí)現(xiàn)每一臺油井變頻節(jié)能控制柜在最大節(jié)能狀態(tài)下的自動化運(yùn)行，減少損耗2%～3%，則可提高油井系統(tǒng)效率2%～3%。

4.4 提升節(jié)能監(jiān)測能力

該技術(shù)提升了采油廠測試技術(shù)能力，使原來只能測試600V以下工作電壓油井系統(tǒng)效率，延伸到可以進(jìn)行1000V以下工作電壓油井系統(tǒng)效率的測試。

5 結(jié)論與建議

1）采用能量回饋單元控制技術(shù)方式的變頻柜其損耗要明顯小于采用能耗制動單元控制技術(shù)方式的變頻柜，建議油井選用采用能量回饋單元控制技術(shù)方式的變頻柜。

2）同一臺油井變頻柜運(yùn)行頻率越高，油井變頻節(jié)能控制柜損耗越小，反之，則越大。不同型號、不同生產(chǎn)廠家、采用不同控制技術(shù)方式在不同運(yùn)行頻率下產(chǎn)生的變頻柜損耗變化規(guī)律是一致的。根據(jù)油井生產(chǎn)需要，建議油井變頻節(jié)能控制柜在25Hz～40kHz之間運(yùn)行，運(yùn)行頻率過低或過大均不適合油井變頻節(jié)能控制柜節(jié)能經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

3）采用同一控制技術(shù)方式的變頻柜，不同生產(chǎn)廠家在同一運(yùn)行頻率點(diǎn)運(yùn)行，其損耗明顯不同。

4）同一臺油井變頻節(jié)能控制柜在50Hz運(yùn)行頻率下，變頻運(yùn)行模式的變頻柜損耗明顯比工頻運(yùn)行方式下的損耗要大得多。建議變頻柜運(yùn)行頻率大于45kHz的油井，改為工頻下運(yùn)行。

5）加強(qiáng)油井變頻柜的優(yōu)化運(yùn)行管理，合理確定油井變頻柜的生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)，開展變頻柜運(yùn)行管理監(jiān)督檢查，提升變頻柜運(yùn)行質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)油井變頻節(jié)能控制柜在最大節(jié)能狀態(tài)下的自動化運(yùn)行。

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