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            上海茂碩機(jī)械設(shè)備有限公司
            中級(jí)會(huì)員 | 第15年

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            應(yīng)用案例 | 變頻器在直驅(qū)永磁同步抽油機(jī)的應(yīng)用

            時(shí)間:2023/7/25閱讀:577
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            一、引言

            據(jù)統(tǒng)計(jì),目前有機(jī)械采油井150多萬(wàn)口,其中傳統(tǒng)四連桿游梁式抽油機(jī)占90%左右,成為機(jī)械采油的主導(dǎo)機(jī)型。目前油井上普遍使用的異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的游梁式抽油機(jī),仍存在系統(tǒng)冗余、電機(jī)效率不高、功率因數(shù)低等缺陷。因此,為了實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo),對(duì)節(jié)能減排要求越來(lái)越高,尋找更環(huán)保、更節(jié)能的驅(qū)動(dòng)裝置成為了重中之重。隨著控制技術(shù)的發(fā)展,電機(jī)的制造向著專業(yè)化、自動(dòng)化方向發(fā)展,目前,抽油機(jī)拖動(dòng)裝置采用直驅(qū)永磁同步電機(jī),該電機(jī)在轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)異步電機(jī)有很大區(qū)別,可以通過(guò)聯(lián)軸器與抽油機(jī)減速箱輸入軸直接連接,省去中間皮帶傳動(dòng)環(huán)節(jié),提高傳動(dòng)效率。該系統(tǒng)相對(duì)于使用交流異步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置,降低了抽油機(jī)系統(tǒng)的工作損耗,提升了抽油機(jī)的工作效率。

            二、應(yīng)用環(huán)境分析

            1、游梁式抽油機(jī)系統(tǒng)組成

            傳統(tǒng)的游梁式抽油機(jī)有異步電機(jī)、皮帶、齒輪箱三個(gè)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)。工作方式是:通過(guò)曲柄連桿將機(jī)械減速齒輪箱的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槌橛蜅U的反復(fù)地上下提升運(yùn)動(dòng),其動(dòng)力來(lái)自于電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的兩個(gè)重量相當(dāng)大的平衡塊,當(dāng)平衡塊提升時(shí),將采油機(jī)桿送入井中,平衡塊下降時(shí),采油桿提出帶油至井口。


            2、游梁式抽油機(jī)異步電機(jī)負(fù)載分析

            (1)、游梁式抽油機(jī)負(fù)載受井下載荷影響變化劇烈且頻繁,一個(gè)沖次內(nèi)負(fù)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(jī)效率大幅下降。工作時(shí)電動(dòng)機(jī)的利用率一般在20%-30%之間,最高不會(huì)超過(guò)60%,皮帶傳遞效率95%。電動(dòng)機(jī)經(jīng)常處于輕載狀態(tài),造成了電動(dòng)機(jī)資源的浪費(fèi)。

            (2)、游梁式抽油機(jī)為了克服大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩,采用的電動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際所需功率,屬于大馬護(hù)小車性質(zhì)。

            (3)、抽油機(jī)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(yùn)行,勢(shì)必也會(huì)造成電能的浪費(fèi)。

            (4)、由于電機(jī)轉(zhuǎn)速一定,在滑塊下降過(guò)程中,負(fù)荷減輕,電機(jī)拖動(dòng)產(chǎn)生的能量無(wú)法被負(fù)載吸引,導(dǎo)致電機(jī)進(jìn)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(shì)必會(huì)對(duì)整個(gè)電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊,導(dǎo)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(huì)損壞電機(jī),縮短電機(jī)壽命、維護(hù)量加大。

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

            3、游梁式直驅(qū)永磁同步抽油機(jī)主要特點(diǎn)

             采用高效稀土永磁直驅(qū)同步電動(dòng)機(jī),取消抽油機(jī)皮帶傳動(dòng)系統(tǒng), 直接驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)的輸入軸,以解決傳動(dòng)效率很低以及拖動(dòng)裝置自身耗能高導(dǎo)致不節(jié)能的問(wèn)題。

            (1)、低速大扭矩

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

            (2)、高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩

            該電機(jī)轉(zhuǎn)子上鑲有永磁體,可以產(chǎn)生恒定的磁場(chǎng)。根據(jù)通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的電磁力F為: F=BLI (B是磁場(chǎng)強(qiáng)度,L是通電導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度。I是通電導(dǎo)體中的電流)。在永磁同步電機(jī)變頻器控制下,永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩M為: M=FR (R額為永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子的半徑),因此永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電流的大小成正比,從而永磁同步電機(jī)起動(dòng)時(shí)通入幾倍的額定電流,就有幾倍的額定轉(zhuǎn)矩,所以說(shuō)永磁同步電機(jī)具有較高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩(Y系列異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流是7倍左右額定電流,起動(dòng)轉(zhuǎn)矩是2倍左右額定轉(zhuǎn)矩)。

            (3)、永磁直驅(qū)電機(jī)直的應(yīng)用,可以很大程度地降低抽油機(jī)井能耗。與常規(guī)游梁式抽油機(jī)相比,永磁直驅(qū)電機(jī)抽油機(jī)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(guò)變頻柜控制,降低了整機(jī)的故障率和維護(hù)成本,并可以提高運(yùn)行時(shí)率。

            常規(guī)電動(dòng)機(jī)與永磁直驅(qū)同步電動(dòng)機(jī)的對(duì)比

            項(xiàng)目

            異步動(dòng)機(jī)+皮帶輪+減速器

            永磁直驅(qū)同步電動(dòng)機(jī)

            額定效率%

            69-73

            95

            平均效率%

            <    50

            >    80

            功率因數(shù)

            <    0.85

            >    0.95

            維護(hù)保養(yǎng)

            皮帶輪需要定期更換

            免維護(hù)

            機(jī)械結(jié)構(gòu)

            高可靠性

            無(wú)須改變現(xiàn)有游梁式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)

            從數(shù)據(jù)可以看出,應(yīng)用永磁同步電機(jī)不僅大幅降低了有功耗電量,而且解決了原有抽油機(jī)功率因數(shù)低、無(wú)功功率過(guò)大的缺點(diǎn),有助于提高電網(wǎng)的運(yùn)行品質(zhì)。目前,永磁同步電機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(diǎn),近年來(lái)在各領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用。

            三、游梁式直驅(qū)永磁同步抽油機(jī)控制方案

            1、變頻器選擇

            永磁同步電機(jī)帶動(dòng)的游梁式抽油機(jī)需要超過(guò)額定轉(zhuǎn)矩的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩,要實(shí)現(xiàn)迅速的啟??刂?,對(duì)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(jī)專用變頻器是一款用來(lái)控制永磁同步電機(jī)的變頻器,能很好滿足其性能要求。該變頻器在同步電機(jī)控制下具有以下技術(shù)特點(diǎn):

              轉(zhuǎn)矩:無(wú)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(wú)PG矢量控制 1:20

              制精度:無(wú)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(guò)壓抑制功能,針對(duì)油田直驅(qū)永磁同步抽油機(jī)上下沖程產(chǎn)生能量,進(jìn)行過(guò)壓抑制處理,不加剎車單元或能量回饋。

            對(duì)于30kW的多級(jí)永磁同步電機(jī),充分考慮其啟動(dòng)及運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩要求,可以為其放大兩檔選配變頻器,選配的型號(hào)為KE300F-045G-T4。圖片圖片

            3、具體使用效果

             整個(gè)系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的采集方面比較簡(jiǎn)潔,因此接線十分方便。KE300F系列永磁同步電機(jī)專用變頻器是根據(jù)抽油機(jī)的工作特性,專門開發(fā)出來(lái)的專用變頻器,在使用時(shí),無(wú)需做過(guò)多的復(fù)雜控制設(shè)置,只需簡(jiǎn)單的自學(xué)習(xí)就能達(dá)到對(duì)永磁同步電機(jī)的精確控制,這樣整個(gè)調(diào)試過(guò)程也變得比較輕松。

            項(xiàng)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(guò)油田現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的抽油機(jī),表明游梁式直驅(qū)永磁同步抽油機(jī)控制方案運(yùn)行良好,抽油機(jī)工作在最佳的狀態(tài)。游梁式直驅(qū)永磁同步抽油機(jī)控制應(yīng)用中有如下優(yōu)點(diǎn):

            ?  (1)直驅(qū)永磁同步抽油機(jī)控制解決方案,可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)油井負(fù)荷大小使抽油機(jī)達(dá)到最佳的平衡狀態(tài),根據(jù)油井的產(chǎn)液量使抽油機(jī)工作在合理的沖次,并根據(jù)油井工況對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行有效的保護(hù);從而最大限度的使抽油機(jī)的運(yùn)行參數(shù)與油井參數(shù)相一致,發(fā)揮抽油機(jī)的工作能力,實(shí)現(xiàn)低碳開發(fā)和節(jié)能開采;

            ?  (2)KE300F系列永磁同步電機(jī)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(jiǎn)便;

            ?  (3)模塊化設(shè)計(jì),系統(tǒng)的維護(hù)更加簡(jiǎn)單;

            ?  (4)KE300F系列永磁同步電機(jī)專用變頻器具有短路、過(guò)載、過(guò)壓、缺相、失速等多種保護(hù)和故障輸出功能,能有效保證系統(tǒng)安全高效的運(yùn)行;

            ?  (5)可以通過(guò)站控平臺(tái)有效實(shí)現(xiàn)變頻器的參數(shù)調(diào)整及管理要求,實(shí)現(xiàn)真正意義上的井場(chǎng)無(wú)人值守。

            四、客戶評(píng)價(jià)

            通過(guò)在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行觀察和一線員工的反饋,KE300F系列永磁同步電機(jī)專用變頻器與永磁同步電機(jī)一起構(gòu)成抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),很好的滿足了抽油機(jī)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(dòng)系統(tǒng)引發(fā)的負(fù)面問(wèn)題。無(wú)論在加減速時(shí)間、力矩、轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度、運(yùn)行電流、電機(jī)噪聲、穩(wěn)速精度等方面均有出色表現(xiàn)??珊芎玫奶娲鷩?guó)外同類產(chǎn)品。該系統(tǒng)相對(duì)于使用交流異步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置,降低了抽油機(jī)系統(tǒng)的工作損耗,提升了抽油機(jī)的工作效率。


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