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合康變頻HID520系列四象限變頻器在勝利油田的應用

瀏覽次數: 日期:2017-8-3 10:16:26

1 引言

在起重、礦山、油田等應用場合,電機在運行中會產生再生能量,所產生的再生能量如果不加以有效利用,就會被浪費。如何有效利用這些再生能量,并解決輸入電流的諧波含量高,功率因數低的問題,則成為客戶迫切的應用需求。鑒于此,合康變頻經過潛心研究,推出HID520系列四象限能量回饋變頻器,致力于提升客戶的節能效率與綜合經濟效益。

HID520系列四象限能量回饋變頻器采用PWM控制的IGBT整流技術,實現對整流與回饋的雙向控制,成功解決了負載在快速下降或停機時的再生發電能量處理問題,具有四象限的運行功能。同時,能滿足各種位勢負載的調速要求,可將電機的再生能量轉換為電能輸送回電網;可進一步提高節電效率,減小電源的諧波污染,提高功率因數,減小供電電流,從而減輕電網和變壓器的負擔,降低線損,可省去大量的增容開支。

因此,本文結合游梁式抽油機的工作原理及變頻調速節能方案對比,全面地介紹合康變頻HID520系列四象限變頻器在勝利油田游梁式抽油機(磕頭機)上的成功應用。


2 游梁式抽油機變頻改造的必要性

游梁式抽油機屬于有桿類抽油桿往復運動類的抽油設備,是目前應用最為廣泛的一種,它由三部分組成,地面部分,井下部分和連接地面和井下的中間部分-抽油桿柱。

游梁式抽油機工作時,懸點上的負載在一個周期內是不斷變化的。上沖程時,懸點要提起抽油桿柱和液柱,當抽油機未平衡時,此時負載就很重。下沖程時,抽油機桿柱對電動機做功,使電動機處于發電狀態。當抽油機未平衡時,上下沖程的負載變化非常大,這樣會嚴重影響抽油機的機械連接,影響其使用壽命。為解決此負載不均勻的問題,一般在抽油機上采用機械配重的方法來解決。增加機械配重調節平衡后,下沖程時,平衡重從低點轉到高點,增加其位能。平衡配重上升時,其能量由抽油桿柱下落所釋放的位能和電動機付出的部分能量兩部分組成。上沖程時,平衡配重由高點轉到低點,釋放下沖程時儲存的能量,幫電動機提升抽油柱和液柱,從而減少了減上沖程時電動機給出的能量。但即使當平衡配重調節較好時,電機仍然存在發電狀態并產生能量。

抽油機在工頻狀態下啟動時,沖擊電流大,會產生尖峰電流;轉矩動態大,啟動過程快,會影響各機械部件的壽命;啟動后,不能根據油井的實際情況調節其頻率,且配重不能實時調節,所以會造成大部分能量的浪費;另外,下沖程時,電動機處于發電狀態,釋放的能量直接回饋給電網,會使供電系統功率因數降低,對電網質量影響非常大。所以為了降低啟動時沖擊電流,延長設備使用壽命,減少能源損耗,改善電網質量,有必要對抽油機進行變頻改造。


3 抽油機的變頻調速節能方案對比

抽油機屬于位能性負載,尤其是在配重不平衡時,在抽油機的一個沖程周期中,會使電動機處于發電狀態。電動機由于位能或者慣性,其轉速會超過同步轉速,再生能量通過與變頻器逆變橋功率開關器件IGBT并聯的續流二極管的整流作用,反饋到直流母線。由于普通的兩象限的變頻器,其母線是通過普通二極管整流橋供電,不能向電網回饋電壓,所以反饋到直流母線的再生能量只能對濾波電容充電而使母線電壓升高。變頻器在設計時,為了保護器件,會設置一個母線過壓保護,當母線電壓值達到一定值時,會觸發此保護。所以再生能量會將母線電壓充電到設定的過壓值,會保護停機。

因此,處理抽油機再生能量的方法有以下幾種:

(1)變頻器加制動單元。這種方式是在母線電壓上并聯制動單元及制動電阻,將能量直接消耗在制動電阻上。這是一種耗能的方法,對節能不利,且制動電阻的散熱及壽命問題很難解決。

(2)變頻器加回饋單元。這種方式是在母線上并聯回饋單元,將電機工作在發電狀態時變頻器直流母線上的直流泵生電壓轉化為與電網通過回饋單元回饋到電網,對電網質量影響嚴重但同樣未解決功率因數低,諧波電流大的問題。

(3)四象限變頻器。四象限變頻器(如圖1所示)可以解決以上應用中的各種缺點,不論是能量從電網到直流母線還是從母線到電網,均可保證輸入諧波在5%以下,功率因數接近于1。采用PWM控制的IGBT整流技術,實現對整流與回饋的雙向控制,成功解決了負載在快速下降或停機時的再生發電能量處理問題,具有四象限的運行功能。同時,能滿足各種位勢負載的調速要求,可將電機的再生能量轉換為電能輸送回電網;可進一步提高節電效率,減小電源的諧波污染,提高功率因數,減小供電電流,從而減輕電網和變壓器的負擔,降低線損,可省去大量的增容開支。

圖1 四象限變頻器系統構成


4 合康變頻.HID520系列四象限變頻器諧波及功率因數測試數據測試分析

(1)整流器整流時電能質量測試:

圖2 整流器整流時測試數據

(2)整流器回饋時電能質量測試:

圖3 整流器回饋時測試數據

從圖2,圖3可以看出,不論能量的流向是從電網到母線還是從母線到電網,HID520四象限變頻器都可以保證電流的諧波在5%以下,功率因數接近于1。可充分減小電源的諧波污染,提高功率因數,減小供電電流,從而減輕電網和變壓器的負擔,降低線損。可為油田或者起重行業客戶提供一個可靠,節能的解決方案。


5 合康HID520四象限變頻器在勝利油田的應用

應用地點:勝利油田

變頻器型號:HID520-T4-37G

系統名稱:游梁式抽油機,電機功率45KW

現場要求:可以工變頻切換,可遠程監控變頻器的運行狀態,頻率源及命令源由本地給定

圖4 游梁式抽油機現場

應用時需配合客戶的電氣控制柜,可實現工變頻切換。變頻運行時,啟動指令由控制柜上的啟動按鍵給定,所以變頻器設定為端子運行指令。停止指令由停止按鈕給定,客戶需要即按即停,停車方式設置為自由停車。變頻器運行頻率為鍵盤給定,可以根據油井的實際情況自動調節頻率。

表1  V/F控制主要參數表

功能碼

數值

描述

FF.10

312

設置變頻器的電壓及功率,380V/37KW

F0.00

2

速度控制方式,V/F控制

F0.01

1

端子運行指令,通過外部端子控制啟停

F1組

--

將FF.10設置為313,380V/45KW,恢復出廠值(FD.01=1),得到默認電機參數。再將FF.10改為312

F4.01

1

將DI1端子功能設置為正轉運行

F4.12

0

兩線式控制1

F7.10

1

變頻器自由停車

使用SVC控制時需要進行電機參數自學習,其他參數設置均相同。

該套系統經過調試,運行正常,經第三方檢測機構檢測,網側功率因數大幅提高,電流諧波大幅降低,無功功率大幅減小。綜合節電率約為20%左右。

圖5 電能參數曲線圖對比

上表為客戶的監控系統上的電能參數曲線,此曲線顯示的為一個沖程周期內的電流,電壓,功率的曲線圖。對比工頻運行和變頻運行時的電能參數曲線,由對比表中直觀的看到,相對于工頻運行,電流,功率等都有大幅度的降低。

以下為變頻改造后采油廠的收益。

1.直接收益:

A.根據評價中心測試報告:變頻改造后的系統的平均綜合節電率:約20%。按照單臺20%計算,例如,抽油機配置的45KW電機日耗電量按200kwh算,年節約電量為14600kwh,每度電按照0.8元計算,則年節約電費11680元,既更換了設備,又可以取得顯著地節電效果。

B.我國目前執行功率因數罰款制度,用戶功率因數如不能達到0.9,將面臨供電公司罰款。使用工頻時功率因數只有0.2左右,某些井場一年的罰款可達3萬-4萬元,無奈面臨高額罰款。使用變頻系統功率因數從0.23提高到0.98,采油廠可以節約這方面的開支。

2.間接效益:

A.對于低產井,間抽可能會發生沙卡事故,使用變頻方案可以降低頻率24小時運行。沙卡作業時間在5-7天左右,按照一天取液10t(含油量按照30%計算),即3t原油。3t*5天=15t原油。

B.變頻啟動電機速度緩慢增加,對皮帶及抽油機機械件的沖擊降低,減少更換皮帶輪,單井更換一次作業時間最快為1個小時,會影響1個小時的產量,以0.5t*3000元,一年不定期需要更換5-10次,年直接經濟損失約為7500-15000元。

C.節電系統內置工頻旁路系統,可以滿足電機在工頻運行和變頻運行間自由切換,用戶可以節省一臺啟動配電柜,啟動配電柜市場售價平均6000-10000元。

D.2008年國家發改委指定的電煤標準是:每度電煤耗350克標準煤。每一噸標準煤折算排放二氧化碳約為2.66-2.72噸。經換算,每度電可排放二氧化碳為931克-952克。這樣計算每年每臺就為國家減少碳排放量約13.89噸。


6 總結

目前,HID520系列四象限變頻器已成功運用于勝利油田、中原油田、福山油田等多個運行現場,經過長時間的應用比較,多套設備均運行穩定,且節能效果十分明顯,電網質量顯著提高。

同時,合康變頻還可為用戶量身打造抽油機變頻控制一體柜,為客戶提供變頻加電氣控制整體解決方案,以實現對抽油機的遠程智能監控,提高采油系統的安全性和系統工作效率,并能在油田野外環境下能長時間可靠運行,防護等級達IP54,提高綜合節能效益。


參考文獻

[1]李方圓. 變頻器行業應用實踐[M]. 中國電力出版社. 2006

[2]HID520系列四象限變頻器使用說明書


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