四象限变频器在油田抽油机井上的应用

陈津刚（大港油田公司采油工艺研究院，天津300280）

四象限变频器在油田抽油机井上的应用

陈津刚（大港油田公司采油工艺研究院，天津300280）

随着新技术的不断发展和新材料的不断涌现，四象限变频器的应用需求也越来越广，该型变频器可实现能量的双向流动，达到了彻底的节能效果。本文将简要介绍四象限变频器的工作原理，以及以四象限变频器为核心的智能变频控制柜在油田抽油机井上应用，并结合相关测试数据说明其应用前景。

四象限；智能调控；简要机理；测试分析

一、四象限变频器技术原理

目前变频调速仍是我国抽油机井上应用最广的一种调速方式，由于我国大多数油田的油井已处于开发的中、后期，含水上升、动液面下降等因素使得变频调速成为最有发展前途的一种交流调速方式。

普通的变频器的整流部分大都采用二极管整流桥，只能工作在电动状态，所以称之为两象限变频器。由于两象限变频器无法实现能量的双向流动，所以没有办法将电机回馈系统的能量送回电网［1］。而抽油机在一个冲次内，电流I及相位角φ总是变化的，相位角φ大于90°时电流I为负，这时电机为发电状态。如仍采用两象限变频器，需要将电动机回馈的能量消耗掉，为此用能上不够经济，同时二极管整流桥对电网也易产生严重的谐波污染。

四象限变频器整流部分也像逆变部分一样采用了IGBT功率模块［2］。其电路图见图1。

图1 四象限变频器的电路原理图

IGBT功率模块可以实现能量的双向流动，一方面通过调整输入的功率因数，消除了对电网的谐波污染，另一方面将电动机回馈产生的能量反送到电网，达到了彻底的节能效果。同时，电动机也具有了四象限运行（电动、反接制动、反向电动、反转制动）特性。

二、基于四象限变频器的智能变频控制柜技术原理

随着应用规模的扩大，运行年限的延长，常规变频器的问题逐步显现。一是变频器运行工况与建设初期相比出现了较大变化，运行时率及节能效果下降；二是因变频器运行产生的谐波的运行给电网造成的污染不容忽视，谐波在变频器应用较少时还不明显，但随着应用规模的扩大，谐波源增多，给电网正常运行带来了威胁；三是大部分未采用电能实时回馈功能的地变频器，导致部分电能浪费，变频器未实现节能的最大化；四是在变频的应用方面，由于基于调控动液面这一重要参数的录取绝大多数还停留在每月一次的人工录取，造成调控的相对滞后，不利于及时发现和解决抽油机在运行过程中出现的问题。

鉴于变频器在实际使用过程中出现的诸多问题问题，四象限智能变频控制将四象限变频器与上位机油井监控软件完美结合，形成了对油井自动化监控的一整套解决方案。该系统集电气控制功能、电能监测功能、数据传输功能、以及人机交互功能于一体，内含电能测试分析、抽油机平衡分析、GRPS远程油井监控器（RTU）、通讯管理器（DTU）、上位机监控系统、单机智能控制单元、平衡调节驱动电路，可完全实现抽油机的无极平滑调速、远程智能监控，提高采油系统的安全性和系统工作效率，达到节能降耗，提高效率的目的。图2抽油机智能调控系统流程图。

图2 抽油机智能调控系统流程图

三、应用实例

油田的特殊地理环境决定了采油设备在中后期，由于石油储量减少，易造成供液不足，电动机若仍工频运行，势必浪费电能，造成不必要损耗，这时须考虑实际工作情况，适当降低电动机转速，减少冲程，有效提高充盈率。

下面是该控制柜在在Z102x1井上以动液面为被控参数进行的智能调控试验。

Z102x1井以泵深以上200m为动液面的值，设为2197m，该井进入闭环控制后，中心控制系统监测示功图计算动液面，得出满足设定动液面时的频率，自动进行控制。

同样，通过闭环实验，调控前后示功图（见5）、油井产液量曲线油井参数曲线（见图6），并根据这些曲线获得油井系统效率变化值。

图5 Z102x1井调控前后示功图

Z102x1井改造前（冲次4.11次/分）时，示功图其饱满程度约为53.3%；改造后（冲次2.56次/分）时，示功图饱满程度约为66.6%。泵的充满程度提高了13.3%，油井的供排关系得到了改善。

根据公式计算，调整前系统效率≈16.93%，调整后系统效率≈21.38%，系统效率提高了4.45%。

四、结语

四象限智能变频控制柜在油田的应用表明，通过动液面为被控参数自动调控电机，在保证油井产量基本不变的前提下，降低电机转速，降低电机输入功率调节抽油机冲次，可使供液量与排液量保持恒定，抽油机通过智能调控较之前抽油机恒定冲次下运行效率有了明显的提高，具有良好的应用前景。

陈津刚(1972-)，男，工程师，主要从事油田电力自动化方面技术的研究和应用工作。