锄 癌 固 窀 国瘪周 田一种 诸多问 阐述了 了胜利 油田孤东采油厂潜油电泵节能技术改造前的现状、电潜泵 井节能改造情况以及变频器谐波信号的处理，分析了潜油 电泵的变频节能改造效果。实践证明，大力研究与推广应 用油田潜油电泵中压变频调速技术，对提高油田采油质量 张恒钰董玉忠 胜利油田孤东采油厂 和产量，减少现场维护费用，降低原油开采成本，节约能源 以及提高油田综合经济效益，具有十分重要的意义。 关键词：变频；潜油电泵；应用；节能 山东省东营市２５７２３７ ｌ前言 油田潜油电泵采油技术属于二次采油技术，它具 有采油作业面占地少，施工操作简单、排液量大、采油 效率高等优点，特别适用于油田开发中后期的高含水 系统多部分绝缘损伤，造成电机潜油电缆故障频繁； 二是由于井下压力不同，油层深浅不同，采用］ 频运 行方式时，不能有效控制采油速度，使得采油质量难 以控制，有时采油含水量过大，甚至有时伴随将泥砂 抽出的现象，造成电泵砂卡损坏故障；ｉ是由于电泵 油井。潜油电泵是油田一种重要的采油设备之一，在 设计余量又往往偏大，尤其是井下液量不足时，泵产 国内外各油田均广泛应用，据统计，全国各油田总装 生的油压过高，故缩短泵的使用寿命，其维修及更换 机数量在５ｘｌ 台以上。现在普遍使用的潜油电泵电 概率增加；四是由于油田电网地处电网末端，电压不 机额定功率为３７～７５ ｋＷ，由于油井管径较小，为了减 稳，造成潜油电泵损坏现象的发生；五是油田潜油电 小电线截面，所以普遍采用额定电压为６６０～２０００ Ｖ 泵是油田生产的主要高能耗设备之一，平均单井１３耗 的三相异步电机。由于电潜泵在地下ｌ～３ ｋｍ的井底 电量超过２０００ ｋＷ・ｈ。为解决上述问题，在调查研究 一工作，环境非常恶劣（高温、强腐蚀等），传统供电方式 的基础上，认为潜油电泵作为油田深井抽油机的动 全压、工频使它故障频繁，运行成本大增，主要存在 力，无论出自于工艺的要求，还是节电的需要，使用变 以下几个问题：一是由于电机直接起动时，上电启动 频调速技术驱动，都大有益处。因此，提出了变频调 冲击电流大，分布电感使系统内反压过高，经常造成 速技术在油田潜油电泵巾的应用这一重要研究课题。豳２０ｌｏ－ｒ，－ｇ ５期１０￣ｌ出版 ２中压变频调速驱动技术的工作原理 潜油电泵是油井井下］．作的多级离心泵，是一种 较新的机械采油设备之一。由于油井较深，为降低线 路电压降，故其拖动电机没有采用普通工频而一般设 计为６６０ Ｖ级或１０００ Ｖ级。该电压属中压范畴，不高 的是６６０ Ｖ级或１ １４０ Ｖ潜油电泵。对于泵挂深度少 于１０００ ｍ的油井多采用６６０ Ｖ级的潜油电泵；对于泵 挂深度１０００ ｍ至２０００ ｍ之间的油井多采用１１４０ Ｖ级 的潜油电泵。随着油井深度的增加，少量深井开始使 用上至２３００ Ｖ的潜油电泵。 潜油电泵配电控制箱选用的中压变频器采用二 极管箝位ｊ电平变频控制调速技术，其系统简图如图 １所示 也不低。若降低电压，则线路电压降太大，电机低效 无法正常工作。若提高电压，线路电压降虽小，但供 电线路电缆及电机的绝缘问题突出，故障率高，维护 困难，可靠性下降。因此，目前国内大部分油田采用 ３中 ５０ ６０ Ｈｚ 图１ 三电平变频控制系统简图 三电平变频调速控制系统按功能分为４个主要 好地解决了ｄｖ／ｄｔ高所带来的绝缘及谐波等问题，使 部分，即控制监测部分、频率生成部分、电压波型数据 变频器的输出波形更接近正弦波。彻底地解决了器 存储部分和变换输出部分。控制监测部分核心单片 件换流对电机绝缘造成的冲击导致的绝流损伤、轴电 机构成；频率生成部分主要由定时器、计数器和锁相 压对电机轴承的腐蚀以及传导干扰、辐射干扰等诸多 环节组成；电压波型数据存储部分主要由ＲＯＭ、地址 问题，降低漏电流及电机噪音。其缺点是逆变元件的 锁存和数据分配环节组成。其工作原理为：在程序控 换流尚须由箝位二极管来保证，尽管其中点电压浮动 制下，根据系统实际运行情况，由单片机计算出当前 也是问题之一，系统也变得稍加复杂，但在几十千瓦 最优的频率和电压参数（由Ｕ／ｆ决定），实时地给定定 的变频器中，该不足之处并不构成价格因素。 时器定值和数据ＲＯＭ页地址，以定时器的输出频率 为节拍，按顺序逐个送出ＲＯＭ中数据去控制每个 ＩＧＢＴ开关，达到控制输出电平的目的。同时，单片机 ３ 中压变频调速驱动技术的特点 （１）变频器具备软启动功能。平滑启动，消除启 通过对各前向通道采样接收从传感器（包括电流、电 动时的冲击电流，启动时电机电流可在其额定电 压和负载变化）反馈回的信号，实时地对系统的运行 流的１５０％之内。在启动过程中，电机转速随着频率 方式进行控制和对运行状态进行监测（主要是故障的 变化而接近同步状态升速，故反电势及冲击电流很 诊断和处理），做到闭环控制。 小，绝缘易受破坏的问题出现几率较低。对电潜泵井 该技术与二电平相比较，其输出的电压波形虽然 进行变频改造后，实现了电潜泵的软启动、软停车，有 仍为矩形脉冲所组成，但其脉冲幅值却降低１倍，较 效保护了电潜泵与电缆 ２０１０善薯５ １０ 援 （２）节能效果明显。无论重载或轻载，系统的功 时，由于输出的电压波形相较两电平变频器更接近于 率因数均较高，尤其在小负载状态，无功功率大大减 正弦，网侧谐波大减，故此可以多台集中使用，而对电 小，提高功率因数，提高电网供电能力，具有明显的节 网不受影响。 电效果，节电率高达２０％～６０％。 （７）变频器运行稳定可靠。选用的中压变频器采 （３）通过调节频率可方便调节油压，避免了电潜 用二极管箝位三电平变频控制调速技术，其核心器件 泵在高压下长期运行。可按油井当前状况调节出油 采用１ ７００Ｖ ＩＧＢＴ，其器件比较成熟，价格低廉，性能 量，使油井工作在最佳状态。 价格比最高，这种拓扑结构在这种中压电压之下是最 （４）微电脑智能控制，自动适应、自动跟随，无需 优选择方案。因此，该控制系统性能稳定，运行可靠， 人工调整。亦可组成压力、温度闭环系统，提高自动 故障率低。 化程度及实现最佳控制。采用变频调速后，对于富油 减少停井次数并达到节能的目的；对含砂油井，可以 （８）经济效益明显。大面积推广电潜泵变频技术 油井，可以增产；对于贫油油井可以做到连续生产且 改造，将带来良好的经济和社会效益。 减少卡泵次数，并可反转排砂，延长电泵寿命；对于含 ４ 中压变频调速驱动技术的节能改造 项目改造前胜利油田孤东采油厂共有电潜泵油 气油井，可提高转速减少油气分离不佳所致的气锁现 ４．１ 电潜泵井节能改造前现状 象出现而增产增效；对于含蜡油井，可减少结蜡、结垢 而降低管路堵塞次数；对于稠油油井，可低速大功率 井３３口，约占孤东采油厂总油井数的１．３％。电潜泵 运行，减少停井次数并获得可观的节能效果。 油井平均泵挂深度为９２０ ｍ。通过对该类油井能耗现 （５）减少电机发热及运动部件的磨损程度，有效 状的跟踪调查测试，平均有功功率为４２．２５ ｋＷ，单井 延长电机使用寿命，降低维修成本。可延长电潜泵寿 电能表计量平均日有功电耗为１０２９ ｋＷ・ｈ／ｄ，平均单 命，节约油井维修、维护费用，使电泵机组在最佳工况 井每小时耗电４２．８８ ｋＷ・ｈ。油井电参数动态平衡测 下运行，大大提高了电潜泵采油系统的效率，在降低 试仪与现场电能表计量结果基本吻合。 故障率的同时提高工作效率。潜油电泵通过采用中 ４．２电潜泵井节能改造情况 压变频调速控制技术，使电潜泵的平均维修周期由原 从２００５年开始，先后对胜利油田孤东采油厂的 术改造效果。在现场进行了每口油井节能技术改造 来的３－６个月，延长到１－２年，大大地提高了油井的采 ３３台电潜泵实施变频节能技术改造，已取得良好的技 油时率，节省了大量的维修费用。 （６）控制系统具有欠载保护功能，大大提高了作 前后仪器测试数据和井口电能表计量统计数据对比， 油泵和电机工作寿命，比较适合油田生产使用。同 节能技术改造结果见表１所示。 表１ ３３口电潜泵油井节能技术改造前后统计数据对比 ｉ４ ２０１０年第５期１０月出版 ４．３变频器谐波信号的处理 ２．８８ ｋＷ・ｈ，其相对值分别下降了３１．５７％和３６．８％。 尽管选用的中压变频器采用三电平变频调速控 抽油泵充满系数提高，平均产液量基本持平。 制系统，其输 的电压波形相较两电平变频器更接近 于正弦，网侧谐波已大大减少，但为了尽可能地减少 ５结束语 油田潜油电泵实施中压变频调速技术节能技术 变频器运行过程中产生的谐波信号对电网供电质量 的影响，在变频节能技术改造过程中，在降低变频器 改造，具有显著的节能降耗和经济效益。实践证明， 谐波问题仍下了许多功夫，如在电泵控制柜中变频控 大力研究与推广应用油田潜油电泵中压变频调速技 制器输出侧和输入侧分别加装谐波抑制电路装置，以 术，对提高油田采油质量和产量，减少现场维护费用 防止谐波信号超标而增加电动机损耗，达到降低能耗 降低原油开采成本，节约能源以及提高油田综合经济 的目的。 效益，促进和推广相关产业的发展，具有十分重要的 ４．４节能改造前后测试数据分析 意义。 从表１中可以看出，３３口潜油电泵井节能技术改 造后油井系统效率大幅度提高，平均系统效率由改造 参考文献 前的８１．９９％提高到改造后的９２．５３％，提高了 ［１］朱益飞，张士杰，何卫兵．变频调速控制技术在油田螺杆泵井上的应 １０．５４％，其相对值提高了１２．８６％。油井平均检泵周 用［Ｊ］．变频技术应用，２０１０（２）：９５—１１３． 期由原来的１７１ ｄ增加到目前的５１１ ｄ，增加了３４０ ｄ， ［２］朱益飞．油田变频调速技术在油田的应用分析［Ｊ］．变频技术应用．２０１０ （３）：８５—８９． 其相对值提高了１９９％。改造后单井无功功率下降了 ［３］朱益飞．油井专用能量网馈式变频器在油田的应用［Ｊ］．变频器世界， ３３．９９ ｋＷ，其相对值下降了７４．８％，油井平均功率因数 ２００９（１１）：Ａ５一Ａ７． 由原来０．６８提高到目前的０．９３，单井日平均电量由原 ［４］李岩，姚旭东，吕孟权．变频器在油田抽油机上的应用［Ｊ］．电气时代， 来的１ ０２９ｋＷ・ｈ下降到目前的７１７ ｋＷ・ｈ，下降了３１２ ２００４（４）：８０—８２． ｋＷ・ｈ。在油井平均日产液量基本保持不变或者说是 ［５］李振智，唐周怀，龚兴云，汪金周，张素敏．变频器在潜油电泵井上的 应用ＩＪ】．钻采丁艺，２００１（３）：５４—５６． 略有增加（平均单井日产液量提高了３．４％）的前提 下，改造后测试平均有功功率为２８．９１ ｋＷ，吨液耗电 （收稿日期：２０１０—０８—２２编辑庄景春） 仅为５．６４ ｋＷ・ｈ，比改造前分别下降了１３．３４ ｋＷ和 ２０ｔ０－羊 ０ ５ｊ １０ｌ毒 … 一 ……… … 一 一，… 一 …………＝！ ： ：：
