劉建國（大慶油田裝備制造集團力神泵業(yè)）

潛油電泵變頻調速技術在油田生產中的應用

劉建國（大慶油田裝備制造集團力神泵業(yè)）

潛油電泵是油田廣泛應用的機械采油設備，是井下工作的多級離心泵，其流量控制主要靠閥門調節(jié)，這會增加電動機的輸入功率，浪費電能。本文從變頻調速技術的原理出發(fā)，以某油田中壓變頻調速節(jié)能技術改造為例，講述該項技術對油田增產、降耗、提高經濟效益的重要意義。

潛油電泵；中壓變頻調速；油田節(jié)能技術

引言

油田開發(fā)進入中后期后，進入二次采油階段，油井含水率越來越高。該類高含水油井應用潛油電泵采油目前已獲業(yè)內認可，它不僅排液量大、操作簡單、效率高而且占地面積小、易于管理，已逐漸成為世界各油田重要的采油設備。根據統(tǒng)計數據分析，我國各大油田潛油電泵的總裝機數量逐年遞增，目前已達6萬臺。我國各油田采用的潛油電泵電動機額定功率一般在37～75 kW之間，受油井井管直徑限制，應盡量減小電纜截面，一般選用額定電壓在660～2000 V間的三相異步電動機。我國的油井深度一般在1～3 km左右，且井底環(huán)境復雜，高溫、高壓、強腐蝕性，潛油電泵在這種環(huán)境下工作，采用傳統(tǒng)的供電方式（工頻、全壓）會使整個系統(tǒng)頻繁出現(xiàn)故障，增加運行成本。主要問題如下：①電動機直接啟動時，瞬時電流過大，分布電感造成供電系統(tǒng)內反壓上升過高，導致系統(tǒng)絕緣損傷，使井下電動機供電電纜故障多發(fā)。②由于油井從上到下分布多個油層，壓力各異，如果采用工頻運行，采油速度就得不到有效控制，因而無法保證采油質量；采出液含水量較高且泥沙較多時，還會造成電泵砂卡故障。③由于井下環(huán)境不確定性因素較多，因此潛油電泵在設計時，所留裕量偏大；當井下產液量無法達到泵的排量要求時，就會造成泵油壓過高，導致泵的使用壽命大大縮短，增加泵的更換及維修概率[1]。④潛油電泵位于工藝系統(tǒng)的起始端，而其供電線路位于油田電網的末端，電壓穩(wěn)定性較差，增加潛油電泵故障率，減少其使用壽命。⑤潛油電泵是油田采油的主要設備之一，且能耗高、數量多。近年來，變頻技術的出現(xiàn)，無論從降低潛油電泵故障率，還是出于工藝、節(jié)能的要求，都對油田生產帶來革命性的變化。因此，針對潛油電泵的變頻調速技術改造已是油田二次采油發(fā)展的趨勢。

1 中壓變頻調速驅動技術的工作原理

潛油電泵是一種較新的井下采油設備，均為多級離心泵。由于油井井深較大（一般介于1000～5000 m內），潛油電泵電動機采用中壓驅動，電壓范圍一般在660 V級或1000 V級，其目的是降低輸電線路的壓降。如果采用工頻，則輸電線路壓降過大，不僅電能損失較大，而且會導致電動機效率降低，甚至無法正常工作；如果在中壓基礎上提高輸電電壓，則會使電泵電動機及供電線路的絕緣故障率大幅增加，維修、維護成本成倍提高，同時可靠性快速下降。因此，目前我國各大油田潛油電泵供電線路電壓一般是1140 V級或660 V級，電泵的供電電壓隨著泵掛深度的增加而增加。一般來說，當油井泵掛深度h＜1000 m時，潛油電泵采用660 V級；當油井泵掛深度1000 m≤h≤2000 m時，潛油電泵采用1140 V級；當油井深度超過2000 m時，少量深井可采用2300 V級潛油電泵。將中壓變頻控制系統(tǒng)置于潛油電泵電控箱中，應用二極管鉗位三電平變頻控制調速技術[2]，其系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 三電平變頻控制系統(tǒng)原理

三電平變頻調速控制系統(tǒng)由控制監(jiān)測、頻率生成、電壓波形數據存儲和變換輸出4個主要部分組成，每個部分有不同的功能[3]。核心單片機是控制監(jiān)測部分主要組成；頻率生成部分由定時器、計數器和鎖相環(huán)節(jié)共同構成；電壓波形數據存儲部分主要由地址鎖存、隨機存儲器（ROM）和數據分配環(huán)節(jié)組成[4]。其工作原理為：根據系統(tǒng)實際運行過程中，單片機在特定的程序控制下，經過精確計算，可獲得當前最優(yōu)的電壓和頻率參數（由U/f決定），并實時給定數據ROM頁地址和定時器定值[5]。ROM中數據受定時器輸出頻率控制，按一定順序依次輸出，以這種方式來控制各個絕緣柵雙級型晶體管(IGBT)開關，實現(xiàn)電平輸出受控的目的。同時，傳感器反饋回大量信號諸如電流、電壓和負載變化等，這些信號由單片機通過對各前向通道采樣接收而獲得，以確保對系統(tǒng)諸如故障診斷和處理等運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，對運行方式進行實時控制，達到閉環(huán)控制的目的。

通過以上對三電平技術原理的分析，該技術比較適用于中壓變頻器中。三電平與二電平相似，輸出的電壓波形均為矩形脈沖，但波幅卻有較大差異，三電平是二電平幅值的一半，有效降低dv/dt值，從而降低了絕緣故障率及諧波等問題。三電平變頻調速技術的應用，使得變頻器輸出波形比二電平更接近于正弦波，對實際生產中常見的輻射干擾、傳導干擾、電動機軸承在軸電壓作用下引起的腐蝕，以及器件換流造成的絕緣損傷等一系列問題均能徹底解決，同時能有效地降低電動機的噪音及減小漏電流。當然，三電平變頻調速技術也有一定的缺點，如：點電壓浮動問題；系統(tǒng)比二電平變頻器略微復雜；逆變元件的換流尚須由鉗位二極管保證。但這些缺點對中壓變頻器在實際應用中的影響不大，且增加的元件對變頻器價格構不成限制。

2 中壓變頻調速驅動技術的特點

1）為消除變頻器啟動時沖擊電流造成的損害，實現(xiàn)平滑啟動，中壓變頻器中增加了軟啟動功能?？蓪㈦妱訖C啟動電流限制在額定電流的1.5倍之內，而電動機在啟動過程中轉速與頻率變化接近同步狀態(tài)，出現(xiàn)的沖擊電流和反電勢都較小[6]，甚至可忽略，因此，絕緣層受到沖擊而損壞的概率大幅降低。潛油電泵增加變頻系統(tǒng)后，可實現(xiàn)潛油電泵的平滑啟動與停車，有效延長電泵電動機及供電線路的壽命。

2）潛油電泵變頻改造后，可有效提高系統(tǒng)的功率因數，尤其是在低荷載狀態(tài)下，可大幅降低無功功率，提高電網的供電能力，可節(jié)約電能25%～60%，效果顯著。

3）潛油電泵變頻改造后可防止電泵長期在高壓下運行，可根據實際調節(jié)頻率，達到調節(jié)油壓、控制出油量的目的，使油井在最佳狀態(tài)下工作。

4）變頻系統(tǒng)是由微電腦智能控制，可以自動調整變頻器的恒轉矩輸出區(qū)域，來適應泵的負載特性；亦可根據井內采集回的壓力、溫度等各項數據，組成閉環(huán)系統(tǒng)，進一步提高自動化程度。采用變頻調速后，對于產液量大的油井，可通過提高電源頻率調高轉速，達到增產目的；對于產液量低的油井，適當降低電源頻率調低轉速，可以有效降低停井次數，保證油井生產不間斷，實現(xiàn)節(jié)能目的。對含砂量較大的油井，可以有效減少沙卡次數，變頻器可控制電動機正反轉，因此可實現(xiàn)反轉排砂，可增加潛油電泵的使用壽命；對于含氣量較大的油井，經常會由于油氣分離較差出現(xiàn)氣鎖現(xiàn)象，實際生產中可通過變頻提高電泵轉速加以解決，并提高產油率；對于含蠟較多的油井，變頻提速后，可減小井壁結臘、結垢速度，從而降低停井解堵次數；對于稠油井可采取調低轉速、增大功率的方法以減少停井次數來達到節(jié)能目的。

5）由于變頻調速后大幅減少了電動機高速運轉時間，因而有效地減少系統(tǒng)內部運動零部件的磨損，同時減少電動機及泵體的發(fā)熱量，延長了維修周期，降低了維修、維護成本，增加了潛油電泵的使用壽命。自動調整運行參數，保證整個系統(tǒng)在最佳工況下運行，不僅降低系統(tǒng)故障率同時還大大提高工作效率。根據大慶油田采油一廠某礦的統(tǒng)計數據，中壓變頻調速控制技術應用于潛油電泵采油，使?jié)撚碗姳玫钠骄S修周期由原來的4至7個月，延長至1年以上，提高了潛油電泵油井的采收率，節(jié)約大量的生產維修成本。

表1 38口潛油電泵井節(jié)能技術改造前后統(tǒng)計數據對比

6）變頻器的控制系統(tǒng)具有欠載保護功能，可有效提高潛油電泵系統(tǒng)的工作壽命；同時，由于三電平變頻器輸出的電壓波形接近于正弦，大大減小網側諧波的發(fā)生率，因此可以集中使用多臺，而油田供電電網不受影響[7]。

7）中壓變頻器采用二極管鉗位三電平變頻控制調速技術，其核心器件采用1700 V IGBT。該器件經過多年現(xiàn)場應用，相對同類產品，性價比高。這種拓撲結構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，運行可靠，故障率低。

3 采油一廠某礦中壓變頻調速驅動技術的節(jié)能改造

3.1 潛油電泵井節(jié)能改造前現(xiàn)狀

在節(jié)能改造前，某礦共有潛油電泵油井38口，約占該礦總油井數的1.2%。潛油電泵在油井內的平均泵掛深度為1020 m，通過跟蹤調查獲得該類油井能耗的數據為：有功功率平均是43.35 kW，單井平均日有功耗電1056 kWh，折合每小時耗電量是43.9 kWh。油井電參數動態(tài)平衡測試儀與現(xiàn)場電能表計量結果基本吻合[8]。

3.2 潛油電泵井節(jié)能改造情況

2011年3月至2012年3月，采油一廠先后對某礦的38臺潛油電泵實施變頻節(jié)能技術改造，技術改造效果良好，獲得生產部門的認可；并在每口油井上現(xiàn)場記錄電能表計量數據，進行儀器數據測試和對比分析。節(jié)能技術改造前后數據統(tǒng)計結果如表1所示。

3.3 變頻器諧波信號的處理

三電平變頻調速控制系統(tǒng)在本次節(jié)能改造中應用于中壓變頻器，與二電平變頻器相比，盡管其輸出的電壓波形更接近于正弦，大大減少了網側諧波的出現(xiàn)頻率，但這些少量的諧波信號還是在一定程度上影響了油田電網的供電質量；因此，在本次針對潛油電泵進行的變頻節(jié)能改造中，解決諧波問題成為項目技術攻關中的重點，如：將抵制諧波的電路裝置分別加裝在潛油電泵電控柜中中壓變頻器的輸入端和輸出端，該裝置能有效防止諧波信號超標，以減少電動機有功功率損耗，實現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。

3.4 節(jié)能改造前后測試數據分析

根據表1的統(tǒng)計數據，該礦的38口潛油電泵井在節(jié)能改造前系統(tǒng)平均效率為82.01%，經過加裝中壓變頻節(jié)能裝置，油井系統(tǒng)效率提高至平均93.02%，改造后比改造前效率提高了11.01%，效率相對值同比提高13.43%。潛油電泵的平均檢泵周期從改造前的169 d增加到改造后的510 d，共計延長341 d，檢泵周期相對值同比提高202%。單井無功功率出現(xiàn)大幅下降，改造前為45.39 kvar，改造后為11.42 kvar，共計下降33.97 kvar，其相對值同比下降74.84%。測試平均功率因數改造前為0.67，改造后提高至0.94，其相對值同比增加40.29%。單井日平均電量由改造前的1056 kWh下降到改造后的720 kWh，耗電量減少336 kWh。在油井平均日產液量基本保持平衡（變動幅度不大）的情況下，改造后測試平均有功功率從43.35 kW變?yōu)?7.99 kW，共計減少15.36 kW，其相對值同比下降35.43%。測試噸液平均耗電量從改造前的8.55 kWh降至5.68 kWh，減少了2.87 kWh，其相對值同比下降40.29%[9]。

4 結論

通過對大慶油田采油一廠某礦的潛油電泵采油數據分析，中壓變頻調速技術應用于潛油電泵采油，不僅有效降低了噸液平均耗電量，獲得了顯著的經濟效益，而且原油的質量和產量也都得到大幅提升；同時該項技術的應用，大大減少生產維修及管理成本，也促進了相關產業(yè)的發(fā)展，具有廣闊的應用前景。

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10.3969/j.issn.2095-1493.2017.06.008

2017-02-16

（編輯 李發(fā)榮）

劉建國，2004年畢業(yè)于佳木斯大學（電氣工程），從事潛油電泵現(xiàn)場應用工作，本科學歷，E-mail：450665710@qq.com，地址：黑龍江省大慶市龍鳳區(qū)龍鳳大街石化職工醫(yī)院（一部）檢驗科，163311。