地面驅(qū)動螺桿泵因其占地面積小，一次性投資少，對高粘、高含砂、高含氣流體適應性強，節(jié)能效果顯著而倍受各大油田青睞。隨著一些油田都已進入了開發(fā)的中后期，產(chǎn)出液含水高，耗能大，開發(fā)成本日益增高。為了節(jié)能降耗，一些油田相繼開展了日產(chǎn)液250m3/d以上的地面驅(qū)動大排量螺桿泵采油工藝技術的研究及礦場試驗。
地面驅(qū)動大排量螺桿泵井采用普通控制系統(tǒng)工頻工作時，存在以下問題：
一是調(diào)參不方便，不連續(xù)，調(diào)節(jié)幅度有限;調(diào)參必須停井，停井時間長，工作量大，對于出砂井、結(jié)蠟井需要額外作業(yè)。二是電動機工頻額定電壓起動時，其起動電流較大，對電網(wǎng)及其同一線路中的其他用電設備造成影響;電動機從靜止到達到額定轉(zhuǎn)速，僅需要零點幾秒的時間，常常對電動機、機械負載及傳動減速裝置形成沖擊，縮短機械負載和傳動減速裝置的使用壽命。三是配備的電動機的功率較大，而正常運行中電動機負載率低，通常只有35%～75%，出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象，耗能高，不經(jīng)濟。針對上述問題，采用變頻調(diào)速技術，實現(xiàn)螺桿泵井不停機、連續(xù)調(diào)參，軟起動、軟停機，合理匹配電動機，對于實現(xiàn)螺桿泵井高效、平穩(wěn)的工作具有重要意義。
三大作用
方便調(diào)參 未使用變頻調(diào)速技術的螺桿泵井的調(diào)參需要停機更換皮帶輪，改變傳動比。調(diào)節(jié)幅度有限，不連續(xù);占井時間長，工作量大;對于一些出砂井、結(jié)蠟嚴重的井、油稠的井在調(diào)參完成前或后，通常要進行沖砂、熱洗作業(yè)，增加運行成本。而使用變頻調(diào)速技術的螺桿泵井，可以通過調(diào)整控制柜控制面板上的調(diào)頻旋鈕，改變電源的輸出頻率，進而改變電動機的轉(zhuǎn)速。不需要停機，更換皮帶輪，就可以實現(xiàn)螺桿泵井連續(xù)調(diào)參，并且調(diào)參范圍廣。
實現(xiàn)螺桿泵井軟啟動 地面驅(qū)動螺桿泵采油系統(tǒng)，工頻起動時，起動電流較大，對電網(wǎng)及其同一電網(wǎng)內(nèi)的其他用電設備造成沖擊;起動時間短，光桿轉(zhuǎn)速瞬間(大約0.3～0.5s)提高，由于原油的粘滯力和抽油桿柔性的影響，抽油桿扭矩傳遞緩慢，大部分扭矩集中在抽油桿的上部;由于起動時慣性扭矩遠大于正常運行時的慣性扭矩，瞬間的沖擊易對抽油桿柱的機械性能造成影響。
螺桿泵井變頻起動時，變頻器輸出電源頻率從0或某一設定值按照一定的升速方式在設定的時間內(nèi)增加到設定頻率，電動機的轉(zhuǎn)速也按照同時升速方式上升到設定轉(zhuǎn)速，減小了起動時的沖擊電流和慣性扭矩，真正實現(xiàn)了螺桿泵井的軟啟動。
現(xiàn)以遼河油田某采油廠一口螺桿泵井工頻起動、變頻起動時的實測數(shù)據(jù)對比分析，來說明變頻軟起動的作用。該井的基本生產(chǎn)參數(shù)如下：
泵型號：GLB1100-16，電機型號：YB200L2-6，下泵深度：704.56m，動液面：204.7m，油管內(nèi)徑：76mm，抽油桿：28mm(連續(xù)油桿)，油壓：0.6MPa，套壓：0MPa，原油粘度：262mPa•s，密度：0.905g/cm3，目前液量：113.1m3 /d，含水率：95.5%，轉(zhuǎn)速：工頻(50Hz)時為100r/min，變頻(35Hz)時為70r/min。
可以看出，50Hz工頻起動時，起動瞬間的電流大約是正常運行時的7倍，是電動機額定電流的3倍多(YB200L2-6額定電流44.7A)，持續(xù)時間約為0.1～0.3s。電動機起動電流過大，主要有兩個原因：一是電動機在剛起動過程中，電動機線圈繞組是冷態(tài)的，大部分的導體在冷態(tài)時內(nèi)阻較小，同樣電壓下，內(nèi)阻較小時電流較大，所以起動電流大;二是油田所用的電動機多為感應電動機，定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組間無電的聯(lián)系，只有磁的聯(lián)系，磁通經(jīng)定子、氣隙、轉(zhuǎn)子鐵芯成閉路。當合閘瞬間，轉(zhuǎn)子因慣性還未轉(zhuǎn)起來，旋轉(zhuǎn)磁場以最大的切割速度——同步轉(zhuǎn)速切割轉(zhuǎn)子繞組，使轉(zhuǎn)子繞組感應出最高的電勢，因而，在轉(zhuǎn)子導體中流過很大的電流，這個電流產(chǎn)生抵消定子磁場的磁能;定子方面為了維護與該時電源電壓相適應的原有磁通，遂自動增加電流，因此定、轉(zhuǎn)電流都很大。
電流的第二個波動，持續(xù)時間4～6s，主要是抽油桿柱由上而下逐漸轉(zhuǎn)動起來的過程中抽油桿柱與液體之間，定、轉(zhuǎn)子之間由靜摩擦變?yōu)閯幽Σ粒橛蜅U柱的慣性作用，造成電動機所帶動的負載(螺桿泵井抽油桿柱所受的載荷、扭矩)增加造成的。
可以看出：電流也同樣存在一個短時間急劇的上升過程，但電流值比工頻起動時的要小的多，不會對電網(wǎng)及電動機造成影響。電動機起動后以極低的轉(zhuǎn)速逐漸帶動傳動裝置轉(zhuǎn)動，大約經(jīng)過8s后電流開始逐漸增加，說明上部抽油桿開始轉(zhuǎn)動，并由上往下逐漸帶動下部抽油桿柱轉(zhuǎn)動，大約到20s時，起動電流達到最大值(原因是抽油桿柱與液體之間定轉(zhuǎn)子之間由靜摩擦變?yōu)閯幽Σ�、抽油桿柱的慣性作用，造成電動機的負載增加，電流增大)，此后電流有所下降，直到穩(wěn)定在正常運行時的水平。
由以上對比分析可以看出，變頻軟起動方式能夠有效的降低起動時的沖擊電流，起動瞬間的電流不會對電網(wǎng)及電動機造成影響，有效的延長起動時間，真正實現(xiàn)螺桿泵井的軟起動。
有助于節(jié)能 一方面，采用變頻調(diào)速技術的螺桿泵井起動、運行平穩(wěn)，這有助于為螺桿泵井選配合適的電動機，避免“大馬拉小車”的現(xiàn)象。根據(jù)油井的產(chǎn)能、油井產(chǎn)出液的性質(zhì)、螺桿泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)及其抽油桿柱等參數(shù)能較為準確的計算出螺桿泵井運行時所需的扭矩及電動機的輸出功率，選擇一定的裕度，匹配合適的電動機，提高電動機的負載率，有利于節(jié)能。
另一方面，變頻調(diào)速技術能提高電動機的功率因素，電動機工頻驅(qū)動時的功率因素一般為0.45～0.65，而采用變頻調(diào)速裝置后，功率因素能提高到0.70～0.85，有的甚至高達0.90以上，減少了無功損耗，增加電網(wǎng)的有功功率，有助于節(jié)能。
現(xiàn)場應用效果
遼河油田某采油廠68口日產(chǎn)液量100m3以上的螺桿泵井，均配套使用了變頻調(diào)速控制裝置。新上的9口大排量螺桿泵井使用GLB2000-21型螺桿泵，100rad/min時，理論排量288m3/d。根據(jù)下泵深度和動液面配備22～37kW的不同電動機，配套使用了變頻調(diào)速裝置。平均功率因素由使用前的0.605提高為0.84，噸液百米耗電由原來的0.72kW·h降低為0.58kW·h，節(jié)能達24.1%，使用半年來螺桿泵井調(diào)參方便，起動、停機平穩(wěn)，運行良好。
實踐證明，變頻調(diào)速技術能夠滿足螺桿泵井不停機調(diào)參、軟起動的工藝要求，能實現(xiàn)螺桿泵井運行中連續(xù)調(diào)參，減小了勞動強度，實現(xiàn)了螺桿泵井平穩(wěn)起動、運行。
變頻軟起動能夠有效地降低了起動瞬間的電流，減小起動瞬間過大的電流對電網(wǎng)及同一電網(wǎng)中用電設備的沖擊;緩慢起動，抽油桿柱轉(zhuǎn)速緩慢增加，可以避免因瞬間起動過大的扭矩對抽油桿柱及負載的影響。
變頻調(diào)速技術實現(xiàn)了螺桿泵井平穩(wěn)的起動、運行有助于選配合適的電動機，同時能夠提高功率因素，實現(xiàn)節(jié)能。
變頻調(diào)速裝置的性能與變頻調(diào)速裝置的品牌有關，變頻調(diào)速裝置中運用了一些非線性電氣原件，產(chǎn)生諧波，對電網(wǎng)的污染情況需要進一步研究。
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