變頻調速技術在油田潛油電泵中的應用

朱益飛，淳永忠，張恒鈺，董玉忠

（1.勝利油田 孤東采油廠，山東 東營 257237；2.勝利油田 河口采油廠，山東 東營 257200）

油田潛油電泵采油技術屬于二次采油技術，它具有采油作業面占地少、施工操作簡單、排液量大、采油效率高等優點，特別適用于油田開發中后期的高含水油井，是油田一種重要的采油設備，在國內外各油田均廣泛應用。據統計，全國各油田總裝機數量在5萬臺以上。現在普遍使用的潛油電泵電動機額定功率為37～75 kW，由于油井管徑較小，為了減小電線截面，普遍采用額定電壓為660～2 000 V的三相異步電動機。由于電潛泵在地下1～3 km的井底工作，環境非常惡劣（高溫、強腐蝕等），傳統供電方式——全壓、工頻方式使其故障頻繁，運行成本大增，主要存在以下幾個問題：一是由于電動機直接啟動時，上電啟動沖擊電流大，分布電感使系統內反壓過高，經常造成系統多處絕緣損傷，造成電動機潛油電纜故障頻繁；二是由于井下壓力不同，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象，造成電泵砂卡損壞故障；三是由于電泵設計裕量往往偏大，尤其是井下液量不足時，泵產生的油壓過高，故縮短泵的使用壽命，其維修及更換幾率增加；四是由于油田電網地處電網末端，電壓不穩，造成潛油電泵損壞現象的發生；五是油田潛油電泵是油田生產的主要高能耗設備之一，平均單井日耗電量超過2 000 kWh。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，還是節電的需要，使用變頻調速技術驅動，都感到大有益處。因此，提出了變頻調速技術在油田潛油電泵中的應用這一研究課題。

1 中壓變頻調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。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660 V級或1 000 V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，目前國內大部分油田采用的是660V級或1 140 V級潛油電泵。對于泵掛深度少于1 000m的油井多采用660 V級的潛油電泵；對于泵掛深度在1 000～2 000m之間的油井多采用1 140 V級的潛油電泵。隨著油井深度的增加，少量深井開始使用2 300 V的潛油電泵。潛油電泵配電控制箱中壓變頻器采用二極管箝位三電平變頻控制調速技術，其系統簡圖如圖1所示。

圖1 三電平變頻控制系統簡圖

三電平變頻調速控制系統按功能分為4個主要部分：即控制監測部分、頻率生成部分、電壓波形數據存儲部分和變換輸出部分。控制監測部分由核心單片機構成；頻率生成部分主要由定時器、計數器和鎖相環節組成；電壓波形數據存儲部分主要由隨機存儲器（ROM）、地址鎖存和數據分配環節組成。其工作原理為：在程序控制下，根據系統實際運行情況，由單片機計算出當前最優的頻率和電壓參數（由U/f決定），實時地給定定時器定值和數據ROM頁地址，以定時器的輸出頻率為節拍，按順序逐個送出ROM中數據去控制每個絕緣柵雙級型晶體管（IGBT）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），實時地對系統的運行方式進行控制和對運行狀態進行監測（主要是故障的診斷和處理），做到閉環控制。

該技術的特點偏優于采用在不太高的中壓變頻器中。它與二電平相比較，其輸出的電壓波形雖然仍為矩形脈沖，但其脈沖幅值卻降低1倍，較好地解決了d v/d t高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，徹底地解決了因器件換流對電動機絕緣造成沖擊導致的絕緣損傷、軸電壓對電動機軸承的腐蝕以及傳導干擾、輻射干擾等諸多問題，降低漏電流及電動機噪音。其缺點已基本克服，美中不足的是逆變元件的換流尚須由箝位二極管來保證，盡管其中點電壓浮動也是問題之一，系統也變得稍加復雜，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。

2 中壓變頻調速驅動技術的特點

（1）變頻器具備軟啟動功能，平滑啟動，消除啟動時的沖擊電流，啟動時電動機電流可限制在其額定電流的150%之內。在啟動過程中，電動機轉速隨著頻率變化而接近同步狀態升速，故反電勢及沖擊電流很小，絕緣易受破壞的問題出現幾率較低。對電潛泵井進行變頻改造后，實現了電潛泵的軟啟動、軟停車，有效保護了電潛泵與電纜。

（2）節能效果明顯，節電率高達20%～60%。無論重載或輕載，系統的功率因數均較高，尤其在小負載狀態，無功功率大大減小，提高功率因數及電網供電能力，具有明顯的節電效果。

（3）通過調節頻率可方便調節油壓，避免了電潛泵在高壓下長期運行。可按油井當前狀況調節出油量，使油井工作在最佳狀態。

（4）微電腦智能控制，自動適應，自動跟隨，無需人工調整，亦可組成壓力、溫度閉環系統，提高自動化程度及實現最佳控制。采用變頻調速后，對于富油油井，可以增產；對于貧油油井可以做到連續生產且減少停井次數并達到節能的目的；對含砂油井，可以減少卡泵次數，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象出現而增產增效；對于含蠟油井，可減少結蠟、結垢而降低管路堵塞次數；對于稠油油井，可低速大功率運行，減少停井次數并獲得可觀的節能效果。

（5）減少電動機發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。可延長電潛泵壽命，節約油井維修、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速控制技術，使電潛泵的平均維修周期由原來的3至6個月，延長到1至2年，大大地提高了油井的采油時率，節省了大量的維修費用。

（6）控制系統具有欠載保護功能，大大提高了油泵和電動機工作壽命，比較適合油田生產使用。同時，由于輸出的電壓波形相較二電平變頻器更接近于正弦，網側諧波大減，故可以多臺集中使用，而電網不受影響。

（7）變頻器運行穩定可靠。選用的中壓變頻器采用二極管箝位三電平變頻控制調速技術，其核心器件采用1 700 V IGBT，該器件比較成熟，價格低廉，性能價格比較高，這種拓撲結構在中壓電壓之下是最優選擇方案。因此，該控制系統性能穩定，運行可靠，故障率低。

3 中壓變頻調速驅動技術的節能改造

3.1 電潛泵井節能改造前現狀

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狀的跟蹤調查測試，平均有功功率為42.25 kW，單井電能表計量平均日有功電耗為1 029 kWh，平均單井每小時耗電42.88 kWh。油井電參數動態平衡測試儀與現場電能表計量結果基本吻合。

3.2 電潛泵井節能改造情況

從2005年開始，先后對勝利油田孤東采油廠的33臺電潛泵實施變頻節能技術改造，已取得良好的技術改造效果。在現場進行了每口油井節能技術改造前后儀器測試數據和井口電能表計量統計數據對比，節能技術改造結果見表1。

3.3 變頻器諧波信號的處理

盡管選用的中壓變頻器采用三電平變頻調速控制系統，其輸出的電壓波形相較二電平變頻器更接近于正弦，網側諧波已大大減少，但為了盡可能地減少變頻器運行過程中產生的諧波信號對電網供電質量的影響，在變頻節能技術改造過程中，對降低變頻器諧波問題仍下了許多功夫，如：在電泵控制柜中變頻控制器輸出側和輸入側分別加裝諧波抵制電路裝置，以防止諧波信號超標而增加電動機損耗，達到降低能耗的目的。

3.4 節能改造前后測試數據分析

從表1中可以看出，33口潛油電泵井節能技術改造后油井系統效率大幅度提高，平均系統效率由改造前的81.99%提高到改造后的92.53%，前后對比提高了10.54%，其相對值提高了12.86%。油井平均檢泵周期由原來的171天增加到目前的511天，增加了340天，其相對值提高了199%。改造后單井無功功率下降了33.99 kvar，其相對值下降了74.8%，油井平均功率因數由原來0.68提高到目前的0.93，單井日平均電量由原來的1 029 kWh下降到目前的717 kWh，下降了312 kWh。在油井平均日產液量基本保持不變或者說是略有增加（平均單井日產液量提高了3.4%）的前提下，改造后測試平均有功功率為28.91 kW，噸液耗電僅為5.64 kWh，比改造前分別下降了13.34 kW和2.88 kWh，其相對值分別下降了31.57%和36.8%。抽油泵充滿系數提高，平均產液量基本持平。

4 結束語

綜合以上分析，油田潛油電泵實施中壓變頻調速技術節能技術改造，具有顯著的節能降耗和經濟效益。實踐證明，大力研究與推廣應用油田潛油電泵中壓變頻調速技術，對提高提高油田采油質量和產量，減少現場維護費用，降低原油開采成本，節約能源以及提高油田綜合經濟效益，促進和推廣相關產業的發展，具有十分重要的意義。

表1 33口電潛泵油井節能技術改造前后對比統計數據

［1］ 朱益飛，張士杰，何衛兵.變頻技術在油田螺桿泵井上的應用［J］.變頻技術應用，2010（2）：95-113.

［2］ 朱益飛.油田變頻調速技術在油田的應用分析［J］.變頻技術應用，2010（3）：85-89.

［3］ 朱益飛.油井專用能量回饋式變頻器在油田的應用［J］.變頻器世界，2009（11）：5-7.

［4］ 李巖，姚旭東，呂孟權.變頻器在油田抽油機上的應用［J］.電氣時代，2004（4）：80-82.

［5］ 李振智，唐周懷，龔興云，等.變頻器在潛油電泵井上的應用［J］.鉆采工藝，2001（3）：54-56.