地面驅(qū)動(dòng)螺桿泵因其占地面積小，一次性投資少，對(duì)高粘、高含砂、高含氣流體適應(yīng)性強(qiáng)，節(jié)能效果顯著而倍受各大油田青睞。隨著一些油田都已進(jìn)入了開發(fā)的中后期，產(chǎn)出液含水高，耗能大，開發(fā)成本日益增高。為了節(jié)能降耗，一些油田相繼開展了日產(chǎn)液250m3/d以上的地面驅(qū)動(dòng)大排量螺桿泵采油工藝技術(shù)的研究及礦場(chǎng)試驗(yàn)。
地面驅(qū)動(dòng)大排量螺桿泵井采用普通控制系統(tǒng)工頻工作時(shí)，存在以下問題：
一是調(diào)參不方便，不連續(xù)，調(diào)節(jié)幅度有限;調(diào)參必須停井，停井時(shí)間長(zhǎng)，工作量大，對(duì)于出砂井、結(jié)蠟井需要額外作業(yè)。二是電動(dòng)機(jī)工頻額定電壓起動(dòng)時(shí)，其起動(dòng)電流較大，對(duì)電網(wǎng)及其同一線路中的其他用電設(shè)備造成影響;電動(dòng)機(jī)從靜止到達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，僅需要零點(diǎn)幾秒的時(shí)間，常常對(duì)電動(dòng)機(jī)、機(jī)械負(fù)載及傳動(dòng)減速裝置形成沖擊，縮短機(jī)械負(fù)載和傳動(dòng)減速裝置的使用壽命。三是配備的電動(dòng)機(jī)的功率較大，而正常運(yùn)行中電動(dòng)機(jī)負(fù)載率低，通常只有35%～75%，出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象，耗能高，不經(jīng)濟(jì)。針對(duì)上述問題，采用變頻調(diào)速技術(shù)，實(shí)現(xiàn)螺桿泵井不停機(jī)、連續(xù)調(diào)參，軟起動(dòng)、軟停機(jī)，合理匹配電動(dòng)機(jī)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)螺桿泵井高效、平穩(wěn)的工作具有重要意義。
三大作用
方便調(diào)參 未使用變頻調(diào)速技術(shù)的螺桿泵井的調(diào)參需要停機(jī)更換皮帶輪，改變傳動(dòng)比。調(diào)節(jié)幅度有限，不連續(xù);占井時(shí)間長(zhǎng)，工作量大;對(duì)于一些出砂井、結(jié)蠟嚴(yán)重的井、油稠的井在調(diào)參完成前或后，通常要進(jìn)行沖砂、熱洗作業(yè)，增加運(yùn)行成本。而使用變頻調(diào)速技術(shù)的螺桿泵井，可以通過調(diào)整控制柜控制面板上的調(diào)頻旋鈕，改變電源的輸出頻率，進(jìn)而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。不需要停機(jī)，更換皮帶輪，就可以實(shí)現(xiàn)螺桿泵井連續(xù)調(diào)參，并且調(diào)參范圍廣。
實(shí)現(xiàn)螺桿泵井軟啟動(dòng) 地面驅(qū)動(dòng)螺桿泵采油系統(tǒng)，工頻起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流較大，對(duì)電網(wǎng)及其同一電網(wǎng)內(nèi)的其他用電設(shè)備造成沖擊;起動(dòng)時(shí)間短，光桿轉(zhuǎn)速瞬間(大約0.3～0.5s)提高，由于原油的粘滯力和抽油桿柔性的影響，抽油桿扭矩傳遞緩慢，大部分扭矩集中在抽油桿的上部;由于起動(dòng)時(shí)慣性扭矩遠(yuǎn)大于正常運(yùn)行時(shí)的慣性扭矩，瞬間的沖擊易對(duì)抽油桿柱的機(jī)械性能造成影響。
螺桿泵井變頻起動(dòng)時(shí)，變頻器輸出電源頻率從0或某一設(shè)定值按照一定的升速方式在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)增加到設(shè)定頻率，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也按照同時(shí)升速方式上升到設(shè)定轉(zhuǎn)速，減小了起動(dòng)時(shí)的沖擊電流和慣性扭矩，真正實(shí)現(xiàn)了螺桿泵井的軟啟動(dòng)。
現(xiàn)以遼河油田某采油廠一口螺桿泵井工頻起動(dòng)、變頻起動(dòng)時(shí)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，來說明變頻軟起動(dòng)的作用。該井的基本生產(chǎn)參數(shù)如下：
泵型號(hào)：GLB1100-16，電機(jī)型號(hào)：YB200L2-6，下泵深度：704.56m，動(dòng)液面：204.7m，油管內(nèi)徑：76mm，抽油桿：28mm(連續(xù)油桿)，油壓：0.6MPa，套壓：0MPa，原油粘度：262mPa•s，密度：0.905g/cm3，目前液量：113.1m3 /d，含水率：95.5%，轉(zhuǎn)速：工頻(50Hz)時(shí)為100r/min，變頻(35Hz)時(shí)為70r/min。
可以看出，50Hz工頻起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)瞬間的電流大約是正常運(yùn)行時(shí)的7倍，是電動(dòng)機(jī)額定電流的3倍多(YB200L2-6額定電流44.7A)，持續(xù)時(shí)間約為0.1～0.3s。電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流過大，主要有兩個(gè)原因：一是電動(dòng)機(jī)在剛起動(dòng)過程中，電動(dòng)機(jī)線圈繞組是冷態(tài)的，大部分的導(dǎo)體在冷態(tài)時(shí)內(nèi)阻較小，同樣電壓下，內(nèi)阻較小時(shí)電流較大，所以起動(dòng)電流大;二是油田所用的電動(dòng)機(jī)多為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組間無電的聯(lián)系，只有磁的聯(lián)系，磁通經(jīng)定子、氣隙、轉(zhuǎn)子鐵芯成閉路。當(dāng)合閘瞬間，轉(zhuǎn)子因慣性還未轉(zhuǎn)起來，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以最大的切割速度——同步轉(zhuǎn)速切割轉(zhuǎn)子繞組，使轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)出最高的電勢(shì)，因而，在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中流過很大的電流，這個(gè)電流產(chǎn)生抵消定子磁場(chǎng)的磁能;定子方面為了維護(hù)與該時(shí)電源電壓相適應(yīng)的原有磁通，遂自動(dòng)增加電流，因此定、轉(zhuǎn)電流都很大。
電流的第二個(gè)波動(dòng)，持續(xù)時(shí)間4～6s，主要是抽油桿柱由上而下逐漸轉(zhuǎn)動(dòng)起來的過程中抽油桿柱與液體之間，定、轉(zhuǎn)子之間由靜摩擦變?yōu)閯?dòng)摩擦，抽油桿柱的慣性作用，造成電動(dòng)機(jī)所帶動(dòng)的負(fù)載(螺桿泵井抽油桿柱所受的載荷、扭矩)增加造成的。
可以看出：電流也同樣存在一個(gè)短時(shí)間急劇的上升過程，但電流值比工頻起動(dòng)時(shí)的要小的多，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)及電動(dòng)機(jī)造成影響。電動(dòng)機(jī)起動(dòng)后以極低的轉(zhuǎn)速逐漸帶動(dòng)傳動(dòng)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)，大約經(jīng)過8s后電流開始逐漸增加，說明上部抽油桿開始轉(zhuǎn)動(dòng)，并由上往下逐漸帶動(dòng)下部抽油桿柱轉(zhuǎn)動(dòng)，大約到20s時(shí)，起動(dòng)電流達(dá)到最大值(原因是抽油桿柱與液體之間定轉(zhuǎn)子之間由靜摩擦變?yōu)閯?dòng)摩擦、抽油桿柱的慣性作用，造成電動(dòng)機(jī)的負(fù)載增加，電流增大)，此后電流有所下降，直到穩(wěn)定在正常運(yùn)行時(shí)的水平。
由以上對(duì)比分析可以看出，變頻軟起動(dòng)方式能夠有效的降低起動(dòng)時(shí)的沖擊電流，起動(dòng)瞬間的電流不會(huì)對(duì)電網(wǎng)及電動(dòng)機(jī)造成影響，有效的延長(zhǎng)起動(dòng)時(shí)間，真正實(shí)現(xiàn)螺桿泵井的軟起動(dòng)。
有助于節(jié)能 一方面，采用變頻調(diào)速技術(shù)的螺桿泵井起動(dòng)、運(yùn)行平穩(wěn)，這有助于為螺桿泵井選配合適的電動(dòng)機(jī)，避免“大馬拉小車”的現(xiàn)象。根據(jù)油井的產(chǎn)能、油井產(chǎn)出液的性質(zhì)、螺桿泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)及其抽油桿柱等參數(shù)能較為準(zhǔn)確的計(jì)算出螺桿泵井運(yùn)行時(shí)所需的扭矩及電動(dòng)機(jī)的輸出功率，選擇一定的裕度，匹配合適的電動(dòng)機(jī)，提高電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率，有利于節(jié)能。
另一方面，變頻調(diào)速技術(shù)能提高電動(dòng)機(jī)的功率因素，電動(dòng)機(jī)工頻驅(qū)動(dòng)時(shí)的功率因素一般為0.45～0.65，而采用變頻調(diào)速裝置后，功率因素能提高到0.70～0.85，有的甚至高達(dá)0.90以上，減少了無功損耗，增加電網(wǎng)的有功功率，有助于節(jié)能。
現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果
遼河油田某采油廠68口日產(chǎn)液量100m3以上的螺桿泵井，均配套使用了變頻調(diào)速控制裝置。新上的9口大排量螺桿泵井使用GLB2000-21型螺桿泵，100rad/min時(shí)，理論排量288m3/d。根據(jù)下泵深度和動(dòng)液面配備22～37kW的不同電動(dòng)機(jī)，配套使用了變頻調(diào)速裝置。平均功率因素由使用前的0.605提高為0.84，噸液百米耗電由原來的0.72kW·h降低為0.58kW·h，節(jié)能達(dá)24.1%，使用半年來螺桿泵井調(diào)參方便，起動(dòng)、停機(jī)平穩(wěn)，運(yùn)行良好。
實(shí)踐證明，變頻調(diào)速技術(shù)能夠滿足螺桿泵井不停機(jī)調(diào)參、軟起動(dòng)的工藝要求，能實(shí)現(xiàn)螺桿泵井運(yùn)行中連續(xù)調(diào)參，減小了勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了螺桿泵井平穩(wěn)起動(dòng)、運(yùn)行。
變頻軟起動(dòng)能夠有效地降低了起動(dòng)瞬間的電流，減小起動(dòng)瞬間過大的電流對(duì)電網(wǎng)及同一電網(wǎng)中用電設(shè)備的沖擊;緩慢起動(dòng)，抽油桿柱轉(zhuǎn)速緩慢增加，可以避免因瞬間起動(dòng)過大的扭矩對(duì)抽油桿柱及負(fù)載的影響。
變頻調(diào)速技術(shù)實(shí)現(xiàn)了螺桿泵井平穩(wěn)的起動(dòng)、運(yùn)行有助于選配合適的電動(dòng)機(jī)，同時(shí)能夠提高功率因素，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。
變頻調(diào)速裝置的性能與變頻調(diào)速裝置的品牌有關(guān)，變頻調(diào)速裝置中運(yùn)用了一些非線性電氣原件，產(chǎn)生諧波，對(duì)電網(wǎng)的污染情況需要進(jìn)一步研究。
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