油田变频调速装置经济运行指标的确定

马强 金春玲 佟松林

（1.辽河油田公司质量节能管理部；2.辽河油田公司沈阳采油厂）

近年来，变频设备在油气田生产企业的机采、注水、集输等生产系统中的应用大幅度增加，但由于缺乏节能监测数据的积累，未形成系统的评价方法和指标体系。

1 变频调速装置运行特点

通过对油气田生产企业变频调速装置在抽油机、注水泵、输油泵上运行状况的调研，分析历年的测试数据，总结出油气田生产企业变频调速装置在经济方面的特点：

1）现场操作人员在变频调速装置在使用过程中没有考虑其运行特点，仅依据生产参数进行操作，未考虑设备运行的经济性和合理性；

2）在变频调速装置经济运行方面也没有相关的执行标准和限额指标，现场操作人员缺乏行之有效的参数指导意见，随意性较强；

3）变频调速装置多为组装，无铭牌或铭牌参数不全，而且无运行记录，使用较为混乱[1]。

2 相关参数的关系

2.1 功率因素与频率

从测试结果看，变频调速装置输入、输出端功率因数都与频率有关，当频率降低，功率因数随着降低。变频调速装置输入端功率因数的高低，与变频调速装置自身的设计有直接关系。

2.2 效率与频率

2.2.1 泵输系统

在泵类机组稳定负载下，变频调速装置效率随着频率降低而降低。当频率降低，变频调速装置的自身损耗在输入电能中的比例增大，所以当频率过低时，变频调速装置所带来的节能效果不是最佳。

2.2.2 机采系统

在抽油机变频调速装置测试中，变频调速装置的效率随频率的变化趋势基本与泵类机组一致，但由于抽油机负载的特殊性和复杂性，所以变频调速装置在抽油机运行也具有特殊性[2]。

正常情况下，随着变频调速装置频率增加，变频调速装置的负载率也增加，则其效率就会上升，但在测试中发现有部分井的变频调速装置随着频率的降低，效率反而增加或者呈现不规律的变化。通过对测量时的录波数据进行分析可知：对于无反馈装置的变频调速装置，当抽油机井倒发电严重时，会使变频调速装置效率大幅降低。因此，在平衡较好的抽油机上，随着频率的降低，变频调速装置效率降低。但在某些抽油机平衡度不好的井上，随着变频调速装置频率的变化，发电功率增大，周期性符合波动增加，变频调速装置的损耗也增加，则其效率下降。在变动负载下，变频调速装置的效率变化要视负荷波动系数而定，与频率不呈规律性变化。

因此，变频调速装置的工作频率在调节一次后，应及时测试抽油机的平衡度，若平衡情况较差，应尽快对其进行调整，否则会使变频调速装置效率降低。

2.3 系统效率与频率

2.3.1 输油系统

输油系统多采用离心泵。当频率降低时，由于电动机转速降低、电动机功率利用率下降，导致电动机效率降低。同时，由于泵的转速降低使排量降低，导致泵偏离经济运行区，使得泵效较低。在选择泵的时候，要使泵的流量与扬程落在效率曲线的最高点附近，因此在输油系统中，离心泵机组效率随着频率的降低而降低。

2.3.2 注水系统

注水系统中常用柱塞泵，其流量取决于泵的主要结构参数，与排出压力无关，与输送介质的温度、黏度等无关。柱塞泵的排出压力由泵装置所在管道的特性决定，与流量无关。当频率降低时，电动机转速降低，使柱塞泵每分钟往复次数减少，柱塞泵的流量降低。但柱塞泵在各种排量下都有较高的效率，因此在注水系统中，柱塞泵的机组效率随频率的降低不呈规律性变化。

2.3.3 机采系统

抽油机井随着频率的降低，冲速降低，产量下降，而理论排量的减小使泵排量系数呈增大的趋势，泵效提高，整个抽油机系统的效率呈增加的趋势。

2.4 荷波动

通过变频调速装置相关参数关系探讨，发现变频调速装置运行平稳程度与各项参数的变化具有密切关系，尤其是与抽油机系统的负荷呈周期性变化，不与变频调速装置的频率变化呈规律性[3]。因此，引入了表征运行平稳程度的参数，即周期性负荷波动系数λ，其计算公式为：

式中：

λ —— 周期性负荷波动系数；

Pi—— 一个完整周期内等间隔采样的电动机输入功率的有效值，kW；

ni—— 等间隔采样数量。

3 变频调速装置经济运行指标

通过对机采系统、注水系统、输油系统测试数据进行统计分析，确定出变频调速装置效率的合格限值（表1）和功率因数的合格限值（表2）。

表1 变频调速装置效率合格指标

表2 变频调速装置功率因数合格指标

通过现场测试有33.5%的变频调速装置输入端电压谐波含量在各种频率下均超过电网规定的限值，谐波含量高可引起电流畸变,污染电网，因此变频调速装置谐波含量应按相关标准规定的限值执行。

通过对机采系统、注水系统、输油系统测试数据进行统计分析，确定出变频调速装置经济运行的频率范围，见表3。

表3 变频调速装置经济运行范围

4 结论

1）根据测试数据，分析变频调速装置各项参数之间的关系，为变频调速装置在现场的应用提供依据。

2）引入了表征变频调速装置运行平稳程度的参数，并给出了具体的计算公式。

3）制定了变频调速装置经济运行指标体系，以及变频调速装置效率、功率因数、谐波含量等评价指标，确定了变频调速装置在机采系统、注水系统和输油系统应用的经济运行范围。

[1]蔡俊铁.抽油机井合理调整参数经济界限的研究[J].石油石化节能,2011,1（8）:15-16,22．

[2]杨有为.变频调速控制节能技术在油田的应用[J].石油石化节能,2014,4（5）:18-20．

[3]夏建聪.变频装置在油田生产中的应用[J].石油石化节能,2014,4（5）:34-36．