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雷諾爾RNB2000-U系列變頻器在懸梁式抽油機(jī)的典型應(yīng)用

時間:2018-04-11 19:18:13來源:網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載

導(dǎo)語:?傳統(tǒng)的懸梁式抽油機(jī)采用恒速運(yùn)行加裝制動單元或能量回饋的方案,能耗和成本方面存在很大的弊端。本文介紹了以雷諾爾RNB2000-U系列變頻器為核心的電控系統(tǒng)在油田抽油機(jī)上的應(yīng)用,提出了能量和功率雙閉環(huán)控制的全新方案,效率更高,成本更低。

傳統(tǒng)的懸梁式抽油機(jī)采用恒速運(yùn)行加裝制動單元或能量回饋的方案,能耗和成本方面存在很大的弊端。本文介紹了以雷諾爾RNB2000-U系列變頻器為核心的電控系統(tǒng)在油田抽油機(jī)上的應(yīng)用,提出了能量和功率雙閉環(huán)控制的全新方案,效率更高,成本更低。

一、引言

我國的油田絕大部分為低能、低產(chǎn)油田,不像國外的油田有很強(qiáng)的自噴能力,大部分油要靠注水來壓油入井,靠抽油機(jī)(磕頭機(jī))把油從地層中提升上來。在我國,以水換油、以電換油是目前油田的現(xiàn)實,耗電費(fèi)用在我國的石油開采成本中占了相當(dāng)大的比例。所以,石油行業(yè)十分重視節(jié)約電能,節(jié)省電耗就是直接降低石油的開采成本。

抽油機(jī)節(jié)能,其首選方案是采用變頻器對其電機(jī)拖動系統(tǒng)進(jìn)行改造,抽油機(jī)改用變頻器拖動后有以下幾個好處:

(1)提高功率因數(shù):輸入側(cè)功率因數(shù)可由原來的0.25~0.5提高到0.9以上,大大減小了供電電流,從而減輕了電網(wǎng)及變壓器的負(fù)擔(dān),降低了線損,可省去大量的“增容”開支。

(2)提高運(yùn)行效率:可根據(jù)油井的實際供液能力,動態(tài)調(diào)整抽取速度,一方面達(dá)到節(jié)能目的,同時還可以增加原油產(chǎn)量,系統(tǒng)效率大大提高。

(3)實現(xiàn)了真正的“軟起動”:對電動機(jī)、變速箱、抽油機(jī)都避免了過大的機(jī)械沖擊,大大延長了設(shè)備的使用壽命,減少了停產(chǎn)時間,提高了生產(chǎn)效率。

但是,變頻器用于抽油機(jī)電機(jī)時,也有幾個問題需要解決,主要是沖擊電流問題和再生能量的處理問題,下面分別加以分析。

二、懸梁式抽油機(jī)現(xiàn)狀介紹

2.1懸梁式抽油機(jī)機(jī)械機(jī)構(gòu)介紹

游梁式抽油機(jī)主要是由四大部分組成的:

(1)游梁部分:驢頭、游梁、橫梁、尾梁、連桿、平衡塊(復(fù)合平衡抽油機(jī))

(2)支架部分:橫梁軸承座、工作梯、護(hù)圈、操作臺、支架

(3)減速器部分:底座、減速器筒座、減速器、曲柄、配重塊、剎車等部件

(4)配電部分:電機(jī)座、電機(jī)、配電箱等

2.2懸梁式變頻改造現(xiàn)狀介紹

就實際的變頻改造情況來看,絕大部分抽油機(jī)的配重實際上是嚴(yán)重不平衡的,從而造成過大的沖擊電流,不僅無謂浪費(fèi)掉大量的電能,而且嚴(yán)重威脅到設(shè)備的安全。同時也給采用變頻器調(diào)速控制造成很大的困難:一般變頻器的容量是按電動機(jī)的額定功率來選配的,過大的沖擊電流會引起變頻器的過載保護(hù),不能正常工作。

此外,在油井開采前期儲油量大,儲油量大,供液足,為提高才有效率可采用固定頻率運(yùn)行,保證較高的產(chǎn)油量。但是在中、后期,由于石油儲油量減少,易造成供液不足,電機(jī)若仍然工作在當(dāng)前頻率狀態(tài)勢必浪費(fèi)電能造成不必要的損耗,這時需要考慮實際工作情況,適當(dāng)降低電機(jī)轉(zhuǎn)速減少沖程有效提高充盈率。

三、傳統(tǒng)的變頻解決方案介紹

變頻技術(shù)引入到游梁式抽油機(jī)控制中去是大勢所趨。變頻調(diào)速屬于無極調(diào)速,根據(jù)電動機(jī)工作電流的大小確定電動機(jī)的工作頻率,這樣可以根據(jù)井況的變化,方便的調(diào)節(jié)抽油機(jī)的沖程,達(dá)到節(jié)能和提高電網(wǎng)功率因數(shù)的目的。而矢量變頻控制技術(shù)的應(yīng)用可保證低速大轉(zhuǎn)矩輸出,轉(zhuǎn)速可以平滑地大范圍調(diào)節(jié)。同時,變頻器對電動機(jī)保護(hù)功能齊全,如短路、過載、過壓、欠壓及失速等,可有效地保護(hù)電機(jī)及機(jī)械設(shè)備,保證設(shè)備在安全的電壓下工作,具有運(yùn)行平穩(wěn)、可靠,提高功率因數(shù)等諸多優(yōu)點,是采油設(shè)備改造的理想方案。目前主流的解決方案有以下幾種:

方案1:變頻器加能耗制動單元

這種方式比較簡單,但運(yùn)行效率低。這主要是因為恒速運(yùn)行時下沖程狀態(tài)下電機(jī)發(fā)電能量回饋導(dǎo)致的。在使用普通變頻器時,普通變頻器的輸入是二極管整流,能量不可反方向流動。上述這部分電能沒有流回電網(wǎng)的通路,必須用電阻來就地消耗,這就是必須使用能耗制動單元的原因,也直接導(dǎo)致了能耗較大,整體效率偏低。

缺點:能效偏低,且需加裝制動單元和制動電阻。

方案2:變頻器加回饋單元控制

為了回饋再生能量,提高效率,可以采用能量回饋裝置,將再生能量回饋電網(wǎng)。這樣一來,系統(tǒng)就更復(fù)雜,投資也更高了。所謂能量回饋裝置,其實就是一臺有源逆變器。加裝能量回饋單元的變頻器,用戶可根據(jù)油井的液位、壓力確定抽油機(jī)的沖機(jī)、速度和產(chǎn)液量,降耗節(jié)能,提高泵效;使設(shè)備減少磨損,延長使用壽命,高效節(jié)能低成本,實現(xiàn)在最大節(jié)能狀態(tài)下的自動化運(yùn)行。但由于變頻器和回饋裝置的工作模式,使用能量回饋的方案對于電源端諧波污染很大,電網(wǎng)質(zhì)量下降明顯。

缺點:需要加裝回饋裝置,成本較高,且對電網(wǎng)污染很大。

四、雷諾爾RNB2000-U系列變頻解決方案介紹

鑒于傳統(tǒng)的變頻改造方案的種種弊端,上海雷諾爾科技股份有限公司通過對懸梁式抽油機(jī)工藝的深入探究,采用基于懸梁式抽油機(jī)控制工藝的專用軟件邏輯,采用能量與功率的雙閉環(huán)控制,實現(xiàn)對輸出頻率的連續(xù)平滑調(diào)整,實現(xiàn)消除負(fù)轉(zhuǎn)矩控制,來避免電機(jī)動能的回饋、避免母線電壓過高。進(jìn)而達(dá)到省去制動單元、省去能量回饋裝置的目的,避免了傳統(tǒng)變頻改造方案的種種弊端。

本方案的核心控制思想是恒輸出功率控制,變頻器基于輸出功率環(huán)恒定的PID控制模式,通過調(diào)整輸出頻率來實現(xiàn)恒輸出功率控制,可以在滿足沖次的前提下,有效降低平均輸出功率,實現(xiàn)有效節(jié)能,以及保護(hù)抽油機(jī)機(jī)構(gòu)裝置。也就是說,變頻器不需要設(shè)定特定的運(yùn)行頻率,實際輸出頻率通過PID閉環(huán)自動調(diào)節(jié)。下沖程時,由于負(fù)載由于慣量較大,同步轉(zhuǎn)速低于電機(jī)轉(zhuǎn)速時電機(jī)發(fā)電,變頻器輸出轉(zhuǎn)矩為負(fù),此時變頻器自動提高輸出頻率消除負(fù)轉(zhuǎn)矩避免電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)。上沖程時,位能完全轉(zhuǎn)換成動能,此時轉(zhuǎn)速最高,慣量最大,電機(jī)減速進(jìn)行上沖程動作,當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時,變頻器工作于恒輸出功率的PID調(diào)節(jié)模式,此時變頻器自動提高上沖程轉(zhuǎn)速,完成上沖程動作。

通過整個控制過程可知,電機(jī)一直沒有處于發(fā)電狀態(tài),因此無需加裝制動單元和RBU回饋裝置。同時,整個沖程過程中,下沖程慢,可以浸入更多的油;上沖程快,減少漏油量:大大提高了產(chǎn)油量。

優(yōu)點:無需加裝能量消耗或回饋裝置,成本更低;且優(yōu)化了采油工藝,整機(jī)效率大幅提高;變頻器母線電壓穩(wěn)定,整機(jī)熱耗低,整機(jī)穩(wěn)定性更好。

關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置如下:

五、雷諾爾RNB2000-U系列變頻介紹

上海雷諾爾科技股份有限公司以RNB2000-U變頻器DSP控制系統(tǒng)為平臺,采用國內(nèi)技術(shù)領(lǐng)先的無PG矢量控制技術(shù),并配合多種保護(hù)方式,可應(yīng)用于異步電機(jī),提供優(yōu)異的驅(qū)動性能。產(chǎn)品在風(fēng)道設(shè)計,硬件配置,軟件功能方面都極大的提升了客戶易用性及環(huán)境適應(yīng)性。

技術(shù)特點:

◆行業(yè)專用:基于游梁式抽油機(jī)控制工藝的軟件邏輯,真正做到行業(yè)專用,方案領(lǐng)先。

◆高可靠性選型:關(guān)鍵器件均采用國內(nèi)外知名品牌,元器件穩(wěn)定性可靠有保障。

◆大冗余設(shè)計:通過嚴(yán)格計算與實驗驗證,關(guān)鍵元器件采用大裕量設(shè)計,以保證整機(jī)在油田惡劣環(huán)境下的長期穩(wěn)定性。

◆優(yōu)化的矢量控制:國內(nèi)技術(shù)領(lǐng)先的無速度反饋矢量控制,低頻扭矩大,轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快。

◆軟件限流限壓功能:良好的電壓、電流限制,有效進(jìn)行關(guān)鍵控制參數(shù)限幅以降低變頻器的故障風(fēng)險。

◆環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng):較高的整機(jī)過溫點,獨(dú)立的風(fēng)道設(shè)計,加厚三防漆處理,更適合長期運(yùn)行在油田戶外場合。

◆轉(zhuǎn)速追蹤再起動功能:實現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)中的電機(jī)的無沖擊平滑起動

◆自動電壓調(diào)整功能:當(dāng)電網(wǎng)電壓變化時,能自動保持輸出電壓恒

◆全面的故障保護(hù):過流、過壓、欠壓、過溫、缺相、過載等保護(hù)功能

六、結(jié)束語

游梁式抽油機(jī)傳統(tǒng)的變頻應(yīng)用模式因為種種弊端的存在,變頻改造控制方案持續(xù)改進(jìn)在所難免。上海雷諾爾科技股份有限公司以其獨(dú)創(chuàng)性的控制方案必將引領(lǐng)行業(yè)方案的變革。同時,RNB2000-U系列變頻器可靠的軟硬件穩(wěn)定性也注定了其必將為客戶提供極具性價比的用戶體驗。

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