变频调速技术在油田潜油电泵中的应用.pdf

锄 张恒钰 董玉忠 胜利油田孤东采油厂 山东省东营市2 5 7 2 3 7 癌 固 窀 国瘪周 田 一 种 诸 多问 阐 述 了 了胜利 油田孤 东采油厂潜油 电泵节能技 术改造前的现状、 电潜泵 井节能改造情况 以及变频 器谐波信号的处理 ， 分析 了潜油 电泵的变频 节能改造效果。实践证明 ， 大力研 究与推广应 用油田潜油电泵 中压变频调速技 术 ， 对提 高油田采油质量 和产量 ， 减 少现场 维护 费用， 降低原油开采成本 ， 节约能源 以及提高油田综合经济效益 ， 具有十分重要的意义。 关键词 ： 变频 ； 潜油电泵； 应用； 节能 l 前言 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。潜油电泵是油 田一种重要的采油设备之一 ， 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 x l 台以上 。现在普遍使用的潜油 电泵电 机额定功率为 3 7 7 5 k w， 由于油井管径较小 ， 为了减 小电线截 面 ， 所 以普遍采 用额定 电压 为 6 6 0 2 0 0 0 v 的三相异步电机。由于电潜泵在地下 l 3 k m的井底 工作 ， 环境非常恶劣( 高温 、 强腐蚀等) ， 传统供电方式 一 全压 、 工频使它故障频繁 ， 运行成本大增 ， 主要存在 以下几个问题 ： 一是 由于电机直接起 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 系统多部分绝缘损伤 ， 造成电机潜油 电缆故障频繁 ； 二 是由于井下压力不 同， 油层深浅不 同， 采用 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 ； i是由于电泵 设计余量 又往往偏大 ， 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 概率增加 ； 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 1 3 耗 电量超过 2 0 0 0 k w h 。为解决上述 问题 ， 在调查研究 的基础上 ， 认为潜 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 ， 都大有益处 。因此 ， 提 出了变频调 速技术在油田潜油电泵巾的应用这一重要研究课题。 豳 2 0 l o -,r - g 5 期1 0 l 出 版 2 中压变频调速驱动技术的工作原理 潜油电泵是油井井下 作的多级离心泵 ， 是一种 较新 的机械采油设备之一。由于油井较深 ， 为降低线 路电压降 ， 故其拖动电机没有采用普通工频而一般设 计为6 6 0 v级或 1 0 0 0 v级。该电压属 中压范畴， 不高 也不低 。若降低 电压 ， 则线路 电压降太大 ， 电机低效 无法正常工作。若提高电压 ， 线路 电压降虽小 ， 但供 电线路 电缆及 电机的绝缘问题突出， 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 3 中 5 0 的是 6 6 0 v级或 1 1 4 0 v潜油 电泵 。对于泵挂 深度少 于 1 0 0 0 m的油井多采用 6 6 0 v级的潜油电泵 ； 对于泵 挂深度 1 0 0 0 m至 2 0 0 0 m之间的油井多采用 1 1 4 0 v级 的潜油电泵。随着油井深度 的增加 ， 少量深井开始使 用上至 2 3 0 0 v的潜油电泵。 潜油 电泵配电控制箱选用的中压变频器采用二 极管箝位j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 、 电压波型数据 存储部分和变换输 出部分。控制监测部分核心单 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 ； 电压波型数据存储部分主要由r o m、 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 r o m页地址 ， 以定时器的输 出频率 为节 拍 ， 按顺 序逐 个送 出 r o m 中数 据去控 制 每个 i g b t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( 包括电流 、 电 压 和负载变化 ) 反馈 回的信号 ， 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。 该技术与二电平相比较， 其输出的电压波形虽然 仍 为矩形脉冲所组成 ， 但其脉 冲幅值却降低 1 倍 ， 较 2 01 0善薯5 1 0 援 6 0 hz 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 了器 件换流对 电机绝缘造成的冲击导致 的绝流损伤 、 轴电 压对 电机轴承的腐蚀 以及传导干扰 、 辐射干扰等诸多 问题 ， 降低漏 电流及电机噪音 。其缺点是逆变元件的 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。 3 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， 启动时电机电流可限制在其额定 电 流的 1 5 0 之内。在启动过程中 ， 电机转速 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。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， 提高电网供电能力， 具有明显的节 电效果 ， 节电率高达2 0 6 0 。 ( 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 ) 减少电机发热及运动部件的磨损程度 ， 有效 延长电机使用寿命 ， 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 - 6 个月， 延长到 1 - 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 ， 大大提高了作 油泵 和电机工作 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两电平变频器更接近于 正弦， 网侧谐波大减 ， 故此可以多台集 中使用 ， 而对电 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 7 0 0 v i g b t ， 其器件 比较成熟 ， 价格低廉 ， 性能 价格比最高， 这种拓扑结构在这种中压电压之下是最 优选择方案。因此 ， 该控制系统性能稳定 ， 运行可靠 ， 故障率低 。 ( 8 ) 经济效益 明显 。大面积推广 电潜泵变频技术 改造 ， 将带来 良好的经济和社会效益。 4 中压变频调速驱动技术的节能改造 4 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 3 3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 9 2 0 m。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4 2 2 5 k w， 单井 电能表计量平均 日有功 电耗为 1 0 2 9 k w h d ， 平均单 井每小 时耗 电4 2 8 8 k w h 。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。 4 2 电潜泵井节能改造情况 从 2 0 0 5 年开始 ， 先后 对胜利油 田孤东采油厂的 3 3 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 所示 。 表 1 3 3口电潜泵油井节能技术改造前后统计数据对比 i 4 2 0 1 0 年 第 5 期1 0月 出版 4 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 的电压波形相较两电平变频器更接近 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， 在降低变频器 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抑制电路装置 ， 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 。 4 4 节能改造前后测试数据分析 从表 1 中可以看 出， 3 3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 8 1 9 9 提 高 到 改 造 后 的 9 2 5 3 ， 提 高 了 1 0 5 4 ， 其相对值提高了 1 2 8 6 。油井平 均检泵周 期 由原来 的 1 7 1 d 增加到 目前的5 1 1 d ， 增加 了3 4 0 d ， 其相对值提高了 1 9 9 。改造后单井无功功率下降了 3 3 9 9 k w， 其相对值下降了7 4 8 ， 油井平均功率因数 由原来 0 6 8 提高到 目前的0 9 3 ， 单井 日平均电量由原 来 的 1 0 2 9 k w h 下降到 目前的7 1 7 k w h ， 下降 了3 1 2 k w h 。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 2 8 9 1 k w， 吨液耗 电 仅 为 5 6 4 k w h ， 比改造前 分别 下降 了 1 3 3 4 k w 和 2 8 8 k w h ， 其 相对值 分别下 降 了 3 1 5 7 和 3 6 8 。 抽油泵充满系数提高 ， 平均产液量基本持平 。 5 结束语 油 田潜油电泵实施 中压变频调速技术节能技术 改造 ， 具有显著的节能降耗 和经济效益 。实践证 明， 大力研究与推广应用油田潜油电泵 中压变频调速技 术 ， 对提高油 田采油质量和产量 ， 减少现场维护费用 降低原油开采成本， 节约能源以及提高油田综合经济 效益 ， 促进和推广相关产业 的发展 ， 具有十分重要的 意 义。 参考文献 1 朱益飞 ， 张士杰 ， 何 卫兵 变频调速控制技术在油 田螺杆泵井上的应 用 j 变频技术应用 ， 2 0 1 0 ( 2 ) ： 9 5 1 1 3 2 朱益飞油 田变频调速技术在油田的应用分析 j 变频技术应用 2 0 1 0 ( 3) ： 8 5 8 9 3 朱益 飞 油井