劉建國(guó)（大慶油田裝備制造集團(tuán)力神泵業(yè)）

潛油電泵變頻調(diào)速技術(shù)在油田生產(chǎn)中的應(yīng)用

劉建國(guó)（大慶油田裝備制造集團(tuán)力神泵業(yè)）

潛油電泵是油田廣泛應(yīng)用的機(jī)械采油設(shè)備，是井下工作的多級(jí)離心泵，其流量控制主要靠閥門調(diào)節(jié)，這會(huì)增加電動(dòng)機(jī)的輸入功率，浪費(fèi)電能。本文從變頻調(diào)速技術(shù)的原理出發(fā)，以某油田中壓變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)改造為例，講述該項(xiàng)技術(shù)對(duì)油田增產(chǎn)、降耗、提高經(jīng)濟(jì)效益的重要意義。

潛油電泵；中壓變頻調(diào)速；油田節(jié)能技術(shù)

引言

油田開發(fā)進(jìn)入中后期后，進(jìn)入二次采油階段，油井含水率越來越高。該類高含水油井應(yīng)用潛油電泵采油目前已獲業(yè)內(nèi)認(rèn)可，它不僅排液量大、操作簡(jiǎn)單、效率高而且占地面積小、易于管理，已逐漸成為世界各油田重要的采油設(shè)備。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，我國(guó)各大油田潛油電泵的總裝機(jī)數(shù)量逐年遞增，目前已達(dá)6萬臺(tái)。我國(guó)各油田采用的潛油電泵電動(dòng)機(jī)額定功率一般在37～75 kW之間，受油井井管直徑限制，應(yīng)盡量減小電纜截面，一般選用額定電壓在660～2000 V間的三相異步電動(dòng)機(jī)。我國(guó)的油井深度一般在1～3 km左右，且井底環(huán)境復(fù)雜，高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕性，潛油電泵在這種環(huán)境下工作，采用傳統(tǒng)的供電方式（工頻、全壓）會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)頻繁出現(xiàn)故障，增加運(yùn)行成本。主要問題如下：①電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)，瞬時(shí)電流過大，分布電感造成供電系統(tǒng)內(nèi)反壓上升過高，導(dǎo)致系統(tǒng)絕緣損傷，使井下電動(dòng)機(jī)供電電纜故障多發(fā)。②由于油井從上到下分布多個(gè)油層，壓力各異，如果采用工頻運(yùn)行，采油速度就得不到有效控制，因而無法保證采油質(zhì)量；采出液含水量較高且泥沙較多時(shí)，還會(huì)造成電泵砂卡故障。③由于井下環(huán)境不確定性因素較多，因此潛油電泵在設(shè)計(jì)時(shí)，所留裕量偏大；當(dāng)井下產(chǎn)液量無法達(dá)到泵的排量要求時(shí)，就會(huì)造成泵油壓過高，導(dǎo)致泵的使用壽命大大縮短，增加泵的更換及維修概率[1]。④潛油電泵位于工藝系統(tǒng)的起始端，而其供電線路位于油田電網(wǎng)的末端，電壓穩(wěn)定性較差，增加潛油電泵故障率，減少其使用壽命。⑤潛油電泵是油田采油的主要設(shè)備之一，且能耗高、數(shù)量多。近年來，變頻技術(shù)的出現(xiàn)，無論從降低潛油電泵故障率，還是出于工藝、節(jié)能的要求，都對(duì)油田生產(chǎn)帶來革命性的變化。因此，針對(duì)潛油電泵的變頻調(diào)速技術(shù)改造已是油田二次采油發(fā)展的趨勢(shì)。

1 中壓變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)技術(shù)的工作原理

潛油電泵是一種較新的井下采油設(shè)備，均為多級(jí)離心泵。由于油井井深較大（一般介于1000～5000 m內(nèi)），潛油電泵電動(dòng)機(jī)采用中壓驅(qū)動(dòng)，電壓范圍一般在660 V級(jí)或1000 V級(jí)，其目的是降低輸電線路的壓降。如果采用工頻，則輸電線路壓降過大，不僅電能損失較大，而且會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)效率降低，甚至無法正常工作；如果在中壓基礎(chǔ)上提高輸電電壓，則會(huì)使電泵電動(dòng)機(jī)及供電線路的絕緣故障率大幅增加，維修、維護(hù)成本成倍提高，同時(shí)可靠性快速下降。因此，目前我國(guó)各大油田潛油電泵供電線路電壓一般是1140 V級(jí)或660 V級(jí)，電泵的供電電壓隨著泵掛深度的增加而增加。一般來說，當(dāng)油井泵掛深度h＜1000 m時(shí)，潛油電泵采用660 V級(jí)；當(dāng)油井泵掛深度1000 m≤h≤2000 m時(shí)，潛油電泵采用1140 V級(jí)；當(dāng)油井深度超過2000 m時(shí)，少量深井可采用2300 V級(jí)潛油電泵。將中壓變頻控制系統(tǒng)置于潛油電泵電控箱中，應(yīng)用二極管鉗位三電平變頻控制調(diào)速技術(shù)[2]，其系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 三電平變頻控制系統(tǒng)原理

三電平變頻調(diào)速控制系統(tǒng)由控制監(jiān)測(cè)、頻率生成、電壓波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和變換輸出4個(gè)主要部分組成，每個(gè)部分有不同的功能[3]。核心單片機(jī)是控制監(jiān)測(cè)部分主要組成；頻率生成部分由定時(shí)器、計(jì)數(shù)器和鎖相環(huán)節(jié)共同構(gòu)成；電壓波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分主要由地址鎖存、隨機(jī)存儲(chǔ)器（ROM）和數(shù)據(jù)分配環(huán)節(jié)組成[4]。其工作原理為：根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中，單片機(jī)在特定的程序控制下，經(jīng)過精確計(jì)算，可獲得當(dāng)前最優(yōu)的電壓和頻率參數(shù)（由U/f決定），并實(shí)時(shí)給定數(shù)據(jù)ROM頁(yè)地址和定時(shí)器定值[5]。ROM中數(shù)據(jù)受定時(shí)器輸出頻率控制，按一定順序依次輸出，以這種方式來控制各個(gè)絕緣柵雙級(jí)型晶體管(IGBT)開關(guān)，實(shí)現(xiàn)電平輸出受控的目的。同時(shí)，傳感器反饋回大量信號(hào)諸如電流、電壓和負(fù)載變化等，這些信號(hào)由單片機(jī)通過對(duì)各前向通道采樣接收而獲得，以確保對(duì)系統(tǒng)諸如故障診斷和處理等運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)運(yùn)行方式進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，達(dá)到閉環(huán)控制的目的。

通過以上對(duì)三電平技術(shù)原理的分析，該技術(shù)比較適用于中壓變頻器中。三電平與二電平相似，輸出的電壓波形均為矩形脈沖，但波幅卻有較大差異，三電平是二電平幅值的一半，有效降低dv/dt值，從而降低了絕緣故障率及諧波等問題。三電平變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，使得變頻器輸出波形比二電平更接近于正弦波，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中常見的輻射干擾、傳導(dǎo)干擾、電動(dòng)機(jī)軸承在軸電壓作用下引起的腐蝕，以及器件換流造成的絕緣損傷等一系列問題均能徹底解決，同時(shí)能有效地降低電動(dòng)機(jī)的噪音及減小漏電流。當(dāng)然，三電平變頻調(diào)速技術(shù)也有一定的缺點(diǎn)，如：點(diǎn)電壓浮動(dòng)問題；系統(tǒng)比二電平變頻器略微復(fù)雜；逆變?cè)膿Q流尚須由鉗位二極管保證。但這些缺點(diǎn)對(duì)中壓變頻器在實(shí)際應(yīng)用中的影響不大，且增加的元件對(duì)變頻器價(jià)格構(gòu)不成限制。

2 中壓變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)技術(shù)的特點(diǎn)

1）為消除變頻器啟動(dòng)時(shí)沖擊電流造成的損害，實(shí)現(xiàn)平滑啟動(dòng)，中壓變頻器中增加了軟啟動(dòng)功能?？蓪㈦妱?dòng)機(jī)啟動(dòng)電流限制在額定電流的1.5倍之內(nèi)，而電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)過程中轉(zhuǎn)速與頻率變化接近同步狀態(tài)，出現(xiàn)的沖擊電流和反電勢(shì)都較小[6]，甚至可忽略，因此，絕緣層受到?jīng)_擊而損壞的概率大幅降低。潛油電泵增加變頻系統(tǒng)后，可實(shí)現(xiàn)潛油電泵的平滑啟動(dòng)與停車，有效延長(zhǎng)電泵電動(dòng)機(jī)及供電線路的壽命。

2）潛油電泵變頻改造后，可有效提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，尤其是在低荷載狀態(tài)下，可大幅降低無功功率，提高電網(wǎng)的供電能力，可節(jié)約電能25%～60%，效果顯著。

3）潛油電泵變頻改造后可防止電泵長(zhǎng)期在高壓下運(yùn)行，可根據(jù)實(shí)際調(diào)節(jié)頻率，達(dá)到調(diào)節(jié)油壓、控制出油量的目的，使油井在最佳狀態(tài)下工作。

4）變頻系統(tǒng)是由微電腦智能控制，可以自動(dòng)調(diào)整變頻器的恒轉(zhuǎn)矩輸出區(qū)域，來適應(yīng)泵的負(fù)載特性；亦可根據(jù)井內(nèi)采集回的壓力、溫度等各項(xiàng)數(shù)據(jù)，組成閉環(huán)系統(tǒng)，進(jìn)一步提高自動(dòng)化程度。采用變頻調(diào)速后，對(duì)于產(chǎn)液量大的油井，可通過提高電源頻率調(diào)高轉(zhuǎn)速，達(dá)到增產(chǎn)目的；對(duì)于產(chǎn)液量低的油井，適當(dāng)降低電源頻率調(diào)低轉(zhuǎn)速，可以有效降低停井次數(shù)，保證油井生產(chǎn)不間斷，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。對(duì)含砂量較大的油井，可以有效減少沙卡次數(shù)，變頻器可控制電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)，因此可實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)排砂，可增加潛油電泵的使用壽命；對(duì)于含氣量較大的油井，經(jīng)常會(huì)由于油氣分離較差出現(xiàn)氣鎖現(xiàn)象，實(shí)際生產(chǎn)中可通過變頻提高電泵轉(zhuǎn)速加以解決，并提高產(chǎn)油率；對(duì)于含蠟較多的油井，變頻提速后，可減小井壁結(jié)臘、結(jié)垢速度，從而降低停井解堵次數(shù)；對(duì)于稠油井可采取調(diào)低轉(zhuǎn)速、增大功率的方法以減少停井次數(shù)來達(dá)到節(jié)能目的。

5）由于變頻調(diào)速后大幅減少了電動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，因而有效地減少系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)零部件的磨損，同時(shí)減少電動(dòng)機(jī)及泵體的發(fā)熱量，延長(zhǎng)了維修周期，降低了維修、維護(hù)成本，增加了潛油電泵的使用壽命。自動(dòng)調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，保證整個(gè)系統(tǒng)在最佳工況下運(yùn)行，不僅降低系統(tǒng)故障率同時(shí)還大大提高工作效率。根據(jù)大慶油田采油一廠某礦的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，中壓變頻調(diào)速控制技術(shù)應(yīng)用于潛油電泵采油，使?jié)撚碗姳玫钠骄S修周期由原來的4至7個(gè)月，延長(zhǎng)至1年以上，提高了潛油電泵油井的采收率，節(jié)約大量的生產(chǎn)維修成本。

表1 38口潛油電泵井節(jié)能技術(shù)改造前后統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比

6）變頻器的控制系統(tǒng)具有欠載保護(hù)功能，可有效提高潛油電泵系統(tǒng)的工作壽命；同時(shí)，由于三電平變頻器輸出的電壓波形接近于正弦，大大減小網(wǎng)側(cè)諧波的發(fā)生率，因此可以集中使用多臺(tái)，而油田供電電網(wǎng)不受影響[7]。

7）中壓變頻器采用二極管鉗位三電平變頻控制調(diào)速技術(shù)，其核心器件采用1700 V IGBT。該器件經(jīng)過多年現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，相對(duì)同類產(chǎn)品，性價(jià)比高。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在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(yùn)行可靠，故障率低。

3 采油一廠某礦中壓變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)技術(shù)的節(jié)能改造

3.1 潛油電泵井節(jié)能改造前現(xiàn)狀

在節(jié)能改造前，某礦共有潛油電泵油井38口，約占該礦總油井?dāng)?shù)的1.2%。潛油電泵在油井內(nèi)的平均泵掛深度為1020 m，通過跟蹤調(diào)查獲得該類油井能耗的數(shù)據(jù)為：有功功率平均是43.35 kW，單井平均日有功耗電1056 kWh，折合每小時(shí)耗電量是43.9 kWh。油井電參數(shù)動(dòng)態(tài)平衡測(cè)試儀與現(xiàn)場(chǎng)電能表計(jì)量結(jié)果基本吻合[8]。

3.2 潛油電泵井節(jié)能改造情況

2011年3月至2012年3月，采油一廠先后對(duì)某礦的38臺(tái)潛油電泵實(shí)施變頻節(jié)能技術(shù)改造，技術(shù)改造效果良好，獲得生產(chǎn)部門的認(rèn)可；并在每口油井上現(xiàn)場(chǎng)記錄電能表計(jì)量數(shù)據(jù)，進(jìn)行儀器數(shù)據(jù)測(cè)試和對(duì)比分析。節(jié)能技術(shù)改造前后數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

3.3 變頻器諧波信號(hào)的處理

三電平變頻調(diào)速控制系統(tǒng)在本次節(jié)能改造中應(yīng)用于中壓變頻器，與二電平變頻器相比，盡管其輸出的電壓波形更接近于正弦，大大減少了網(wǎng)側(cè)諧波的出現(xiàn)頻率，但這些少量的諧波信號(hào)還是在一定程度上影響了油田電網(wǎng)的供電質(zhì)量；因此，在本次針對(duì)潛油電泵進(jìn)行的變頻節(jié)能改造中，解決諧波問題成為項(xiàng)目技術(shù)攻關(guān)中的重點(diǎn)，如：將抵制諧波的電路裝置分別加裝在潛油電泵電控柜中中壓變頻器的輸入端和輸出端，該裝置能有效防止諧波信號(hào)超標(biāo)，以減少電動(dòng)機(jī)有功功率損耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。

3.4 節(jié)能改造前后測(cè)試數(shù)據(jù)分析

根據(jù)表1的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，該礦的38口潛油電泵井在節(jié)能改造前系統(tǒng)平均效率為82.01%，經(jīng)過加裝中壓變頻節(jié)能裝置，油井系統(tǒng)效率提高至平均93.02%，改造后比改造前效率提高了11.01%，效率相對(duì)值同比提高13.43%。潛油電泵的平均檢泵周期從改造前的169 d增加到改造后的510 d，共計(jì)延長(zhǎng)341 d，檢泵周期相對(duì)值同比提高202%。單井無功功率出現(xiàn)大幅下降，改造前為45.39 kvar，改造后為11.42 kvar，共計(jì)下降33.97 kvar，其相對(duì)值同比下降74.84%。測(cè)試平均功率因數(shù)改造前為0.67，改造后提高至0.94，其相對(duì)值同比增加40.29%。單井日平均電量由改造前的1056 kWh下降到改造后的720 kWh，耗電量減少336 kWh。在油井平均日產(chǎn)液量基本保持平衡（變動(dòng)幅度不大）的情況下，改造后測(cè)試平均有功功率從43.35 kW變?yōu)?7.99 kW，共計(jì)減少15.36 kW，其相對(duì)值同比下降35.43%。測(cè)試噸液平均耗電量從改造前的8.55 kWh降至5.68 kWh，減少了2.87 kWh，其相對(duì)值同比下降40.29%[9]。

4 結(jié)論

通過對(duì)大慶油田采油一廠某礦的潛油電泵采油數(shù)據(jù)分析，中壓變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于潛油電泵采油，不僅有效降低了噸液平均耗電量，獲得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，而且原油的質(zhì)量和產(chǎn)量也都得到大幅提升；同時(shí)該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，大大減少生產(chǎn)維修及管理成本，也促進(jìn)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱益飛.變頻調(diào)速技術(shù)在油田潛油電泵中的應(yīng)用[J].電力需求側(cè)管理，2011，13（1）：23-25.

[2]尚立光.變頻調(diào)速技術(shù)在油田輸油泵電動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用[J].中國(guó)設(shè)備工程，2011（8）：33-35.

[3]鄭衛(wèi)東.變頻調(diào)速技術(shù)在泵類設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)中的應(yīng)用[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2011（6）：41-43.

[4]李亞峰，歐文盛.ARM嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)從入門到精通[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007：43-45.

[5]顏庭柏.基于ARM_Linux的嵌入式數(shù)據(jù)采集和發(fā)布系統(tǒng)[D].南京：南京信息工程大學(xué)，2007：27-36.

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

[7]ALHANATY M，BERCOVIER M.Curve and surface fitting and design by optimal control methods[J].Computer-Aided Design，2001，33（2）：167-182.

[8]林海都.潛油電泵井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2008：29-34.

[9]范希雷.國(guó)外潛油電泵井下傳感器技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用[J].城市建設(shè)與商業(yè)網(wǎng)點(diǎn)，2009（12）：259-261.

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.06.008

2017-02-16

（編輯 李發(fā)榮）

劉建國(guó)，2004年畢業(yè)于佳木斯大學(xué)（電氣工程），從事潛油電泵現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工作，本科學(xué)歷，E-mail：450665710@qq.com，地址：黑龍江省大慶市龍鳳區(qū)龍鳳大街石化職工醫(yī)院（一部）檢驗(yàn)科，163311。