油井变频能耗监测技术的现场试验应用

熊庆生（大庆油田工程有限公司）

近几年来，随着油田节能降耗工作的迫切需要，油井变频节能控制柜在油田生产中得到大量推广应用[1，2]。由于传统的能耗监测仪器设备只能在50Hz工作频率下运行，缺乏必要的能在变频条件下满足现场测试要求的测试装备和相关测试技术标准，油井变频节能控制柜在油田应用过程中遇到的变频柜损耗和变频柜效率测试等问题也随之而来，且关于解决这些问题的相关文献和研究也较少。因此，引进应用先进的测试技术装备，开展油田油井变频控制柜节能监测技术的研究与应用工作，提高对油井变频控制柜的应用认识，对推广应用变频节能技术、实现企业节能降耗具有非常重要的现实意义[3]。

1 油井变频能耗监测技术的主要研究内容

利用具有高精度、宽频带特点的功率分析仪对机采系统油井变频节能控制柜进行系统监测，主要监测油井变频节能控制柜在不同工作频率（主要选择45、40、35、30、25Hz和20Hz等6个运行频率点）的损耗情况；对采油厂油井最常用的两种游梁式抽油机变频拖动控制技术方案，即采用普通变频器加能耗制动单元和变频器加回馈单元控制方案分别进行测试评价；对同一台油井变频节能控制柜在50Hz运行频率下工频运行与变频运行的损耗情况进行监测；进行应用测试分析，提出油井变频节能控制柜优化运行技术方案。

通过引进高精度、宽频带功率分析仪（配400 W便携式多功能移动电源），开展油井变频节能控制柜不同工作条件下自身损耗量和工作效率的测试，计算油井变频节能控制柜损耗，分析油井变频节能控制柜对油井系统效率的影响，这不仅可对油井变频节能控制柜性能和质量做出客观评价，而且可通过测试掌握油井变频节能控制柜不同频率工作段实际损耗量的变化规律，便于制定油井变频节能控制柜应用技术标准，为开展油井变频节能技术推广和节能监测提供技术指导。

2 功率分析仪的主要技术优势

2.1 功能

1）可用于高效化变频控制系统能耗的测试与评价：进行高精度、高稳定性且再现性良好的功率测量；进行电动机能效分析所需的电气测量；可连接高精度扭矩表与编码器测量电动机效率。

2）可用于变频控制系统的维护：现场简单地测量变频器次级侧的功率；可同时进行变频器初级侧与次级侧的测量；测量变频器的噪音。

3）可用于新能源的开发与评价：同时测量AC功率与DC功率；通过DC模式、RMS模式的电流与功率累积，测量受电、售电、消耗与再生功率；可将测量数据长期保存到大容量媒介中。

2.2 特点

1）对应各种电力线路测量。由于电压输入与电流输入均配备有4个通道，并且所有通道均施以绝缘，因此可进行包括变频器初级侧与次级侧同时测量等在内的多个系统的同时测量；可对应单相或三相4线的测量线路；可对应DC～变频器的宽广频率范围（基波0.5Hz～5kHz）。

2）高精度、宽频带。基本精度为±0.05%rdg±0.05%f.s.的高精度，带宽为DC、0.5Hz～5kHz的宽频带；10kHz时，可测量±0.2%rdg±0.1%f.s.；100kHz时，可测量±1.52%rdg±0.5%f.s.，即使在变频器载波频带内，也可以进行高精度的测量。

3）兼顾高速度数据处理与高精度。在保持高精度的状态下，功率测量与谐波分析可按50ms速率进行数据更新；由于低频率测量时也根据频率自动进行数据更新，因此，无需进行从低转数到高转数的响应（数据更新速率）切换。

4）标准配备丰富的数据分析功能。可同时测量RMS、MEAN、AC成分、DC成分与基波；也可进行最多100次的谐波分析或最大100kHz的变频器噪音分析（FFT分析）；可进行500kS/s的高速波型显示；可利用X-Y图功能进行多方面分析。

5）可同时测量谐波分析、噪音分析、累积功能与波形显示等。

6）兼顾简单的夹钳测量与高精度的通贯型传感器测量。可选择20A～500A之间、AC型或AC/DC型各种电流传感器；通过对应高精度贯通型电流传感器，可高精度地测量大电流；因对应夹钳型电流传感器，可免除繁琐的电流直接接线；由于电流输入以传感器来绝缘，因此，可大幅度减轻测量变频器时的同相噪音的影响。

7）标准配备丰富的接口。标配高速100M Ethernet与USB2.0高速通讯接口；对应于高速数据通讯系统；前面板上标配U盘专用端口与CF卡插槽；可高速将数据保存在大容量媒介中。

8）备有远程控制、数据获取用PC应用软件。如果利用PC应用软件，并用LAN电缆或USB连接线连接本仪器与计算机，计算机则可从本仪器获取数据，或由计算机对本仪器进行远程操作；即使不安装PC应用软件，也可以利用HTTP服务器功能，通过浏览器进行同样的操作。

9）防止接线错误的接线确认功能。复杂的三相接线也可以通过矢量显示进行接线确认，以防止接线错误。

10）可对应多通道的多台同步功能。连接副机的本仪器可在和主机时间或测量时序同步的状态下测量并记录数据；利用PC应用软件，可在最多4台本仪器取得同步的状态下获取与记录数据。

11）备有电动机分析选件。如果输入扭矩表的输出与转数，则可测量电动机输出功率；扭矩输入也对应于模拟DC输出与频率输出型扭矩表；转数输入对应于模拟DC输出与旋转脉冲输出；对应编码器的Z相输出，可进行以编码器脉冲为基准的相位测量。

12）可波形输出的D/A输出选件。配备有16通道的D/A输出，可对任意测量项目进行最多16项的模拟输出；在波形输出模式下，输出500kHz的高速采样电压与电流波形，可将绝缘（安全）的电压电流波形输入到其他测量仪器中。

13）彩色液晶显示，可连接温度计（非接触式）和打印机。

3 现场试验及应用情况

功率分析仪属于无源测试仪器，所以配置了400W便携式多功能移动电源，可较好地满足油井生产现场测试要求。2013年9月上旬和11月上旬，在采油6队、14队、16队、18队、11队和采油1队共选取了14口油井对油井变频节能控制柜以及油井系统效率进行了系统监测。

采油6队32-3186井和36-3175井油井变频节能控制柜在不同工作频率段的损耗测试数据分别见表1和表2。

采油18队26-1423井和30-2443井油井变频节能控制柜在不同工作频率段的损耗测试数据分别见表3和表4。

表1 32-3186井变频节能控制柜在不同工作频率段的损耗测试数据

表2 36-3175井变频节能控制柜在不同工作频率段的损耗测试数据

从表1和表2可以看出，同一台油井变频节能控制柜运行频率越高，油井变频节能控制柜损耗越小，变频器运行频率在45Hz时变频柜损耗最小，而运行在20Hz时变频柜损耗最大。不同型号、不同生产厂家、采用不同控制技术方式的油井变频柜在不同运行频率下产生的变频柜损耗变化规律是一致的。

另外，采用不同控制技术方式的油井变频柜，其产生的变频柜损耗在同一运行频率点是不同的，采用能量回馈单元控制技术方式的变频柜其损耗要明显小于采用能耗制动单元控制技术方式的变频柜。这是因为采用能耗制动单元控制技术方式的变频柜将抽油机势能转化电能的能量以电阻散热方式消耗掉，对节能不利，还会产生发热、过热问题，综合表现为抽油机的代电系统的功率因数较低，对电网质量影响较大；而采用能量回馈单元控制技术方式的变频柜启动电流小、速度平稳、性能可靠、对电网冲击小，可实现上下速度任意调节和闭环控制运行，用户根据油井的液位、压力确定抽油机的冲速、速度和产液量，可降低能耗，提高泵效，采用该技术还可以减少设备磨损，延长设备使用寿命，实现在最大节能状态下的自动化运行。

表3 26-1423井变频节能控制柜在不同工作频率段的损耗测试数据

表4 30-2443井变频节能控制柜在不同工作频率段的损耗测试数据

对比表1和表3、表2和表4，采用同一控制技术方式的变频柜不同生产厂家在同一运行频率点运行，其损耗量存在明显不同。这是因为不同生产厂家选用器件、生产安装工艺、变频器基准频率设置以及采用的谐波抑制措施不同等诸多原因造成的。

同一台油井变频节能控制柜在50Hz运行频率下，监测其工频运行与变频运行的损耗情况，测试数据见表5。

表5 40-206井同一台变频节能控制柜50Hz运行频率下工频与变频损耗测试数据对比

从表5可以看出，同一台油井变频节能控制柜在50Hz运行频率下，变频运行模式下变频柜损耗为3.79%，而工频运行模式下变频柜损耗为0.94%，同一频率下相比前者多产生损耗2.85%。

表6为其他4台油井变频节能控制柜变频运行条件下损耗测试数据。油井变频节能控制柜对油井系统效率的影响见表7。

从表6可以看出，采用能量回馈单元控制技术方式的同型变频器不同厂家生产的变频柜，采油16队和采油14队4口井的在用4台变频柜实际运行损耗均在5%左右。

表7表明，在各变频节能控制柜输出端测试油井系统效率测试结果都明显要高于输入端的测试结果，这说明变频节能控制柜存在着明显的损耗，各种在用变频柜其损耗量因运行频率和生产产品质量的不同而不同，一般情况下其损耗在3%至6%之间。

表6 油井变频节能控制柜变频运行条件下损耗测试数据

表7 油井变频节能控制柜对油井系统效率影响数据对比

4 综合效益分析

4.1 测试效益

该技术不仅有效解决了油井变频节能控制柜损耗测试，解决了一般功率测试分析仪器只能在50Hz工作频率下运行，只能对变频节能控制柜初级侧进行功率测试分析，不能开展变频节能控制柜自身损耗监测，不能满足油井机采系统测试分析技术要求，而且还解决了野外施工作业测试工作需要的电源问题，具有可观的测试效益。

4.2 节能效益

通过监测得出不同油井变频节能控制柜的损耗率，分析产生能量损耗的原因，提出油井变频节能控制柜优化运行措施，降低变频节能控制柜的损耗，让油井变频节能控制柜在最大节能状态下自动化运行，达到系统节能降耗的目的，每年具有可观的节能效益。

4.3 提高油井系统效率

通过监测、优化、调整，再监测、再优化、再调整等措施，降低油井变频节能控制柜损耗，实现每一台油井变频节能控制柜在最大节能状态下的自动化运行，减少损耗2%～3%，则可提高油井系统效率2%～3%。

4.4 提升节能监测能力

该技术提升了采油厂测试技术能力，使原来只能测试600V以下工作电压油井系统效率，延伸到可以进行1000V以下工作电压油井系统效率的测试。

5 结论与建议

1）采用能量回馈单元控制技术方式的变频柜其损耗要明显小于采用能耗制动单元控制技术方式的变频柜，建议油井选用采用能量回馈单元控制技术方式的变频柜。

2）同一台油井变频柜运行频率越高，油井变频节能控制柜损耗越小，反之，则越大。不同型号、不同生产厂家、采用不同控制技术方式在不同运行频率下产生的变频柜损耗变化规律是一致的。根据油井生产需要，建议油井变频节能控制柜在25Hz～40kHz之间运行，运行频率过低或过大均不适合油井变频节能控制柜节能经济运行。

3）采用同一控制技术方式的变频柜，不同生产厂家在同一运行频率点运行，其损耗明显不同。

4）同一台油井变频节能控制柜在50Hz运行频率下，变频运行模式的变频柜损耗明显比工频运行方式下的损耗要大得多。建议变频柜运行频率大于45kHz的油井，改为工频下运行。

5）加强油井变频柜的优化运行管理，合理确定油井变频柜的生产运行参数，开展变频柜运行管理监督检查，提升变频柜运行质量，实现油井变频节能控制柜在最大节能状态下的自动化运行。

[1]朱益飞.高性能V/F控制变频器在油井控制中的应用[J].变频技术应用,2013(1):75-78.

[2]李岩,姚旭东,吕孟权.变频器在油田抽油机上的应用[J].电气时代,2004(4):80-82.

[3]程明,刘佳畅.浅谈变频技术在油田抽油机上的应用[J].变频技术应用,2011,6(1):94-114.