基本信息
- 项目名称：
- 风力发电和变频抽油机群共直流母线能量管理系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 目前，油田抽油机是油田最大耗电大户，平均效率仅为25.96%。我国的多为低渗透低产油田，以电能换石油是我国油田产油现实情况。本方案通过改变抽油控制策略，创新性的将多台抽油机组成一个系统并联运行，经过实时监控，进行自动控制调整速率，提高抽油每次抽有效率，用最少的电能换取最多的石油。并且将风能引入到本方案作为抽油机提供清洁能源。此方案不仅对原油增产、原油生产成本降低和缓解当前能源紧张状况具有重义。
- 详细介绍：
- 目前，油田抽油机（俗称磕头机）是应用最普遍的石油开采机械之一，也是油田耗电大户，其用电量约占油田总用电量的40％，且总体效率很低，据调查我国平均效率为25.96%，而国外平均水平为30.05%。我国的油田不像中东的油田那样有很强的自喷能力，多为低渗透的低能、低产油田，以电能换石油是我国油田产油现实情况。以往节能方案是研制节能电机，达到节能效果，但是要更换电机成本较大，不利于推广。本方案通过改变抽油控制策略，创新性的将多台抽油机组成一个系统并联运行，经过实时监控抽油量，进行自动控制调整速率，减少抽油机抽油过程的不必要损耗，提高抽油效率，并且将抽油机发电产生的能量通过并联系统输送到有需要的抽油机上，从而用最少的电能尽可能换取最多的石油。不仅如此，此方案还为风电这种清洁能源的使用开创了新思路，将风能引入到本方案作为抽油机使用的能源的一部分可以有效地减少对电网电能的使用以及使用电网电能时在传输线路上的损耗。通过对抽油控制技术的改进来节省电能，将对提高系统效率实现节能降耗有很积极的作用，不仅对原油增产、原油生产成本降低和企业经济效益的提高有重要意义，而且对缓解当前能源供应紧张状况也具有重要意义。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 一、发明的目的 通过PLC控制核心和变频器，通过传感器能够达到自动控制抽油机速率的效果，从而提高抽油机运行时的抽有效率，并且充分利用抽油机倒发电产生的能量。以风能部分代替电网，使用清洁能源，减少电网负荷。 二、作品设计思路 本方案中PLC根据油量信息控制变频器，使抽油机在高效率的转速下运行，避免空捞造成的能量损耗，并且通过接近开关了解抽油机的上下位置，协调处于发电状态和电动状态的抽油机的数量（尽量达到1:1），使下冲程的抽油机发的电尽可能多的被上冲程的抽油机利用，减少再生能量损耗。系统所有的变频器通过共直流母线连接，风力发电系统也连接到直流母线上，为抽油机提供清洁能源。当风能过剩时，直流母线电压超过阈值时，利用能量回馈单元将多余能量回馈到电网。此方案实现了抽油机群内部能量的有效分配和管理，充分利用了清洁能源，真正实现了抽油机系统的节能增效。 三、创新点 1．根据每口井的出油情况和抽油机相对位置，PLC控制变频器，调节转速、调配不同抽油机的上下冲程，实现抽油机群内部能量互馈，减少从电网吸收电能，最大限度提高采油效率。 2．将风电电能并入直流母线，使风能以非并网的方式更有效地被抽油机利用，减少风能的并网成本。 3．通过流量传感器，了解抽油机的抽油效率，自动调节抽油机转速，使抽油机高效率下运行。 四、节能效率 以四台容量45kw抽油机一天耗能为例进行节能计算：可以达到26.2%的节能效率（详细计算内容附于方案论文5.2 方案节能效率计算）
科学性、先进性
- 与油田现实比较、突出质性技术特点 现实情况是一般抽油机直接与电网相连接，没有节能控制、只能在而定电压下运行，效率很低、无功很大、线损也很明显。而小部分加装了变频器，但是不能够根据采油情况自动调节转速，只能几天或者一个礼拜调整一次，滞后性严重，并且抽油机倒发电的能量也无法加以利用，白白浪费在能耗电阻上。 本系统能够根据流量传感器、霍尔元件自动检测抽油机的能量流动状态（发电、耗电、及运行效率）控制转速使抽油机避免空抽半抽（由于我国多为低渗透低产油田），并且通过接近开关了解抽油机的运行位置，调配抽油机倒发电能量流动，使抽油机相互使用彼此发出的能量。通过两种控制大幅度增加抽油机的运行效率26.2%以上。自动调控提高运行效率、控制能量流动、使用洁净能源和节约电能是本方案的最实质性的技术特点。
获奖情况及鉴定结果
- 1、2010年“施耐德电气杯”全国大学生节能增效创新大赛特等奖（第一名） 2、第十二届“挑战杯”全国大学生课外学术作品竞赛山东省特等奖。 3、携作品参加中国科协第十二届年会。 4、携作品代表大学访问法国巴黎施耐德电气全球总部。
作品所处阶段
- A实验室阶段
技术转让方式
- 洽谈转让
作品可展示的形式
- 现场演示、图片、录像、实物,产品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 一、技术特点 PLC检测抽油机的运行状态并且通过油量传感器检测油况，协调控制由直流母线并联的逆变模块，控制电机转速，调配上下冲程状态，使抽油机产生的电能能够内部分配使用。当风电电能过剩时，导致直流母线电压过高，系统可以通过能量回馈单元返回电网。上位机总体调控各PLC。自动检测控制能量流动，节约电能是本方案的技术特点。 二、方案适用场合 1、本方案因为风力发电系统的原因，适用在风力资源较丰富的油田地区。 2、因为本方案是采用群控技术，所以适用于油井较为密集的油田。 3、应用该系统可以减少线损，所以适用于抽油机输电线路很长的地方。 4、因为本方案可以消除“空捞半捞”现象，提高抽油机运行效率，所以在我国这样的中低产油田优势更为明显。 三、节能效果 经过论证，和有关技术资料，该方案在适用场合保守估计可以达到26.2%的节能效率。
同类课题研究水平概述
- 目前，抽油机是应用最普遍的石油开采机械之一，也是油田耗电大户，其用电量约占油田总用电量的40％，且总体效率很低，据调查我国平均效率为25.96%，而国外平均水平为30.05%[1]。我国的油田不像中东的油田那样有很强的自喷能力，多为低渗透的低能、低产油田，以电换油是我国油田的现实。 国内使用特种节能电机（双功率电机、高转差率异步电机、抽油机专用永磁同步电机）、外加节能装置（无功补偿装置、交流调压节能装置、调速装置）、节能抽油机等方法进行节能控制，但都各有弊端。不能满足油田抽油机的运行要求，要么是调速范围不够、要么是非自动控制，或是设计自身存在问题。 本方案通过改变抽油工艺，减少抽油机抽油过程的不必要损耗，提高抽油效率，从而用最少的电能换取最多的石油。不仅如此，此方案还为风电这种清洁能源的使用开创了新思路，将风能、风力发电系统引入到本方案作为抽油机使用的能源的一部分可以有效地减少对电网电能的使用以及使用电能在传输线路上的损耗。通过对抽油工艺的改进来节省电能，将对提高系统效率实现节能降耗有很积极的作用，不仅对原油增产、原油生产成本降低和企业经济效益的提高有重要意义，而且对缓解能源供应紧张状况也具有重要意义。
