變頻調(diào)速技術在油田潛油電泵中的應用

1、 朱益飛/高級工程師關鍵詞/Keywords變頻·潛油電泵·節(jié)能·電氣節(jié)能|Energy Conversation ·石化電氣·2011年第30卷第11期變頻調(diào)速技術在油田潛油電泵中的應用針對潛油電泵過去使用中存在的諸多問題,提出了采用中壓變頻調(diào)速技術的應用解決方案,介紹了中壓變頻調(diào)速驅動技術的工作原理、性能特點,介紹了勝利油田孤東采油廠潛油電泵節(jié)能技術改造前的狀況、電潛泵井節(jié)能改造情況,分析了潛油電泵的變頻節(jié)能改造效果。朱益飛1淳永忠2張恒鈺1董玉忠1/1.勝利油田孤東采油廠 2.勝利油田河口采油廠油田潛油電泵采油技術屬于二次采油技術,它具有

2、采油作業(yè)面占地小、施工操作簡單、排液量大和采油效率高等優(yōu)點,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備之一,廣泛應用于國內(nèi)外各油田。據(jù)統(tǒng)計,全國各油田總裝機數(shù)量在5萬臺以上?，F(xiàn)在普遍使用的潛油電泵電動機額定功率為37 75kW ,由于油井管徑較小,為了減小電線截面積,所以普遍采用額定電壓為660 2000V 的三相異步電動機。由于電潛泵在地下1 3km 的井底工作,環(huán)境非常惡劣(高溫、強腐蝕等,傳統(tǒng)供電方式全壓、工頻使其故障頻繁,運行成本大增,主要存在以下幾個問題:1由于電動機直接起動,上電起動時沖擊電流大,分布電感使系統(tǒng)內(nèi)反壓過高,經(jīng)常造成系統(tǒng)多部分絕緣損傷,造成電動機潛

3、油電纜故障頻繁。2由于井下壓力不同,油層深淺不同,采用工頻運行方式時,不能有效控制采油速度,使得采油質(zhì)量難以控制,有時采油含水量過大,甚至有時伴隨將泥砂抽出的現(xiàn)象,造成電泵砂卡損壞故障。3由于電泵設計裕量往往偏大,尤其是井下液量不足時,泵產(chǎn)生的油壓過高,故會縮短泵的使用壽命,其維修及更換幾率增加。4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。5油田潛油電泵是油田生產(chǎn)的主要高能耗設備之一,平均單井日耗電量超過2000kW ·h 。為解決上述問題,在調(diào)查研究的基礎上,本文認為潛油電泵作為油田深井抽油機的動力,無論出自于工藝的要求,還是節(jié)電的需要,使用變頻調(diào)速技術驅動,

4、都將大有益處。因此,提出了變頻調(diào)速技術在油田潛油電泵中的應用這一重要研究課題。中壓變頻調(diào)速驅動技術的工作原理潛油電泵是油井井下工作的多級離心泵,是一種較新的機械采油設備之一。由于油井較深,為降低線路壓降,故其拖動電動機沒有采用工頻而一般設計為660V 級或1000V 級。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,電動機低效無法正常工作。若提高電壓,線路壓降雖小,但供電線路電纜及電動機的絕緣問題突出,故障率高,維護困難,可靠性下降。因此,目前國內(nèi)大部分油田采用的是660V 級或1140V 級潛油電泵。對于泵掛深度少于1000m 的油井多采用660V 級的潛油電泵;對于泵掛深度10

5、00 2000m 之間的油井多采用1140V 級的潛油電泵。隨著油井深度的增加,少量深井開始使用至2300V 級的潛油電泵。潛油電泵配電控制箱選用的中壓變頻器采用二極管鉗位三電平變頻控制調(diào)速技變頻調(diào)速技術在油田潛油電泵中的應用Energy Conversation|電氣節(jié)能 www .eage .com .cn2011年6月上·石化電氣·55術,其系統(tǒng)簡圖如圖所示。圖三電平變頻控制系統(tǒng)簡圖三電平變頻調(diào)速控制系統(tǒng)按功能分為四個主要部分,即控制監(jiān)測部分、頻率生成部分、電壓波形數(shù)據(jù)存儲部分和變換輸出部分?？刂票O(jiān)測部分由核心單片機構成;頻率生成部分主要由定時器、計數(shù)器和鎖相環(huán)節(jié)組成

6、;電壓波形數(shù)據(jù)存儲部分主要由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)實際運行情況,由單片機計算出當前最優(yōu)的頻率和電壓參數(shù)(由U /f 決定,實時地給定定時器定值和數(shù)據(jù)ROM 頁地址,以定時器的輸出頻率為節(jié)拍,按順序逐個送出ROM 中數(shù)據(jù)去控制每個IG-BT 開關,達到控制輸出電平的目的。同時,單片機通過對各前向通道采樣接收從傳感器反饋回的信號(包括電流、電壓和負載變化,實時地對系統(tǒng)的運行方式進行控制和對運行狀態(tài)進行監(jiān)測(主要是故障的診斷和處理,做到閉環(huán)控制。三電平變頻調(diào)速技術適合在不太高的中壓變頻器中采用。它與二電平相比較,其輸出的電壓波形雖然仍為矩形脈沖所組

7、成,但其脈沖幅值卻降低一倍,較好地解決了高d v /d t 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,徹底解決了由器件換流對電動機絕緣造成沖擊所導致的絕流損傷、軸電壓對電動機軸承的腐蝕以及傳導干擾和輻射干擾等諸多問題,降低漏電流及電動機噪聲。其缺點已基本克服,不足的是逆變元件的換流尚需由鉗位二極管來保證,盡管其中點電壓浮動也是問題之一,系統(tǒng)也變得稍加復雜,但在幾十千瓦的變頻器中,該不足之處并不構成價格限制因素。中壓變頻調(diào)速驅動技術的特點1變頻器具備軟起動功能,平滑起動,消除起動時的沖擊電流,起動時電動機電流可限制在其額定電流的150%之內(nèi)。在起動過程中,電動機轉速隨著頻率變化而

8、接近同步狀態(tài)升速,故反電勢及沖擊電流很小,絕緣易受破壞的問題出現(xiàn)幾率較低。對電潛泵井進行變頻改造后,實現(xiàn)了電潛泵的軟起動、軟停車,有效保護了電潛泵與電纜。2節(jié)能效果明顯,節(jié)電率高達20% 60%。無論重載或輕載,系統(tǒng)的功率因數(shù)均較高,尤其在小負載狀態(tài),無功功率大大減小,提高功率因數(shù),提高電網(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期運行?？砂从途斍盃顩r調(diào)節(jié)出油量,使油井工作在最佳狀態(tài)。4微型計算機智能控制,自動適應,自動跟隨,無需人工調(diào)整,亦可組成壓力、溫度閉環(huán)系統(tǒng),提高自動化程度及實現(xiàn)最佳控制。采用變頻調(diào)速后,對于富油油井可以增產(chǎn);對于貧油油井可以

9、做到連續(xù)生產(chǎn)且減少停井次數(shù)并達到節(jié)能的目的;對含砂油井,可以減少卡泵次數(shù),并可反轉排砂,延長電泵壽命;對于含氣油井,可提高轉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;對于含蠟油井,可減少結蠟、結垢而降低管路堵塞次數(shù);對于稠油油井,可低速大功率運行,減少停井次數(shù)并獲得可觀的節(jié)能效果。5減少電動機發(fā)熱及運動部件的磨損程度,有效延長電動機使用壽命,降低維修成本?？裳娱L電潛泵壽命,節(jié)約油井維修、維護費用,使電泵機組在最佳工況下運行,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,使電潛泵的平均維修周期由原來的3 6個月,延長到1 2年,大大地

10、提高了油井的采油時率,節(jié)省了大量的維修費用。6控制系統(tǒng)具有欠載保護功能,大大提高了油泵和電動機工作壽命,比較適合油田生產(chǎn)使用。同時,由于輸出的電壓波形相較兩電平變頻器更接近于正弦,網(wǎng)側諧波大減,因此可以多臺集中使用,而對電網(wǎng)不產(chǎn)生影響。7變頻器運行穩(wěn)定可靠。選用的中壓變頻器采用二極管鉗位三電平變頻控制調(diào)速技術,其核心器件采用1700V IGBT ,器件比較成熟,價 電氣節(jié)能|Energy Conversation·石化電氣·2011年第30卷第11期格低廉,性能價格比最高,這種拓撲結構在這種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。8經(jīng)濟效益

11、明顯。大面積推廣電潛泵變頻技術改造,將帶來良好的經(jīng)濟和社會效益。中壓變頻調(diào)速驅動技術的節(jié)能改造(1電潛泵井節(jié)能改造前狀況項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數(shù)的1.3%。電潛泵油井平均泵掛深度為920m 。通過對該類油井能耗現(xiàn)狀的跟蹤調(diào)查測試,平均有功功率為42.25kW ,單井電能表計量平均日有功電耗為1029kW ·h /d ,平均單井每小時耗電42.88kW ·h 。油井電參數(shù)動態(tài)平衡測試儀與現(xiàn)場電能表計量結果基本吻合。(2電潛泵井節(jié)能改造情況從2005年開始,我們先后對勝利油田孤東采油廠的33臺電潛泵實施變頻節(jié)能技術改造,已取得良好

12、的技術改造效果。在現(xiàn)場進行了每口油井節(jié)能技術改造前后儀器測試數(shù)據(jù)和井口電能表計量統(tǒng)計數(shù)據(jù)對比,節(jié)能技術改造結果如表所示。表33口電潛泵油井節(jié)能技術改造前后對比統(tǒng)計數(shù)據(jù)項目電能表日平均電量/(kW ·h /d 測試平均有功功率/31.57%74.8%36.8%3.4%33.8%12.86%199%(3節(jié)能改造前后測試數(shù)據(jù)分析降了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。結束語綜合以上分析,油田潛油電泵實施中壓變頻調(diào)速技術節(jié)能改造具有顯著的節(jié)能降耗和經(jīng)濟效益。實踐證明,大力研究與推廣應用油田潛油電泵中壓變頻調(diào)速技術,對提高提高油田采油質(zhì)量和產(chǎn)量,減少現(xiàn)場維護費用降低原油開采成本,節(jié)約能源以及提高油田綜合經(jīng)濟效益,促進和推廣相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,具有十分重要的意義。參考文獻1朱益飛,張士杰,何衛(wèi)兵變頻調(diào)速控