潜油电泵变频调速技术在油田生产中的应用

刘建国（大庆油田装备制造集团力神泵业）

潜油电泵变频调速技术在油田生产中的应用

刘建国（大庆油田装备制造集团力神泵业）

潜油电泵是油田广泛应用的机械采油设备，是井下工作的多级离心泵，其流量控制主要靠阀门调节，这会增加电动机的输入功率，浪费电能。本文从变频调速技术的原理出发，以某油田中压变频调速节能技术改造为例，讲述该项技术对油田增产、降耗、提高经济效益的重要意义。

潜油电泵；中压变频调速；油田节能技术

引言

油田开发进入中后期后，进入二次采油阶段，油井含水率越来越高。该类高含水油井应用潜油电泵采油目前已获业内认可，它不仅排液量大、操作简单、效率高而且占地面积小、易于管理，已逐渐成为世界各油田重要的采油设备。根据统计数据分析，我国各大油田潜油电泵的总装机数量逐年递增，目前已达6万台。我国各油田采用的潜油电泵电动机额定功率一般在37～75 kW之间，受油井井管直径限制，应尽量减小电缆截面，一般选用额定电压在660～2000 V间的三相异步电动机。我国的油井深度一般在1～3 km左右，且井底环境复杂，高温、高压、强腐蚀性，潜油电泵在这种环境下工作，采用传统的供电方式（工频、全压）会使整个系统频繁出现故障，增加运行成本。主要问题如下：①电动机直接启动时，瞬时电流过大，分布电感造成供电系统内反压上升过高，导致系统绝缘损伤，使井下电动机供电电缆故障多发。②由于油井从上到下分布多个油层，压力各异，如果采用工频运行，采油速度就得不到有效控制，因而无法保证采油质量；采出液含水量较高且泥沙较多时，还会造成电泵砂卡故障。③由于井下环境不确定性因素较多，因此潜油电泵在设计时，所留裕量偏大；当井下产液量无法达到泵的排量要求时，就会造成泵油压过高，导致泵的使用寿命大大缩短，增加泵的更换及维修概率[1]。④潜油电泵位于工艺系统的起始端，而其供电线路位于油田电网的末端，电压稳定性较差，增加潜油电泵故障率，减少其使用寿命。⑤潜油电泵是油田采油的主要设备之一，且能耗高、数量多。近年来，变频技术的出现，无论从降低潜油电泵故障率，还是出于工艺、节能的要求，都对油田生产带来革命性的变化。因此，针对潜油电泵的变频调速技术改造已是油田二次采油发展的趋势。

1 中压变频调速驱动技术的工作原理

潜油电泵是一种较新的井下采油设备，均为多级离心泵。由于油井井深较大（一般介于1000～5000 m内），潜油电泵电动机采用中压驱动，电压范围一般在660 V级或1000 V级，其目的是降低输电线路的压降。如果采用工频，则输电线路压降过大，不仅电能损失较大，而且会导致电动机效率降低，甚至无法正常工作；如果在中压基础上提高输电电压，则会使电泵电动机及供电线路的绝缘故障率大幅增加，维修、维护成本成倍提高，同时可靠性快速下降。因此，目前我国各大油田潜油电泵供电线路电压一般是1140 V级或660 V级，电泵的供电电压随着泵挂深度的增加而增加。一般来说，当油井泵挂深度h＜1000 m时，潜油电泵采用660 V级；当油井泵挂深度1000 m≤h≤2000 m时，潜油电泵采用1140 V级；当油井深度超过2000 m时，少量深井可采用2300 V级潜油电泵。将中压变频控制系统置于潜油电泵电控箱中，应用二极管钳位三电平变频控制调速技术[2]，其系统原理如图1所示。

图1 三电平变频控制系统原理

三电平变频调速控制系统由控制监测、频率生成、电压波形数据存储和变换输出4个主要部分组成，每个部分有不同的功能[3]。核心单片机是控制监测部分主要组成；频率生成部分由定时器、计数器和锁相环节共同构成；电压波形数据存储部分主要由地址锁存、随机存储器（ROM）和数据分配环节组成[4]。其工作原理为：根据系统实际运行过程中，单片机在特定的程序控制下，经过精确计算，可获得当前最优的电压和频率参数（由U/f决定），并实时给定数据ROM页地址和定时器定值[5]。ROM中数据受定时器输出频率控制，按一定顺序依次输出，以这种方式来控制各个绝缘栅双级型晶体管(IGBT)开关，实现电平输出受控的目的。同时，传感器反馈回大量信号诸如电流、电压和负载变化等，这些信号由单片机通过对各前向通道采样接收而获得，以确保对系统诸如故障诊断和处理等运行状态进行实时监测，对运行方式进行实时控制，达到闭环控制的目的。

通过以上对三电平技术原理的分析，该技术比较适用于中压变频器中。三电平与二电平相似，输出的电压波形均为矩形脉冲，但波幅却有较大差异，三电平是二电平幅值的一半，有效降低dv/dt值，从而降低了绝缘故障率及谐波等问题。三电平变频调速技术的应用，使得变频器输出波形比二电平更接近于正弦波，对实际生产中常见的辐射干扰、传导干扰、电动机轴承在轴电压作用下引起的腐蚀，以及器件换流造成的绝缘损伤等一系列问题均能彻底解决，同时能有效地降低电动机的噪音及减小漏电流。当然，三电平变频调速技术也有一定的缺点，如：点电压浮动问题；系统比二电平变频器略微复杂；逆变元件的换流尚须由钳位二极管保证。但这些缺点对中压变频器在实际应用中的影响不大，且增加的元件对变频器价格构不成限制。

2 中压变频调速驱动技术的特点

1）为消除变频器启动时冲击电流造成的损害，实现平滑启动，中压变频器中增加了软启动功能。可将电动机启动电流限制在额定电流的1.5倍之内，而电动机在启动过程中转速与频率变化接近同步状态，出现的冲击电流和反电势都较小[6]，甚至可忽略，因此，绝缘层受到冲击而损坏的概率大幅降低。潜油电泵增加变频系统后，可实现潜油电泵的平滑启动与停车，有效延长电泵电动机及供电线路的寿命。

2）潜油电泵变频改造后，可有效提高系统的功率因数，尤其是在低荷载状态下，可大幅降低无功功率，提高电网的供电能力，可节约电能25%～60%，效果显著。

3）潜油电泵变频改造后可防止电泵长期在高压下运行，可根据实际调节频率，达到调节油压、控制出油量的目的，使油井在最佳状态下工作。

4）变频系统是由微电脑智能控制，可以自动调整变频器的恒转矩输出区域，来适应泵的负载特性；亦可根据井内采集回的压力、温度等各项数据，组成闭环系统，进一步提高自动化程度。采用变频调速后，对于产液量大的油井，可通过提高电源频率调高转速，达到增产目的；对于产液量低的油井，适当降低电源频率调低转速，可以有效降低停井次数，保证油井生产不间断，实现节能目的。对含砂量较大的油井，可以有效减少沙卡次数，变频器可控制电动机正反转，因此可实现反转排砂，可增加潜油电泵的使用寿命；对于含气量较大的油井，经常会由于油气分离较差出现气锁现象，实际生产中可通过变频提高电泵转速加以解决，并提高产油率；对于含蜡较多的油井，变频提速后，可减小井壁结腊、结垢速度，从而降低停井解堵次数；对于稠油井可采取调低转速、增大功率的方法以减少停井次数来达到节能目的。

5）由于变频调速后大幅减少了电动机高速运转时间，因而有效地减少系统内部运动零部件的磨损，同时减少电动机及泵体的发热量，延长了维修周期，降低了维修、维护成本，增加了潜油电泵的使用寿命。自动调整运行参数，保证整个系统在最佳工况下运行，不仅降低系统故障率同时还大大提高工作效率。根据大庆油田采油一厂某矿的统计数据，中压变频调速控制技术应用于潜油电泵采油，使潜油电泵的平均维修周期由原来的4至7个月，延长至1年以上，提高了潜油电泵油井的采收率，节约大量的生产维修成本。

表1 38口潜油电泵井节能技术改造前后统计数据对比

6）变频器的控制系统具有欠载保护功能，可有效提高潜油电泵系统的工作寿命；同时，由于三电平变频器输出的电压波形接近于正弦，大大减小网侧谐波的发生率，因此可以集中使用多台，而油田供电电网不受影响[7]。

7）中压变频器采用二极管钳位三电平变频控制调速技术，其核心器件采用1700 V IGBT。该器件经过多年现场应用，相对同类产品，性价比高。这种拓扑结构在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。

3 采油一厂某矿中压变频调速驱动技术的节能改造

3.1 潜油电泵井节能改造前现状

在节能改造前，某矿共有潜油电泵油井38口，约占该矿总油井数的1.2%。潜油电泵在油井内的平均泵挂深度为1020 m，通过跟踪调查获得该类油井能耗的数据为：有功功率平均是43.35 kW，单井平均日有功耗电1056 kWh，折合每小时耗电量是43.9 kWh。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[8]。

3.2 潜油电泵井节能改造情况

2011年3月至2012年3月，采油一厂先后对某矿的38台潜油电泵实施变频节能技术改造，技术改造效果良好，获得生产部门的认可；并在每口油井上现场记录电能表计量数据，进行仪器数据测试和对比分析。节能技术改造前后数据统计结果如表1所示。

3.3 变频器谐波信号的处理

三电平变频调速控制系统在本次节能改造中应用于中压变频器，与二电平变频器相比，尽管其输出的电压波形更接近于正弦，大大减少了网侧谐波的出现频率，但这些少量的谐波信号还是在一定程度上影响了油田电网的供电质量；因此，在本次针对潜油电泵进行的变频节能改造中，解决谐波问题成为项目技术攻关中的重点，如：将抵制谐波的电路装置分别加装在潜油电泵电控柜中中压变频器的输入端和输出端，该装置能有效防止谐波信号超标，以减少电动机有功功率损耗，实现节能降耗的目的。

3.4 节能改造前后测试数据分析

根据表1的统计数据，该矿的38口潜油电泵井在节能改造前系统平均效率为82.01%，经过加装中压变频节能装置，油井系统效率提高至平均93.02%，改造后比改造前效率提高了11.01%，效率相对值同比提高13.43%。潜油电泵的平均检泵周期从改造前的169 d增加到改造后的510 d，共计延长341 d，检泵周期相对值同比提高202%。单井无功功率出现大幅下降，改造前为45.39 kvar，改造后为11.42 kvar，共计下降33.97 kvar，其相对值同比下降74.84%。测试平均功率因数改造前为0.67，改造后提高至0.94，其相对值同比增加40.29%。单井日平均电量由改造前的1056 kWh下降到改造后的720 kWh，耗电量减少336 kWh。在油井平均日产液量基本保持平衡（变动幅度不大）的情况下，改造后测试平均有功功率从43.35 kW变为27.99 kW，共计减少15.36 kW，其相对值同比下降35.43%。测试吨液平均耗电量从改造前的8.55 kWh降至5.68 kWh，减少了2.87 kWh，其相对值同比下降40.29%[9]。

4 结论

通过对大庆油田采油一厂某矿的潜油电泵采油数据分析，中压变频调速技术应用于潜油电泵采油，不仅有效降低了吨液平均耗电量，获得了显著的经济效益，而且原油的质量和产量也都得到大幅提升；同时该项技术的应用，大大减少生产维修及管理成本，也促进了相关产业的发展，具有广阔的应用前景。

参考文献：

[1]朱益飞.变频调速技术在油田潜油电泵中的应用[J].电力需求侧管理，2011，13（1）：23-25.

[2]尚立光.变频调速技术在油田输油泵电动机上的应用[J].中国设备工程，2011（8）：33-35.

[3]郑卫东.变频调速技术在泵类设备运转中的应用[J].数字技术与应用，2011（6）：41-43.

[4]李亚峰，欧文盛.ARM嵌入式Linux系统开发从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2007：43-45.

[5]颜庭柏.基于ARM_Linux的嵌入式数据采集和发布系统[D].南京：南京信息工程大学，2007：27-36.

[6]LEHRBAUM R.Using Linux in Embeded and Real-time Systems[J].Linux Journal，2000（6）：23-25.

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[8]林海都.潜油电泵井下监测系统[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008：29-34.

[9]范希雷.国外潜油电泵井下传感器技术发展与应用[J].城市建设与商业网点，2009（12）：259-261.

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.06.008

2017-02-16

（编辑 李发荣）

刘建国，2004年毕业于佳木斯大学（电气工程），从事潜油电泵现场应用工作，本科学历，E-mail：450665710@qq.com，地址：黑龙江省大庆市龙凤区龙凤大街石化职工医院（一部）检验科，163311。