变频调速技术在油田上的应用

0 引言

目前，国内油田为保证持续的高产、稳产，大量使用潜油电泵，这些潜油电泵绝大多数采用工频全压恒速运行方式，但这种方式存在以下缺点。

1)工频全压启动时，对电网产生冲击，电机冲击电流大、冲击扭矩大，造成电机、电缆的加速老化和电泵叶片、轴系的损坏。在采油过程中，由于液面经常变化，需要经常对电泵进行启停操作，降低了设备使用寿命，增加了维修费用。

2)潜油泵不能根据生产情况调整电泵的输出功率，造成巨大的能源浪费，难以使电泵工作在最佳工况点上。

3)需要调整油井产量时，只能使用更换油嘴的方法，费力费时，而对供排关系变化较大的油井，靠更换油嘴也满足不了生产需要，只能通过更换整套机组来完成，造成巨大的浪费。

4)因油井的深度，流量的大小不一致，使用的潜油电泵规格十分复杂，与之配套的变压器、启动设备规格繁多，增加了备件的储备和维修的复杂性，加大了生产成本。

变频调速技术通过改变电源频率而改变电机转速。若通过改变电机转速来调节潜油泵输出功率，则可以保证潜油电泵始终运行在高效区，从而可以大幅节约能源。本文提出一种基于变频调速技术的潜油电泵控制系统。此系统充分发挥了变频调速技术的优势，使得潜油泵系统得到有效的控制，保证了潜油电机高效稳定的运行，节约了能源，具有很高的经济意义和应用价值。

1 潜油电泵的工作特性

潜油电泵是一种多级离心泵，其工作特性随着电机转速的变化而变化：

1)离心泵的排量与泵的转速成正比;

2)离心泵的压力与泵的转速平方成正比;

3)离心泵的功率与泵的转速的三次方成正比。

由于潜油电泵的转速与供电频率相关，以上可以用转速和频率表示，即

2 中压变频调速系统

2.1 变频调速系统的工作原理

变频器的基本结构图如图1 所示，主要由整流器，滤波器，逆变器和控制电路几部分组成。三相电源所发出的交流电经整流器变为直流，再经过逆变器变为频率可调的交流电输入潜油泵的电机。由电机学的理论可知，异步电动机的转速基本上与电源频率成正比，即改变电源频率就可以改变转速，潜油泵从高速到低速调节时均保持高效的性能。

2.2 潜油泵及电机的技术参数

大港南部油田采油六工区小13-19井设备参数如表1所列。

2.3 变频系统容量的选择

变频器的容量选择与电动机容量密切相关，由于变频器输出给电动机的是脉动电流，其脉动值比工频供电时要大，因此必须将变频器的容量留有适当的余量。变频器容量选择太小，则电动机潜力就不能充分发挥;变频器容量选择太大，变频器的余量就显得没有意义，且增加了不必要的成本，因此实际工程应用的经验通常是变频器的额定输出电流逸(1.05~1.1)电动机的额定电流(铭牌值)或电动机实际运行中的最大电流。本应用中电机的额定电流是39.5 A，有

通过变频器的输出电流及功率的计算，采用天津华云自控股份有限公司的HYVERT-MV 型中压变频器，该变频调速系统的主要技术参数为：

额定容量80 kVA;

额定输出电流40 A;

额定输出电压1.315 kV;

输入频率50 依10% Hz;

输出频率范围0.1耀150 Hz;

输出频率分辨率0.01 Hz;

输入端功率因数(对于20%额定负载时)>0.95;

变频系统效率>96%;

过载保护120%额定电流1 min，150%额定电流3 s，200%额定电流立即保护;

加速、减速时间0.1-300 s可调;

谐波控制输入电流<4%，输出电压6%，输出电流2%;

控制部分模拟量输入输出信号0耀20 mA标准信号;

工控机与外部通讯接口RS485;

外壳防护等级逸IP20;

冷却方式风冷，运行环境温度0耀40益。[!--empirenews.page--]

2.4 变频调速系统的控制方式

控制系统对潜油电机进行速度控制的流程如图2 所示，此闭环反馈控制系统主要由PLC，PID控制调节器和传感器等部分组成。其中PLC控制潜油电机的运行状态和触摸屏显示的人机界面，对潜油泵的流量进行整体控制;PID 调节器根据设定值和反馈值自动调整变频器的频率，控制变频器对潜油泵进行速度调节，精确调整潜油泵的流量，提高了潜油电机的运行效率。

2.5 变频调速系统的电路原理

变频的总体方案为交-直-交其结构图如图3所示，三相高压工频交流电经高压开关进入高压整流桥整流，将交流变为直流并经过直流环节对电容器充电。直流电经逆变桥逆变，将直流电变为电压、频率可调的交流电，经滤波电抗器输出至电动机。

1)整流单元由高压二极管组成的三相全桥整流单元，将三相交流电变为直流电;

2)直流环节单元由充电电阻、真空接触器、两组电容量相等的电容器组成;

3)逆变桥单元由IGBT组成的三相逆变桥三电平结构，具有独特的中点电位自动箝位功能，功率器件承受较低电压，安全可靠，逆变器输出电压上升率(dv/dt)小，将直流电逆变为频率、电压可调的三相交流电;

4)输出单元由滤波电抗器、电容器(作为可选件)组成，将逆变桥单元输出的三相交流电滤波后供给电机;

5)控制系统单元由CPU 板、I/O 板、驱动板、接口板、操作键盘组成，控制各单元的协调运行，采集、显示运行状态和数据，设定、显示系统的运行参数;

6)旁路开关单元装置设有工频、变频切换，需要工频运行时，可以通过旁路开关实现;

7)正弦滤波器单元采用LC 滤波，经过长期的实际经验，通常深度在2 000 m 左右的油井选用2 mH 电抗器，PWM 载波频率1 kHz，输出电压谐波含19%，额定工作最高频率60 Hz。

3 应用效果

小13-19 井安装HYVERT-MV 型中压变频装置前后节能效果对比测试数据如表2 所列。

4 结语

采用中压变频器组成的变频调系统，满足了潜油电泵在不同井况下的运行要求，实现了机组的软启软停，有效地避免或降低了对电机、潜油泵的冲击损坏，实现了在电网电压一定的情况下，输出电压在一定范围内可调，有效地降低了运行能耗，提高了生产效率，延长了油田采油设备的使用寿命，减少了运行和维修费用，值得在油田推广。