變頻調(diào)速技術(shù)在油田潛油電泵中的應(yīng)用

朱益飛，淳永忠，張恒鈺，董玉忠

（1.勝利油田 孤東采油廠，山東 東營 257237；2.勝利油田 河口采油廠，山東 東營 257200）

油田潛油電泵采油技術(shù)屬于二次采油技術(shù)，它具有采油作業(yè)面占地少、施工操作簡(jiǎn)單、排液量大、采油效率高等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于油田開發(fā)中后期的高含水油井，是油田一種重要的采油設(shè)備，在國內(nèi)外各油田均廣泛應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國各油田總裝機(jī)數(shù)量在5萬臺(tái)以上?，F(xiàn)在普遍使用的潛油電泵電動(dòng)機(jī)額定功率為37～75 kW，由于油井管徑較小，為了減小電線截面，普遍采用額定電壓為660～2 000 V的三相異步電動(dòng)機(jī)。由于電潛泵在地下1～3 km的井底工作，環(huán)境非常惡劣（高溫、強(qiáng)腐蝕等），傳統(tǒng)供電方式——全壓、工頻方式使其故障頻繁，運(yùn)行成本大增，主要存在以下幾個(gè)問題：一是由于電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)，上電啟動(dòng)沖擊電流大，分布電感使系統(tǒng)內(nèi)反壓過高，經(jīng)常造成系統(tǒng)多處絕緣損傷，造成電動(dòng)機(jī)潛油電纜故障頻繁；二是由于井下壓力不同，油層深淺不同，采用工頻運(yùn)行方式時(shí)，不能有效控制采油速度，使得采油質(zhì)量難以控制，有時(shí)采油含水量過大，甚至有時(shí)伴隨將泥砂抽出的現(xiàn)象，造成電泵砂卡損壞故障；三是由于電泵設(shè)計(jì)裕量往往偏大，尤其是井下液量不足時(shí)，泵產(chǎn)生的油壓過高，故縮短泵的使用壽命，其維修及更換幾率增加；四是由于油田電網(wǎng)地處電網(wǎng)末端，電壓不穩(wěn)，造成潛油電泵損壞現(xiàn)象的發(fā)生；五是油田潛油電泵是油田生產(chǎn)的主要高能耗設(shè)備之一，平均單井日耗電量超過2 000 kWh。潛油電泵作為油田深井抽油機(jī)的動(dòng)力，無論出自于工藝的要求，還是節(jié)電的需要，使用變頻調(diào)速技術(shù)驅(qū)動(dòng)，都感到大有益處。因此，提出了變頻調(diào)速技術(shù)在油田潛油電泵中的應(yīng)用這一研究課題。

1 中壓變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)技術(shù)的工作原理

潛油電泵是油井井下工作的多級(jí)離心泵，是一種較新的機(jī)械采油設(shè)備。由于油井較深，為降低線路壓降，故其拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)沒有采用工頻而一般設(shè)計(jì)為660 V級(jí)或1 000 V級(jí)。該電壓屬中壓范疇，不高也不低。若降低電壓，則線路壓降太大，電動(dòng)機(jī)低效無法正常工作。若提高電壓，線路壓降雖小，但供電線路電纜及電動(dòng)機(jī)的絕緣問題突出，故障率高，維護(hù)困難，可靠性下降。因此，目前國內(nèi)大部分油田采用的是660V級(jí)或1 140 V級(jí)潛油電泵。對(duì)于泵掛深度少于1 000m的油井多采用660 V級(jí)的潛油電泵；對(duì)于泵掛深度在1 000～2 000m之間的油井多采用1 140 V級(jí)的潛油電泵。隨著油井深度的增加，少量深井開始使用2 300 V的潛油電泵。潛油電泵配電控制箱中壓變頻器采用二極管箝位三電平變頻控制調(diào)速技術(shù)，其系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 三電平變頻控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

三電平變頻調(diào)速控制系統(tǒng)按功能分為4個(gè)主要部分：即控制監(jiān)測(cè)部分、頻率生成部分、電壓波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分和變換輸出部分。控制監(jiān)測(cè)部分由核心單片機(jī)構(gòu)成；頻率生成部分主要由定時(shí)器、計(jì)數(shù)器和鎖相環(huán)節(jié)組成；電壓波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分主要由隨機(jī)存儲(chǔ)器（ROM）、地址鎖存和數(shù)據(jù)分配環(huán)節(jié)組成。其工作原理為：在程序控制下，根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況，由單片機(jī)計(jì)算出當(dāng)前最優(yōu)的頻率和電壓參數(shù)（由U/f決定），實(shí)時(shí)地給定定時(shí)器定值和數(shù)據(jù)ROM頁地址，以定時(shí)器的輸出頻率為節(jié)拍，按順序逐個(gè)送出ROM中數(shù)據(jù)去控制每個(gè)絕緣柵雙級(jí)型晶體管（IGBT）開關(guān)，達(dá)到控制輸出電平的目的。同時(shí)，單片機(jī)通過對(duì)各前向通道采樣接收從傳感器反饋回的信號(hào)（包括電流、電壓和負(fù)載變化），實(shí)時(shí)地對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行方式進(jìn)行控制和對(duì)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)（主要是故障的診斷和處理），做到閉環(huán)控制。

該技術(shù)的特點(diǎn)偏優(yōu)于采用在不太高的中壓變頻器中。它與二電平相比較，其輸出的電壓波形雖然仍為矩形脈沖，但其脈沖幅值卻降低1倍，較好地解決了d v/d t高所帶來的絕緣及諧波等問題，使變頻器的輸出波形更接近正弦波，徹底地解決了因器件換流對(duì)電動(dòng)機(jī)絕緣造成沖擊導(dǎo)致的絕緣損傷、軸電壓對(duì)電動(dòng)機(jī)軸承的腐蝕以及傳導(dǎo)干擾、輻射干擾等諸多問題，降低漏電流及電動(dòng)機(jī)噪音。其缺點(diǎn)已基本克服，美中不足的是逆變?cè)膿Q流尚須由箝位二極管來保證，盡管其中點(diǎn)電壓浮動(dòng)也是問題之一，系統(tǒng)也變得稍加復(fù)雜，但在幾十千瓦的變頻器中，該不足之處并不構(gòu)成價(jià)格限制因素。

2 中壓變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)技術(shù)的特點(diǎn)

（1）變頻器具備軟啟動(dòng)功能，平滑啟動(dòng)，消除啟動(dòng)時(shí)的沖擊電流，啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)電流可限制在其額定電流的150%之內(nèi)。在啟動(dòng)過程中，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨著頻率變化而接近同步狀態(tài)升速，故反電勢(shì)及沖擊電流很小，絕緣易受破壞的問題出現(xiàn)幾率較低。對(duì)電潛泵井進(jìn)行變頻改造后，實(shí)現(xiàn)了電潛泵的軟啟動(dòng)、軟停車，有效保護(hù)了電潛泵與電纜。

（2）節(jié)能效果明顯，節(jié)電率高達(dá)20%～60%。無論重載或輕載，系統(tǒng)的功率因數(shù)均較高，尤其在小負(fù)載狀態(tài)，無功功率大大減小，提高功率因數(shù)及電網(wǎng)供電能力，具有明顯的節(jié)電效果。

（3）通過調(diào)節(jié)頻率可方便調(diào)節(jié)油壓，避免了電潛泵在高壓下長(zhǎng)期運(yùn)行?？砂从途?dāng)前狀況調(diào)節(jié)出油量，使油井工作在最佳狀態(tài)。

（4）微電腦智能控制，自動(dòng)適應(yīng)，自動(dòng)跟隨，無需人工調(diào)整，亦可組成壓力、溫度閉環(huán)系統(tǒng)，提高自動(dòng)化程度及實(shí)現(xiàn)最佳控制。采用變頻調(diào)速后，對(duì)于富油油井，可以增產(chǎn)；對(duì)于貧油油井可以做到連續(xù)生產(chǎn)且減少停井次數(shù)并達(dá)到節(jié)能的目的；對(duì)含砂油井，可以減少卡泵次數(shù)，并可反轉(zhuǎn)排砂，延長(zhǎng)電泵壽命；對(duì)于含氣油井，可提高轉(zhuǎn)速減少油氣分離不佳所致的氣鎖現(xiàn)象出現(xiàn)而增產(chǎn)增效；對(duì)于含蠟油井，可減少結(jié)蠟、結(jié)垢而降低管路堵塞次數(shù)；對(duì)于稠油油井，可低速大功率運(yùn)行，減少停井次數(shù)并獲得可觀的節(jié)能效果。

（5）減少電動(dòng)機(jī)發(fā)熱及運(yùn)動(dòng)部件的磨損程度，有效延長(zhǎng)電動(dòng)機(jī)使用壽命，降低維修成本。可延長(zhǎng)電潛泵壽命，節(jié)約油井維修、維護(hù)費(fèi)用，使電泵機(jī)組在最佳工況下運(yùn)行，大大提高了電潛泵采油系統(tǒng)的效率，在降低故障率的同時(shí)提高工作效率。潛油電泵通過采用中壓變頻調(diào)速控制技術(shù)，使電潛泵的平均維修周期由原來的3至6個(gè)月，延長(zhǎng)到1至2年，大大地提高了油井的采油時(shí)率，節(jié)省了大量的維修費(fèi)用。

（6）控制系統(tǒng)具有欠載保護(hù)功能，大大提高了油泵和電動(dòng)機(jī)工作壽命，比較適合油田生產(chǎn)使用。同時(shí)，由于輸出的電壓波形相較二電平變頻器更接近于正弦，網(wǎng)側(cè)諧波大減，故可以多臺(tái)集中使用，而電網(wǎng)不受影響。

（7）變頻器運(yùn)行穩(wěn)定可靠。選用的中壓變頻器采用二極管箝位三電平變頻控制調(diào)速技術(shù)，其核心器件采用1 700 V IGBT，該器件比較成熟，價(jià)格低廉，性能價(jià)格比較高，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在中壓電壓之下是最優(yōu)選擇方案。因此，該控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，故障率低。

3 中壓變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)技術(shù)的節(jié)能改造

3.1 電潛泵井節(jié)能改造前現(xiàn)狀

項(xiàng)目改造前勝利油田孤東采油廠共有電潛泵油井33口，約占孤東采油廠總油井?dāng)?shù)的1.3%。電潛泵油井平均泵掛深度為920m。通過對(duì)該類油井能耗現(xiàn)狀的跟蹤調(diào)查測(cè)試，平均有功功率為42.25 kW，單井電能表計(jì)量平均日有功電耗為1 029 kWh，平均單井每小時(shí)耗電42.88 kWh。油井電參數(shù)動(dòng)態(tài)平衡測(cè)試儀與現(xiàn)場(chǎng)電能表計(jì)量結(jié)果基本吻合。

3.2 電潛泵井節(jié)能改造情況

從2005年開始，先后對(duì)勝利油田孤東采油廠的33臺(tái)電潛泵實(shí)施變頻節(jié)能技術(shù)改造，已取得良好的技術(shù)改造效果。在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了每口油井節(jié)能技術(shù)改造前后儀器測(cè)試數(shù)據(jù)和井口電能表計(jì)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比，節(jié)能技術(shù)改造結(jié)果見表1。

3.3 變頻器諧波信號(hào)的處理

盡管選用的中壓變頻器采用三電平變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，其輸出的電壓波形相較二電平變頻器更接近于正弦，網(wǎng)側(cè)諧波已大大減少，但為了盡可能地減少變頻器運(yùn)行過程中產(chǎn)生的諧波信號(hào)對(duì)電網(wǎng)供電質(zhì)量的影響，在變頻節(jié)能技術(shù)改造過程中，對(duì)降低變頻器諧波問題仍下了許多功夫，如：在電泵控制柜中變頻控制器輸出側(cè)和輸入側(cè)分別加裝諧波抵制電路裝置，以防止諧波信號(hào)超標(biāo)而增加電動(dòng)機(jī)損耗，達(dá)到降低能耗的目的。

3.4 節(jié)能改造前后測(cè)試數(shù)據(jù)分析

從表1中可以看出，33口潛油電泵井節(jié)能技術(shù)改造后油井系統(tǒng)效率大幅度提高，平均系統(tǒng)效率由改造前的81.99%提高到改造后的92.53%，前后對(duì)比提高了10.54%，其相對(duì)值提高了12.86%。油井平均檢泵周期由原來的171天增加到目前的511天，增加了340天，其相對(duì)值提高了199%。改造后單井無功功率下降了33.99 kvar，其相對(duì)值下降了74.8%，油井平均功率因數(shù)由原來0.68提高到目前的0.93，單井日平均電量由原來的1 029 kWh下降到目前的717 kWh，下降了312 kWh。在油井平均日產(chǎn)液量基本保持不變或者說是略有增加（平均單井日產(chǎn)液量提高了3.4%）的前提下，改造后測(cè)試平均有功功率為28.91 kW，噸液耗電僅為5.64 kWh，比改造前分別下降了13.34 kW和2.88 kWh，其相對(duì)值分別下降了31.57%和36.8%。抽油泵充滿系數(shù)提高，平均產(chǎn)液量基本持平。

4 結(jié)束語

綜合以上分析，油田潛油電泵實(shí)施中壓變頻調(diào)速技術(shù)節(jié)能技術(shù)改造，具有顯著的節(jié)能降耗和經(jīng)濟(jì)效益。實(shí)踐證明，大力研究與推廣應(yīng)用油田潛油電泵中壓變頻調(diào)速技術(shù)，對(duì)提高提高油田采油質(zhì)量和產(chǎn)量，減少現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)費(fèi)用，降低原油開采成本，節(jié)約能源以及提高油田綜合經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)和推廣相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，具有十分重要的意義。

表1 33口電潛泵油井節(jié)能技術(shù)改造前后對(duì)比統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

［1］ 朱益飛，張士杰，何衛(wèi)兵.變頻技術(shù)在油田螺桿泵井上的應(yīng)用［J］.變頻技術(shù)應(yīng)用，2010（2）：95-113.

［2］ 朱益飛.油田變頻調(diào)速技術(shù)在油田的應(yīng)用分析［J］.變頻技術(shù)應(yīng)用，2010（3）：85-89.

［3］ 朱益飛.油井專用能量回饋式變頻器在油田的應(yīng)用［J］.變頻器世界，2009（11）：5-7.

［4］ 李巖，姚旭東，呂孟權(quán).變頻器在油田抽油機(jī)上的應(yīng)用［J］.電氣時(shí)代，2004（4）：80-82.

［5］ 李振智，唐周懷，龔興云，等.變頻器在潛油電泵井上的應(yīng)用［J］.鉆采工藝，2001（3）：54-56.