变频调速技术在油田潜油电泵中的应用

2011-02-08朱益飞淳永忠张恒钰董玉忠

电力需求侧管理 2011年1期

朱益飞，淳永忠，张恒钰，董玉忠

（1.胜利油田孤东采油厂，山东东营 257237；2.胜利油田河口采油厂，山东东营 257200）

油田潜油电泵采油技术属于二次采油技术，它具有采油作业面占地少、施工操作简单、排液量大、采油效率高等优点，特别适用于油田开发中后期的高含水油井，是油田一种重要的采油设备，在国内外各油田均广泛应用。据统计，全国各油田总装机数量在5万台以上。现在普遍使用的潜油电泵电动机额定功率为37～75 kW，由于油井管径较小，为了减小电线截面，普遍采用额定电压为660～2 000 V的三相异步电动机。由于电潜泵在地下1～3 km的井底工作，环境非常恶劣（高温、强腐蚀等），传统供电方式——全压、工频方式使其故障频繁，运行成本大增，主要存在以下几个问题：一是由于电动机直接启动时，上电启动冲击电流大，分布电感使系统内反压过高，经常造成系统多处绝缘损伤，造成电动机潜油电缆故障频繁；二是由于井下压力不同，油层深浅不同，采用工频运行方式时，不能有效控制采油速度，使得采油质量难以控制，有时采油含水量过大，甚至有时伴随将泥砂抽出的现象，造成电泵砂卡损坏故障；三是由于电泵设计裕量往往偏大，尤其是井下液量不足时，泵产生的油压过高，故缩短泵的使用寿命，其维修及更换几率增加；四是由于油田电网地处电网末端，电压不稳，造成潜油电泵损坏现象的发生；五是油田潜油电泵是油田生产的主要高能耗设备之一，平均单井日耗电量超过2 000 kWh。潜油电泵作为油田深井抽油机的动力，无论出自于工艺的要求，还是节电的需要，使用变频调速技术驱动，都感到大有益处。因此，提出了变频调速技术在油田潜油电泵中的应用这一研究课题。

1 中压变频调速驱动技术的工作原理

潜油电泵是油井井下工作的多级离心泵，是一种较新的机械采油设备。由于油井较深，为降低线路压降，故其拖动电动机没有采用工频而一般设计为660 V级或1 000 V级。该电压属中压范畴，不高也不低。若降低电压，则线路压降太大，电动机低效无法正常工作。若提高电压，线路压降虽小，但供电线路电缆及电动机的绝缘问题突出，故障率高，维护困难，可靠性下降。因此，目前国内大部分油田采用的是660V级或1 140 V级潜油电泵。对于泵挂深度少于1 000m的油井多采用660 V级的潜油电泵；对于泵挂深度在1 000～2 000m之间的油井多采用1 140 V级的潜油电泵。随着油井深度的增加，少量深井开始使用2 300 V的潜油电泵。潜油电泵配电控制箱中压变频器采用二极管箝位三电平变频控制调速技术，其系统简图如图1所示。

图1 三电平变频控制系统简图

三电平变频调速控制系统按功能分为4个主要部分：即控制监测部分、频率生成部分、电压波形数据存储部分和变换输出部分。控制监测部分由核心单片机构成；频率生成部分主要由定时器、计数器和锁相环节组成；电压波形数据存储部分主要由随机存储器（ROM）、地址锁存和数据分配环节组成。其工作原理为：在程序控制下，根据系统实际运行情况，由单片机计算出当前最优的频率和电压参数（由U/f决定），实时地给定定时器定值和数据ROM页地址，以定时器的输出频率为节拍，按顺序逐个送出ROM中数据去控制每个绝缘栅双级型晶体管（IGBT）开关，达到控制输出电平的目的。同时，单片机通过对各前向通道采样接收从传感器反馈回的信号（包括电流、电压和负载变化），实时地对系统的运行方式进行控制和对运行状态进行监测（主要是故障的诊断和处理），做到闭环控制。

该技术的特点偏优于采用在不太高的中压变频器中。它与二电平相比较，其输出的电压波形虽然仍为矩形脉冲，但其脉冲幅值却降低1倍，较好地解决了d v/d t高所带来的绝缘及谐波等问题，使变频器的输出波形更接近正弦波，彻底地解决了因器件换流对电动机绝缘造成冲击导致的绝缘损伤、轴电压对电动机轴承的腐蚀以及传导干扰、辐射干扰等诸多问题，降低漏电流及电动机噪音。其缺点已基本克服，美中不足的是逆变元件的换流尚须由箝位二极管来保证，尽管其中点电压浮动也是问题之一，系统也变得稍加复杂，但在几十千瓦的变频器中，该不足之处并不构成价格限制因素。

2 中压变频调速驱动技术的特点

（1）变频器具备软启动功能，平滑启动，消除启动时的冲击电流，启动时电动机电流可限制在其额定电流的150%之内。在启动过程中，电动机转速随着频率变化而接近同步状态升速，故反电势及冲击电流很小，绝缘易受破坏的问题出现几率较低。对电潜泵井进行变频改造后，实现了电潜泵的软启动、软停车，有效保护了电潜泵与电缆。

（2）节能效果明显，节电率高达20%～60%。无论重载或轻载，系统的功率因数均较高，尤其在小负载状态，无功功率大大减小，提高功率因数及电网供电能力，具有明显的节电效果。

（3）通过调节频率可方便调节油压，避免了电潜泵在高压下长期运行。可按油井当前状况调节出油量，使油井工作在最佳状态。

（4）微电脑智能控制，自动适应，自动跟随，无需人工调整，亦可组成压力、温度闭环系统，提高自动化程度及实现最佳控制。采用变频调速后，对于富油油井，可以增产；对于贫油油井可以做到连续生产且减少停井次数并达到节能的目的；对含砂油井，可以减少卡泵次数，并可反转排砂，延长电泵寿命；对于含气油井，可提高转速减少油气分离不佳所致的气锁现象出现而增产增效；对于含蜡油井，可减少结蜡、结垢而降低管路堵塞次数；对于稠油油井，可低速大功率运行，减少停井次数并获得可观的节能效果。

（5）减少电动机发热及运动部件的磨损程度，有效延长电动机使用寿命，降低维修成本。可延长电潜泵寿命，节约油井维修、维护费用，使电泵机组在最佳工况下运行，大大提高了电潜泵采油系统的效率，在降低故障率的同时提高工作效率。潜油电泵通过采用中压变频调速控制技术，使电潜泵的平均维修周期由原来的3至6个月，延长到1至2年，大大地提高了油井的采油时率，节省了大量的维修费用。

（6）控制系统具有欠载保护功能，大大提高了油泵和电动机工作寿命，比较适合油田生产使用。同时，由于输出的电压波形相较二电平变频器更接近于正弦，网侧谐波大减，故可以多台集中使用，而电网不受影响。

（7）变频器运行稳定可靠。选用的中压变频器采用二极管箝位三电平变频控制调速技术，其核心器件采用1 700 V IGBT，该器件比较成熟，价格低廉，性能价格比较高，这种拓扑结构在中压电压之下是最优选择方案。因此，该控制系统性能稳定，运行可靠，故障率低。

3 中压变频调速驱动技术的节能改造

3.1 电潜泵井节能改造前现状

项目改造前胜利油田孤东采油厂共有电潜泵油井33口，约占孤东采油厂总油井数的1.3%。电潜泵油井平均泵挂深度为920m。通过对该类油井能耗现状的跟踪调查测试，平均有功功率为42.25 kW，单井电能表计量平均日有功电耗为1 029 kWh，平均单井每小时耗电42.88 kWh。油井电参数动态平衡测试仪与现场电能表计量结果基本吻合。

3.2 电潜泵井节能改造情况

从2005年开始，先后对胜利油田孤东采油厂的33台电潜泵实施变频节能技术改造，已取得良好的技术改造效果。在现场进行了每口油井节能技术改造前后仪器测试数据和井口电能表计量统计数据对比，节能技术改造结果见表1。

3.3 变频器谐波信号的处理

尽管选用的中压变频器采用三电平变频调速控制系统，其输出的电压波形相较二电平变频器更接近于正弦，网侧谐波已大大减少，但为了尽可能地减少变频器运行过程中产生的谐波信号对电网供电质量的影响，在变频节能技术改造过程中，对降低变频器谐波问题仍下了许多功夫，如：在电泵控制柜中变频控制器输出侧和输入侧分别加装谐波抵制电路装置，以防止谐波信号超标而增加电动机损耗，达到降低能耗的目的。

3.4 节能改造前后测试数据分析

从表1中可以看出，33口潜油电泵井节能技术改造后油井系统效率大幅度提高，平均系统效率由改造前的81.99%提高到改造后的92.53%，前后对比提高了10.54%，其相对值提高了12.86%。油井平均检泵周期由原来的171天增加到目前的511天，增加了340天，其相对值提高了199%。改造后单井无功功率下降了33.99 kvar，其相对值下降了74.8%，油井平均功率因数由原来0.68提高到目前的0.93，单井日平均电量由原来的1 029 kWh下降到目前的717 kWh，下降了312 kWh。在油井平均日产液量基本保持不变或者说是略有增加（平均单井日产液量提高了3.4%）的前提下，改造后测试平均有功功率为28.91 kW，吨液耗电仅为5.64 kWh，比改造前分别下降了13.34 kW和2.88 kWh，其相对值分别下降了31.57%和36.8%。抽油泵充满系数提高，平均产液量基本持平。