變頻調(diào)速技術(shù)在油田上的應(yīng)用

0 引言

目前，國內(nèi)油田為保證持續(xù)的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)，大量使用潛油電泵，這些潛油電泵絕大多數(shù)采用工頻全壓恒速運行方式，但這種方式存在以下缺點。

1)工頻全壓啟動時，對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，電機(jī)沖擊電流大、沖擊扭矩大，造成電機(jī)、電纜的加速老化和電泵葉片、軸系的損壞。在采油過程中，由于液面經(jīng)常變化，需要經(jīng)常對電泵進(jìn)行啟停操作，降低了設(shè)備使用壽命，增加了維修費用。

2)潛油泵不能根據(jù)生產(chǎn)情況調(diào)整電泵的輸出功率，造成巨大的能源浪費，難以使電泵工作在最佳工況點上。

3)需要調(diào)整油井產(chǎn)量時，只能使用更換油嘴的方法，費力費時，而對供排關(guān)系變化較大的油井，靠更換油嘴也滿足不了生產(chǎn)需要，只能通過更換整套機(jī)組來完成，造成巨大的浪費。

4)因油井的深度，流量的大小不一致，使用的潛油電泵規(guī)格十分復(fù)雜，與之配套的變壓器、啟動設(shè)備規(guī)格繁多，增加了備件的儲備和維修的復(fù)雜性，加大了生產(chǎn)成本。

變頻調(diào)速技術(shù)通過改變電源頻率而改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。若通過改變電機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)潛油泵輸出功率，則可以保證潛油電泵始終運行在高效區(qū)，從而可以大幅節(jié)約能源。本文提出一種基于變頻調(diào)速技術(shù)的潛油電泵控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)充分發(fā)揮了變頻調(diào)速技術(shù)的優(yōu)勢，使得潛油泵系統(tǒng)得到有效的控制，保證了潛油電機(jī)高效穩(wěn)定的運行，節(jié)約了能源，具有很高的經(jīng)濟(jì)意義和應(yīng)用價值。

1 潛油電泵的工作特性

潛油電泵是一種多級離心泵，其工作特性隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化：

1)離心泵的排量與泵的轉(zhuǎn)速成正比;

2)離心泵的壓力與泵的轉(zhuǎn)速平方成正比;

3)離心泵的功率與泵的轉(zhuǎn)速的三次方成正比。

由于潛油電泵的轉(zhuǎn)速與供電頻率相關(guān)，以上可以用轉(zhuǎn)速和頻率表示，即

2 中壓變頻調(diào)速系統(tǒng)

2.1 變頻調(diào)速系統(tǒng)的工作原理

變頻器的基本結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示，主要由整流器，濾波器，逆變器和控制電路幾部分組成。三相電源所發(fā)出的交流電經(jīng)整流器變?yōu)橹绷?，再?jīng)過逆變器變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電輸入潛油泵的電機(jī)。由電機(jī)學(xué)的理論可知，異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速基本上與電源頻率成正比，即改變電源頻率就可以改變轉(zhuǎn)速，潛油泵從高速到低速調(diào)節(jié)時均保持高效的性能。

2.2 潛油泵及電機(jī)的技術(shù)參數(shù)

大港南部油田采油六工區(qū)小13-19井設(shè)備參數(shù)如表1所列。

2.3 變頻系統(tǒng)容量的選擇

變頻器的容量選擇與電動機(jī)容量密切相關(guān)，由于變頻器輸出給電動機(jī)的是脈動電流，其脈動值比工頻供電時要大，因此必須將變頻器的容量留有適當(dāng)?shù)挠嗔?。變頻器容量選擇太小，則電動機(jī)潛力就不能充分發(fā)揮;變頻器容量選擇太大，變頻器的余量就顯得沒有意義，且增加了不必要的成本，因此實際工程應(yīng)用的經(jīng)驗通常是變頻器的額定輸出電流逸(1.05~1.1)電動機(jī)的額定電流(銘牌值)或電動機(jī)實際運行中的最大電流。本應(yīng)用中電機(jī)的額定電流是39.5 A，有

通過變頻器的輸出電流及功率的計算，采用天津華云自控股份有限公司的HYVERT-MV 型中壓變頻器，該變頻調(diào)速系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)為：

額定容量80 kVA;

額定輸出電流40 A;

額定輸出電壓1.315 kV;

輸入頻率50 依10% Hz;

輸出頻率范圍0.1耀150 Hz;

輸出頻率分辨率0.01 Hz;

輸入端功率因數(shù)(對于20%額定負(fù)載時)>0.95;

變頻系統(tǒng)效率>96%;

過載保護(hù)120%額定電流1 min，150%額定電流3 s，200%額定電流立即保護(hù);

加速、減速時間0.1-300 s可調(diào);

諧波控制輸入電流<4%，輸出電壓6%，輸出電流2%;

控制部分模擬量輸入輸出信號0耀20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號;

工控機(jī)與外部通訊接口RS485;

外殼防護(hù)等級逸IP20;

冷卻方式風(fēng)冷，運行環(huán)境溫度0耀40益。[!--empirenews.page--]

2.4 變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制方式

控制系統(tǒng)對潛油電機(jī)進(jìn)行速度控制的流程如圖2 所示，此閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)主要由PLC，PID控制調(diào)節(jié)器和傳感器等部分組成。其中PLC控制潛油電機(jī)的運行狀態(tài)和觸摸屏顯示的人機(jī)界面，對潛油泵的流量進(jìn)行整體控制;PID 調(diào)節(jié)器根據(jù)設(shè)定值和反饋值自動調(diào)整變頻器的頻率，控制變頻器對潛油泵進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，精確調(diào)整潛油泵的流量，提高了潛油電機(jī)的運行效率。

2.5 變頻調(diào)速系統(tǒng)的電路原理

變頻的總體方案為交-直-交其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，三相高壓工頻交流電經(jīng)高壓開關(guān)進(jìn)入高壓整流橋整流，將交流變?yōu)橹绷鞑⒔?jīng)過直流環(huán)節(jié)對電容器充電。直流電經(jīng)逆變橋逆變，將直流電變?yōu)殡妷骸㈩l率可調(diào)的交流電，經(jīng)濾波電抗器輸出至電動機(jī)。

1)整流單元由高壓二極管組成的三相全橋整流單元，將三相交流電變?yōu)橹绷麟?

2)直流環(huán)節(jié)單元由充電電阻、真空接觸器、兩組電容量相等的電容器組成;

3)逆變橋單元由IGBT組成的三相逆變橋三電平結(jié)構(gòu)，具有獨特的中點電位自動箝位功能，功率器件承受較低電壓，安全可靠，逆變器輸出電壓上升率(dv/dt)小，將直流電逆變?yōu)轭l率、電壓可調(diào)的三相交流電;

4)輸出單元由濾波電抗器、電容器(作為可選件)組成，將逆變橋單元輸出的三相交流電濾波后供給電機(jī);

5)控制系統(tǒng)單元由CPU 板、I/O 板、驅(qū)動板、接口板、操作鍵盤組成，控制各單元的協(xié)調(diào)運行，采集、顯示運行狀態(tài)和數(shù)據(jù)，設(shè)定、顯示系統(tǒng)的運行參數(shù);

6)旁路開關(guān)單元裝置設(shè)有工頻、變頻切換，需要工頻運行時，可以通過旁路開關(guān)實現(xiàn);

7)正弦濾波器單元采用LC 濾波，經(jīng)過長期的實際經(jīng)驗，通常深度在2 000 m 左右的油井選用2 mH 電抗器，PWM 載波頻率1 kHz，輸出電壓諧波含19%，額定工作最高頻率60 Hz。

3 應(yīng)用效果

小13-19 井安裝HYVERT-MV 型中壓變頻裝置前后節(jié)能效果對比測試數(shù)據(jù)如表2 所列。

4 結(jié)語

采用中壓變頻器組成的變頻調(diào)系統(tǒng)，滿足了潛油電泵在不同井況下的運行要求，實現(xiàn)了機(jī)組的軟啟軟停，有效地避免或降低了對電機(jī)、潛油泵的沖擊損壞，實現(xiàn)了在電網(wǎng)電壓一定的情況下，輸出電壓在一定范圍內(nèi)可調(diào)，有效地降低了運行能耗，提高了生產(chǎn)效率，延長了油田采油設(shè)備的使用壽命，減少了運行和維修費用，值得在油田推廣。