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油田磕头机的应用
日期: 2014-07-01
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一、概况

      磕头机是目前采油生产中的主要设备,其数量达10万台以上。电动机装机总容量在3500万kW,年耗电量达百亿度以上。磕头机用电量约占油田总用电量的40%,运行效率非常低,平均运行效率只有25%,功率因数低,电能浪费大。因此,磕头机节能潜力非常巨大,石油行业也是推广“电机系统节能”的重点行业。本文介绍了采用变频调速技术,使磕头机的运动规律适应油井的变化工况,实现系统效率的提高,达到节能增产的目的。

二、抽油机变频改造的几个好处

1、大大提高功率因数,(0.25~0.5提高到0.9以上)。减小了供电电流,从而减小了电网及变压器的负荷。

2、动态调整抽取速度,一方面节能,同时增加原油产量。

3、实现真正“软起动”对电机变速箱抽油机,避免过大机械冲击,延长设备使用寿命。

油田磕头机的应用

三、磕头机负载分析

1、国内应用最广泛的是游梁式竖井磕头机,它有三部分组成:

(1)地面部分:由电动机、减速器和四连杆构成。

(2)井下部分:抽油泵(吸入阀、泵筒、柱塞和排油阀),它悬挂在套管中的下端。

(3)抽油杆柱:连接地面抽油机和井下抽油泵的中间部分。

2、磕头机的电机负荷是按周期变化的,开始起动时,负荷很大,要求启动转矩很大。正常运行时负荷率很低,一般在20%左右,高时负荷率只有30%。电机的负荷曲线有2个峰值,分别为磕头机上、下冲程的“死点”。

未进行平衡的条件下,上、下冲程的负载极度不均衡,在上冲程时,需要提起抽油杆柱和液柱,电机需付出很大能量。在下冲程时,抽油杆柱对电机作功,使电机处于发电状态。通常在磕头机的曲柄上加上平衡块,消除上下冲程负载不平衡度。平衡块调节较好,其发电状态的时间和产生的能量就小,由于抽油负荷是每时每刻在变化,平衡配重不可能随抽油负荷作完全一致的变化,绝大部分磕头机配重严重不平衡,从而造成过大的冲击电流,冲击电流最大可为5倍的工作电流,甚至达到额定电流的3倍。调整好平衡配重,可降低冲击电流为正常工作电流的1.5倍。

负载特性:是恒速运行,由于配重,是变转矩,变功率负载在一个循环周期内有两次发电状态,起动力矩大、惯性大。在国内油田使用的磕头机普遍存在的问题:运行时间长,“大马拉小车”,效率低,耗能大,冲程和冲次调节不方便,有空抽现象。


四、传统磕头机变频器改造的难点

 磕头机变频节能改造做了大量的尝试,但都不太成功,主要问题是:

(1)磕头机在一个工作循环中,有两次发电状态,尤其当配重不平衡时,产生的“泵升电压”很高,靠加大变频器直流侧电解电容和减小制动电阻值,不能完全解决问题,并且随着油层的变化,“泵升电压”也在变化。

(2)磕头机起动需要较大的起动转矩,如变频器参数设置不当,易造成过流或不能起动。

(3)以往的变频节能改造设计方案很少考虑油井的油面、油浓度的变化等情况。在提高产量方面,效果不佳。


五、解决方案

 磕头机变频改造存在的问题,我司提出以下解决方案:

(1)采用变频调速技术,使电机转速与磕头机负载匹配。在前期井中由于刚开采,油量大,让变频器运行到65.00Hz,电机转速提高30%,采油率比工频提高20%,工效提高1.2倍。在中、后期井中,油量减小,降低转速,减少冲程,一般频率运行至35.00~40.00Hz之间,电机转速下降30%。节电率可达25%,而且提高了功率因数。

(2)动态调节磕头机的冲程频次,随着油井由浅入深的抽取,油量逐渐减小,出现泵充满度不足,泵效下降,当油井的供油能力小于抽油泵排量时,就造成泵抽空和液击现象。降低频率,电机转速下降,提高充满度,不仅节能而且增加原油产量。

(3)动态调节磕头机上下行程的速度,适当降低下行程速度,提高泵内的充满度,适当提高上行程速度,可减小提升中漏失系数,使磕头机工作在最佳运行状态,有效提高单位时间内原油产量。

(4)起动力矩大,运行中负荷低,冲击电流大。要从根本上解决问题,加大电动机极对数或增大减速箱速比,增大输出力矩。变频器正常运行80.00~90.00Hz。这也有利于减少发电状态的能量,减少“泵升电压”。

(5)再生能量的处理问题。增大变频器直流侧滤波电容的容量;减少制动电阻值,提高制动系统的耗电能力,或直接使用回馈制动,减小能量损失;发电时,频率增大。

(6)防空抽,动态调节磕头机冲程频次和上、下行程速度。设定电机的输出功率标准值,实时检测电机输出功率,控制电机转速,大于标准值,加速。反之减速,实现闭环控制。


六、结束语

 由于油井的类型和工况千差万别,井下渗油和渗水量每时每刻都在变。磕头机的负载变化是无规律的,故采用变频调速技术,使磕头机的运动规律适应油井的变化工况,实现系统效率的提高,达到节能增产的目的。

 

 

 

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