变频调速技术在油田中的应用与节能

郭振平，孙钿翔，武茜

（长庆油田第十二采油厂， 甘肃 庆阳 745400）

变频调速技术在油田中的应用与节能

郭振平，孙钿翔，武茜

（长庆油田第十二采油厂， 甘肃 庆阳 745400）

随着油田开发活动的不断扩大，油田开采中资源浪费和环境污染的问题越来越严重，严重影响到了油田开发的社会效益和经济效益。因此，必须针对油田开发的节能措施进行深入的研究，才能有效提高油田生产的效益。变频调速技术能够切实改善油田的节能效率，促进油田事业的可持续发展。

变频调速技术；油田开发；节能应用

油田开发系统存在着效率低、能耗大的问题，导致油田生产活动的成本不断增加，威胁到了油田生产的稳定开展。而变频调速技术在油田节能方面有显著的效果，能够提高油田设备的运转效率，延长设备的使用寿命，实现节能减排的目标。本文结合当前油田开采系统存在的节能问题，对变频调速技术应用的可能性和具体措施进行了分析，以期进一步提高油田开采系统的效率。

1 油田开采的节能问题

当前，随着我国城市化建设的不断推进以及社会经济的进一步繁荣，社会生活产生了越来越大的能源需求。石油作为最重要的能源之一，在日常生活和工业生产中有着十分广泛的应用。而当前油田开采中由于技术不到位、重视程度不够等原因造成的资源浪费现象比较突出，这与我国社会能源短缺的现状构成了极大的矛盾，阻碍了社会经济的可持续发展。

具体来说，石油开采中电费支出的比例十分庞大，超过了石油开采总成本的30%。这是因为石油抽油机是一个重型设备，如果想要维持正常的运转，就必须采用大功率的电机，才能满足工作需要。而大功率的电机必然会产生更多的能耗，增加石油开采的总成本。同时，在设计和选用抽油机的电机时，为了保证其正常运行，一般都会在电机容量上留有更大的余地，也就是说，设计的容量比实际的需求还高出了很多，如果运行机械，就会产生很多不必要的电能浪费。

结合实际，对抽油机的工作进行简单总结的话，可以得出如下分析：一是抽油机冲次快、循环周期比较短。再加上风吹日晒等环境的影响，设备很容易老化或者带病运行，更增加了电能的消耗。二是无功功率高，电机常常在最大有功负荷和最小两种极端状态之间运行，会导致供电线路的电能损耗，也可能会对电路造成损害。三是存在系统谐波，使得电机温度升高，增加了铁损耗和铜损耗，并且可能引发机械振动、电磁噪声等问题。

2 变频调速技术的概况

针对采油系统电能损耗过大的问题，变频调速技术能够有效降低电机的能耗，提高其运转效率。变频调速技术是融合了现代微电子技术、信息技术、电力电子技术等先进技术的一种综合性技术，通过变频装置，可以有效整合资源的利用，进而提高资源的利用效率，降低生产成本，促进油田企业的稳定发展。

就变频器的工作原理来分析，是利用电力半导体器件的通断工作将工频电源变换成另一频率的电能控制装置。由于电机的转速和工作电源的输入频率是一种正比的关系，如果改变电机的工作电源频率，就能实现改变电机转速的目标。与采油系统过去的电机工作状况相比，即使变频装置本身的设备需要一定成本且会在长期使用中损耗，但是总的省电量是非常可观的。

因此，在采油系统中推行变频调速技术的应用有很大的必要性。

变频器通过以下方式实现节能。以采油系统的抽油机为例，一般的抽油机是采用三相异步电动机来带动抽油机上下往复运动，从而使抽油机能够工作。在这一运动过程中，电动机的负荷在发生变化，由于马达的转速基本维持不变，则往复运动存在轻载和重载的区别。

在实际工作中，执行运动任务的时间上也有间隙性，因此不能一直保持满负载运行，轻载的状态下仍然要浪费大量的电能和空间。而变频调速技术就可以针对性的解决空间利用率低下的问题，通过抽油机数控系统的工作，来检测抽油机的比例压力和比例流量信号，从而判断出各种工况下的实际所需的马达转速，并进行自动调整。这样一来，整个运动过程就被细化了，通过对每一工况的识别和调整，能够最大限度的利用空间，使抽油机在工作时实现节能。

3 变频调速技术在油田中的应用

变频调速技术具有节能效果好、功率因数高、实现软启动等众多优点，因此在各行各业中都有很多的应用。在石油这一高能耗的产业中应用尤为重要，我国很多油田如华北油田、中原油田等都进行了大量的变频调速技术的研究和使用。事实证明，变频调速技术可有效节电超过20%。由此可见，变频调速技术在油田中的应用既有现实的可行性，又有很强的必要性。

（1）异步电动机。如果原油产量不能满足泵的额定流量，就只能采用阀门节流的方法解决输油泵供液不足的问题。但是这种做法会导致泵的压强升高，长期以往，对泵的机封、轴承的磨损造成消极的影响，缩短泵的使用寿命。且这一办法仍不具有良好的节能效果，不能大量减少资源的浪费。因此，使用变频调速技术来实时调节泵的转速，确保供液量符合要求，这样就能保证泵的高速高效运转，减少对泵设备本身的磨损，并且实现节能和节电的双重目标。

（2）原油集输系统。在原油的集输系统中应用变频调速技术，能够自动跟进和调节运行状态，提高系统的工作效率。在实际的开采中，原油的集输工程容易受到环境因素的影响，直接影响到原油的产量和运输的效率。而机泵容量和输油管线的充分余量可能会引起节流运行和反输回流的问题，要解决问题只能依靠人工操作通过对各处阀门的控制来控制流量、压力等，但人工操作不仅效率慢，跟不上运行状态的随时变化，还很可能存在操作误差，造成更大的能源浪费。而在进站汇管出口处安装变频调速器，就能实现对石油液量的跟踪检测，根据差值模拟量及时调整输出频率，控制电机转速，从而提高石油质量。

（3）供水系统。在石油开采的系统中，供水是一个重要的环节。为了保证设备用水的需要，以往的做法是由工作人员根据用水量随时调节泵出口阀门，但是这种方法造成的资源浪费比较大。如果在水源站外输泵电动机上安装变频器，就可以控制电机转速。

压力传感器可以将压力信号转换为电信号，与设定的压力泵速频率值进行比较，从而得到一个设定值，调整电机的转速以改变泵工况。同样的，在水源厂安装变频器，能够保证供水压力，从而为石油开采提供稳定的供水。稳定的供水不仅能够保证用水质量，促进开采工作的持续稳定进行，还能够减少对输水管道等基础设施的损耗，提高相关设备的使用效率，有效降低成本。

（4）抽油机。抽油机是采油系统中十分关键的设备之一，也是造成电能损耗过大的根本原因之一。因此，使用变频调速技术加强抽油机工作系统的智能化控制和工作效率是解决节能问题的有效途径。

抽油机的负载具有不平衡性，也会经常发生变化。其多变性主要是井下的液面、油层、油质等因素总是不断变化，且很难找到其中的变化规律。这就意味着抽油机的工作负载也具有一定的特殊性。因此，变频调速装置必须具有追踪控制的功能，才能及时适应抽油机工作需要的变化，以便对抽油机的功率等参数进行恰当的调整。由于变频调速技术融合了电子信息技术，能够在很大程度上实现自动化控制。通过对抽油机工作状态的时刻监控，能够及时掌握各项参数，并且根据输入的程序和计算自动做出调节操作，以达到节能的目的。智能化的控制能够减少对电网的冲击力，起到保护电力设施的积极作用。

但是，就目前采油系统中变频调速装置的智能化水平来说，离理想的目标还有很大的距离。通用变频器无法适应抽油机的负载特点，经常出现故障，严重影响了变频技术的使用效果和油田开采的效益。因此，必须在今后的研究中进行针对性的技术改进。

以上在分析电动机变频调速原理的基础上，进一步介绍变频调速装置在原油系统、供水系统、锅炉采暖供热系统和抽油机中的应用原理以及现状，在油田的推广应用已取得了很大经济效益。为解决油田开发的社会效益和经济效益,引进变频调速技术，可提高油田设备的运转效率，延长设备的使用寿命，并且在生产中实现节能减排的目标。

[1]杨阳. 变频调速技术在油田地面采油系统中的应用[D].西安石油大学，2015.

[2]张锦荣. 变频调速技术与节能应用[J]. 自动化与仪器仪表，2012,06:111～112+116.

[3]李发旺,杨仙峰. 变频调速技术在油田节能中的应用研究[J].化工管理，2014,21:170.

[4]栗文洗.抽油机变频控制柜数据采集与处理系统的研制[D].中国石油大学，2007.

TE43

A

1671-0711（2016）11（下）-0091-02