变频远程监测控制系统在油田中研究与应用

  摘要：目前，国内外很多电力拖动场合已将矢量控制的变频器广泛应用于通用机械、纺织、印染、造纸、轧钢、化工、石油等行业中交流电动机的无级调速，已明显取得节能效果并满足工艺和自动调速要求。目前油田节能降耗，建造数字化油田已成为中国石油行业的发展目标。采用变频调速及无线通讯系统能对油田油井的运行状态实时监控，远程调整运行状态。从而降低工人劳动强度。使抽油机运行在最佳理想状态。本文以PL-ZNCY系列变频远程监测控制系统先容其工作原理及在油田中的应用情况。

一、前言

我国的油田绝大部分为低能、低产油田，不像国外的油田有很强的自喷能力，大部分油田要靠注水来压油入井，靠抽油机(磕头机)把油从地层中提升上来。以水换油、以电换油是目前我国油田的现实，电费在我国的石油开采成本中占了相当大的比例，所以，石油行业十分重视节约电能、增产、减少设备维护等。

目前据统计我国抽油机的保有量在10万台以上，电动机装机总容量在3500MW，年耗电逾百亿KW·h。抽油机的运行效率特别低，在我国平均运行效率为25.96%，国外平均水平为30.05%，年节能潜力可达几十亿KW·h。除了抽油机之外，油田还有大量的注水泵、输油泵、潜油泵等设备，总耗电量超过油田总用电量的80%。可见，石油行业也是推广“电机系统节能”的重点行业。

抽油机节能，其首选方案是采用变频器对其电机拖动系统进行改造，抽油机改用变频器拖动后有以下几个好处：

1)大大提高了功率因数(提高到0.9以上)，大大减小了供电(视在)电流，从而减轻了电网及变压器的负担，降低了线损，可省去大量的“增容”开支；

2)可根据油井的实际供液能力，动态调整抽取速度，一方面达到节能目的，同时还可以增加原油产量；

3)由于实现了真正的“软起动”，对电动机、变速箱、抽油机都避免了过大的机械冲击，大大延长了设备的使用寿命，减少了停产时间，提高了生产效率。

但是，变频器用于抽油机电机时，也有几个问题需要解决。

(1)冲击电流问题

如图1所示，游梁式抽油机是一种变形的四连杆机构，其整机结构特点像一架天平，一端是抽油载荷，另一端是平衡配重载荷。对于支架来说，如果抽油载荷和平衡载荷形成的扭矩相等或变化一致，那么用很小的动力就可以使抽油机连续不间断地工作。也就是说抽油机的节能技术取决于平衡的好坏。在平衡率为100%时电动机提供的动力仅用于提起1/2液柱重量和克服摩擦力等，平衡率越低，则需要电动机提供的动力越大。因为，抽油载荷是每时每刻都在变化的，而平衡配重不可能和抽油载荷作完全一致的变化，才使得游梁式抽油机的节能技术变得十分复杂。因此，可以说游梁式抽油机的节能技术就是平衡技术

(2)电磁干扰(EMI)问题，即变频器对微电脑控制器，传感(变送)器及通信设备的干扰问题。因为变频器是一个很强的电磁干扰源，变频器中的开关器件，以及产生的SPWM电压波形，会对控制及通信系统造成很大的干扰。干扰的途径，除了感应，辐射之外，也包括传导干扰。

(3)谐波干扰问题，变频器对输入侧产生谐波对变频器而言只要有整流回路就将产生非线性引起的谐波，按傅氏级数可分解基波和各次谐波，通常含有6m+1(m=1，2，3，……。)次。在变频器逆变输出回路中输出电压输出电流均有谐波。由于变频器是通过CPU产生6组脉宽可调的SPWM波控制三相6组功率元件导通/关断，从而形成电压、频率可调三相输出电压。其输出电压和输出电流是由SPWM波和三角波的交点产生的，不是标准的正弦波用傅氏级数分解电压方波和电流正弦锯齿波可分析出包含较强的高次谐波成分。

因此变频器的谐波产生危害不可忽视对容量大的电力系统影响不是十分明显，但对于电力系统容量小的系统谐波的产生不可忽视。它对公用电网是一种污染，使电设备所处的环境恶化，给周围的通信系统和公用网以外的设备带来危害。主要表现在一下几点：1、谐波使电网中电器元件产生附件的谐波损耗，降低输变电及用电设备的效率。2、谐波会引起电网中局部串联或并联谐振，3、电流谐波将增加变压器铜损。4、谐波引起电动机附加发热，导致电动机额外温升并影响电机绝缘。

(4)可靠性和环境适应性问题

由于抽油机都在环境恶劣的野外工作，并且很多油井是无人值守的，所以，对变频器的可靠性和环境适应能力提出了很高的要求：既要选用可靠性指标高的变频器品牌，又要给变频器在野外恶劣环境下工作创造必要的条件，如设计防护等级高的双层密闭隔垫(保温)控制柜，对昼夜温差大的地区，柜内设计强迫风冷系统，可以将柜内的热量排出，并在柜底设计有冷空气入口，使之适合在夏季沙漠高温环境中使用。并使控制柜避免阳光直接照射及雨淋。

二、PL-ZNCY系列变频监测控制系统