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應用案例 | 變頻器在直驅(qū)永磁同步抽油機的應用

更新時間:2023-07-25      點擊次數(shù):428

一、引言

據(jù)統(tǒng)計,目前有機械采油井150多萬口,其中傳統(tǒng)四連桿游梁式抽油機占90%左右,成為機械采油的主導機型。目前油井上普遍使用的異步電機驅(qū)動的游梁式抽油機,仍存在系統(tǒng)冗余、電機效率不高、功率因數(shù)低等缺陷。因此,為了實現(xiàn)碳達峰、碳中和的目標,對節(jié)能減排要求越來越高,尋找更環(huán)保、更節(jié)能的驅(qū)動裝置成為了重中之重。隨著控制技術的發(fā)展,電機的制造向著專業(yè)化、自動化方向發(fā)展,目前,抽油機拖動裝置采用直驅(qū)永磁同步電機,該電機在轉(zhuǎn)子磁極結構上與傳統(tǒng)異步電機有很大區(qū)別,可以通過聯(lián)軸器與抽油機減速箱輸入軸直接連接,省去中間皮帶傳動環(huán)節(jié),提高傳動效率。該系統(tǒng)相對于使用交流異步電機作為驅(qū)動裝置,降低了抽油機系統(tǒng)的工作損耗,提升了抽油機的工作效率。

二、應用環(huán)境分析

1、游梁式抽油機系統(tǒng)組成

傳統(tǒng)的游梁式抽油機有異步電機、皮帶、齒輪箱三個旋轉(zhuǎn)驅(qū)動環(huán)節(jié)。工作方式是:通過曲柄連桿將機械減速齒輪箱的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)槌橛蜅U的反復地上下提升運動,其動力來自于電動機帶動的兩個重量相當大的平衡塊,當平衡塊提升時,將采油機桿送入井中,平衡塊下降時,采油桿提出帶油至井口。


2、游梁式抽油機異步電機負載分析

(1)、游梁式抽油機負載受井下載荷影響變化劇烈且頻繁,一個沖次內(nèi)負載轉(zhuǎn)矩不均衡,載荷隨之增大,電流急劇增加,造成異步電機效率大幅下降。工作時電動機的利用率一般在20%-30%之間,最高不會超過60%,皮帶傳遞效率95%。電動機經(jīng)常處于輕載狀態(tài),造成了電動機資源的浪費。

(2)、游梁式抽油機為了克服大的起動轉(zhuǎn)矩,采用的電動機遠遠大于實際所需功率,屬于大馬護小車性質(zhì)。

(3)、抽油機的工作情況是連續(xù)變化的,這些都取決于地底下的狀態(tài),若始終處于工頻運行,勢必也會造成電能的浪費。

(4)、由于電機轉(zhuǎn)速一定,在滑塊下降過程中,負荷減輕,電機拖動產(chǎn)生的能量無法被負載吸引,導致電機進入再生發(fā)電狀態(tài),將多余的能量反饋到電網(wǎng),引起主回路母線電壓的升高,勢必會對整個電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊,導致電網(wǎng)供電質(zhì)量下降,功率因數(shù)降低,頻繁的高壓沖擊會損壞電機,縮短電機壽命、維護量加大。

(5)、皮帶非常容易打滑磨損,通常一兩個月就需要更換皮帶。隨著磨損程度的增加,傳動效率很低。

3、游梁式直驅(qū)永磁同步抽油機主要特點

 采用高效稀土永磁直驅(qū)同步電動機,取消抽油機皮帶傳動系統(tǒng), 直接驅(qū)動抽油機的輸入軸,以解決傳動效率很低以及拖動裝置自身耗能高導致不節(jié)能的問題。

(1)、低速大扭矩

永磁同步電機轉(zhuǎn)子上鑲有永磁體,產(chǎn)生恒定的磁場,因此在永磁同步電機轉(zhuǎn)子上可以鑲嵌很多對磁極,做成多極電動機,使該電機的額定轉(zhuǎn)速極低。再把永磁同步電動機直徑加大,就能做成低速大轉(zhuǎn)矩交流永磁同步電動機(由于使用了高能量磁鋼,永磁同步電機的能量密度高,在相同直徑的電機,永磁同步電機的轉(zhuǎn)矩也比其他電機高30%以上)。永磁同步電動機額定轉(zhuǎn)速可以做到每分鐘幾十轉(zhuǎn),額定轉(zhuǎn)矩可達數(shù)十萬牛米,是其他種類電機不可能實現(xiàn)的。

(2)、高起動轉(zhuǎn)矩

該電機轉(zhuǎn)子上鑲有永磁體,可以產(chǎn)生恒定的磁場。根據(jù)通電導體在磁場中的電磁力F為: F=BLI (B是磁場強度,L是通電導體的有效長度。I是通電導體中的電流)。在永磁同步電機變頻器控制下,永磁同步電機的轉(zhuǎn)矩M為: M=FR (R額為永磁同步電機轉(zhuǎn)子的半徑),因此永磁同步電機的轉(zhuǎn)矩與電流的大小成正比,從而永磁同步電機起動時通入幾倍的額定電流,就有幾倍的額定轉(zhuǎn)矩,所以說永磁同步電機具有較高的起動轉(zhuǎn)矩(Y系列異步電動機起動電流是7倍左右額定電流,起動轉(zhuǎn)矩是2倍左右額定轉(zhuǎn)矩)。

(3)、永磁直驅(qū)電機直的應用,可以很大程度地降低抽油機井能耗。與常規(guī)游梁式抽油機相比,永磁直驅(qū)電機抽油機有顯著的節(jié)電效果,,并且大幅度地提高了系統(tǒng)效率,降低了百米噸液耗電,是降低單井能耗的有效方法。安裝調(diào)試容易,沖程、沖速均可通過變頻柜控制,降低了整機的故障率和維護成本,并可以提高運行時率。

常規(guī)電動機與永磁直驅(qū)同步電動機的對比

項目

異步動機+皮帶輪+減速器

永磁直驅(qū)同步電動機

額定效率%

69-73

95

平均效率%

<    50

>    80

功率因數(shù)

<    0.85

>    0.95

維護保養(yǎng)

皮帶輪需要定期更換

免維護

機械結構

高可靠性

無須改變現(xiàn)有游梁式抽油機結構

從數(shù)據(jù)可以看出,應用永磁同步電機不僅大幅降低了有功耗電量,而且解決了原有抽油機功率因數(shù)低、無功功率過大的缺點,有助于提高電網(wǎng)的運行品質(zhì)。目前,永磁同步電機因其結構簡單,體積小,重量輕,功率慣量比大、效率高、精度 高和調(diào)速范圍寬等優(yōu)點,近年來在各領域都得到廣泛的應用。

三、游梁式直驅(qū)永磁同步抽油機控制方案

1、變頻器選擇

永磁同步電機帶動的游梁式抽油機需要超過額定轉(zhuǎn)矩的啟動轉(zhuǎn)矩,要實現(xiàn)迅速的啟??刂?,對控制精度的要求也較高,必須選用矢量控制型變頻器。深圳市邁凱諾推出KE300F永磁同步電機專用變頻器是一款用來控制永磁同步電機的變頻器,能很好滿足其性能要求。該變頻器在同步電機控制下具有以下技術特點:

  轉(zhuǎn)矩:無PG矢量控制2.5Hz/150%(SVC)

  載能力:150%額定電流60s,180%額定電流10s,200%額定電流1s

  調(diào)速比:無PG矢量控制 1:20

  制精度:無PG矢量控制:±0.2%最高速度 。

2、系統(tǒng)控制方案

KE300F開環(huán)永磁同步具有過壓抑制功能,針對油田直驅(qū)永磁同步抽油機上下沖程產(chǎn)生能量,進行過壓抑制處理,不加剎車單元或能量回饋。

對于30kW的多級永磁同步電機,充分考慮其啟動及運行時的轉(zhuǎn)矩要求,可以為其放大兩檔選配變頻器,選配的型號為KE300F-045G-T4。圖片圖片

3、具體使用效果

 整個系統(tǒng)對信號的采集方面比較簡潔,因此接線十分方便。KE300F系列永磁同步電機專用變頻器是根據(jù)抽油機的工作特性,專門開發(fā)出來的專用變頻器,在使用時,無需做過多的復雜控制設置,只需簡單的自學習就能達到對永磁同步電機的精確控制,這樣整個調(diào)試過程也變得比較輕松。

項目

產(chǎn)液

t.d

沖程

m

沖速

min

泵效

%

有功功率

KW

功率因數(shù)

電流

A

改造前

16.8

3

4.7

54.4

6.85

0.4

34/32

改造后

17.2

3

4.7

55.7

6.21

0.76

25/23


日耗電

KWh

系統(tǒng)效率

%

百米噸液耗電

kwh

綜合節(jié)電率

%

百米噸液節(jié)電率

%

164.4

10.72

2.47

11.59

19.03

148.8

13.35

2

通過油田現(xiàn)場測試的抽油機,表明游梁式直驅(qū)永磁同步抽油機控制方案運行良好,抽油機工作在最佳的狀態(tài)。游梁式直驅(qū)永磁同步抽油機控制應用中有如下優(yōu)點:

?  (1)直驅(qū)永磁同步抽油機控制解決方案,可以根據(jù)現(xiàn)場油井負荷大小使抽油機達到最佳的平衡狀態(tài),根據(jù)油井的產(chǎn)液量使抽油機工作在合理的沖次,并根據(jù)油井工況對抽油機進行有效的保護;從而最大限度的使抽油機的運行參數(shù)與油井參數(shù)相一致,發(fā)揮抽油機的工作能力,實現(xiàn)低碳開發(fā)和節(jié)能開采;

?  (2)KE300F系列永磁同步電機專用變頻器內(nèi)置的通訊功能,提供RS485通訊接口,使之與RTU控制模塊的通訊連接更加簡便;

?  (3)模塊化設計,系統(tǒng)的維護更加簡單;

?  (4)KE300F系列永磁同步電機專用變頻器具有短路、過載、過壓、缺相、失速等多種保護和故障輸出功能,能有效保證系統(tǒng)安全高效的運行;

?  (5)可以通過站控平臺有效實現(xiàn)變頻器的參數(shù)調(diào)整及管理要求,實現(xiàn)真正意義上的井場無人值守。

四、客戶評價

通過在長時間的運行觀察和一線員工的反饋,KE300F系列永磁同步電機專用變頻器與永磁同步電機一起構成抽油機驅(qū)動系統(tǒng),很好的滿足了抽油機的工作需求,解決低壓低產(chǎn)井系統(tǒng)效率偏低,以及皮帶傳動系統(tǒng)引發(fā)的負面問題。無論在加減速時間、力矩、轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應速度、運行電流、電機噪聲、穩(wěn)速精度等方面均有出色表現(xiàn)??珊芎玫奶娲鷩馔惍a(chǎn)品。該系統(tǒng)相對于使用交流異步電機作為驅(qū)動裝置,降低了抽油機系統(tǒng)的工作損耗,提升了抽油機的工作效率。


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