中壓變頻調速驅動技術在潛油電泵中的應用

于興國

（大慶油田力神泵業有限公司，黑龍江 大慶 163413）

逆變器是變頻器在工作運行中的最重要部件之一，功率開關頻率的提升是改善逆變器性能的重要手段，但是，在實施的過程中會造成短時間內電壓迅速升高，很大程度上會增加電動機出現故障的概率，影響電動機的使用壽命。地面控制系統與井下電動機在潛油電泵系統中主要通過長度較長的電纜連接，電纜將逆變器產生的脈沖信號傳輸到電動機上，在傳輸的過程中電壓反射問題是不可避免的，可能會造成電動機一側電壓快速升高，直接影響電動機的絕緣性能，絕緣性能的下降就會影響發動機的使用壽命。要想進一步地提升潛油電泵機組的運行效率和運行安全，就要在潛油電泵機組中應用中壓變頻調速技術，降低起下泵作業次數，降低后期維修養護成本，延長潛油電泵機組的使用壽命。

1 潛油電泵的系統構成

潛油電泵主要由分離器、動力電纜、離心機、變壓器、電動機、控制屏等幾部分組成，要想潛油電泵系統的安全穩定運行，就要有針對性地配置相應的輔助設備，主要的輔助設備包括扶正器、電纜保護器等。電動機是潛油電泵系統中的重要核心部件，電動機的結構相對其他部件更加復雜，因此要想高效率地提升地下原油的開采率，就要科學合理地驅動潛油離心泵。目前我們使用頻率比較高為三相鼠籠式異步電機，主要構成分為兩級，每級的長度控制在2 ～10m，一旦需要的功率比較大，可以使用多節串聯的方式。潛油電機通常情況下結構為立式懸掛，轉子的重量都承受在止推軸承上，電子的定子、轉子主要是多段串聯的形式來完成工作，電機在工作運行的過程中，扶正軸承將轉子連接在一起，將轉子的擾度控制在一定的范圍內。定子銅片在結構上與扶正軸承的定子部位對應，工作運行過程中主要是起到扶正與支撐軸承作用。

2 交流調速技術

2.1 改變轉差率

在保障其他情況不變的基礎上，根據異步電動機轉速計算公式可以改變電動轉差率，實現調節電動機轉速的功能。要想實現變頻或者變極調速功能，就要利用機電學的相關知識，對整體系統的同步轉速實現改變。變頻和變極調速之間最大的共同點就是轉差率不會隨著轉速的升高和降低發生改變，發生改變的只是轉子的銅耗。按照能量守恒定律來說，以上調節的方式為轉差率不變型調速，應用的范圍比較廣，應用的效率比較高。轉差率在調速過程中一旦發生改變，轉差功率也會隨著發生改變，轉差率調速方式從能量守恒的方面去考慮，是一種功率消耗性或者功率回饋型調速方式，主要的區分方式為轉差功率在調速過程中是否被全部的消耗，如果被全部的消耗就屬于功率消耗型，如果在調速過程中通過一定的渠道回饋給電網，那就屬于功率回饋型。

2.2 變極調速

電動機的運行根據異步電動機轉速計算公式可知，電機的轉速會隨著極對數的變化而變化，變極調速在籠型異步電動機的轉速調節過程中應用的效果十分理想，主要是因為轉子極對數在籠型異步電動機中很容易發生改變，只需要對變極對數進行科學合理的設置，就能達到異步電動機逐級調速的目的。

2.3 變頻調速

在電機保持能量守恒的情況下，根據異步電動機轉速計算公式，電動機的轉速會隨著電源頻率的變化而變化，這種調速方式的優勢在于調速的過程十分平滑，調速的范圍比較寬，調速的效率比較高，電動機在運行過程中的靜態特性及動態特性應用效果都比較好，在各個領域中的普及也十分廣泛，為油田創造了更大的經濟效益，實現潛油電泵工作運行的更加安全、可靠，延長潛油電泵的使用壽命，實現了潛油電泵在不同環境下適應能力的提升，潛油電泵在使用和管理過程中更加規范，避免電泵排量在變化的情況下，對電泵起下作業產生影響，這也是以后我們需要研究和關注的重點內容。

3 中壓變頻調速驅動技術分析

潛油電泵在油田眾多開采過程中都屬于技術十分成熟和應用十分廣泛的一種設備，其主要屬于多級離心泵的一種。油井深度一般情況下都能達到幾千米，這就造成了地面系統和井下設備之間需要較長的電纜連接，而電纜越長產生的壓降越大，因此，為了降低壓降，電動機都不會設置工頻工作狀態，一般控制在中壓范圍內。主要是為了避免電壓設置較低時，壓降會對整個線路產生影響，造成電動機不能正常的工作運行；同時，電壓的設置也不能過高，電壓過高會影響電纜的絕緣性能，增加后期的維修和養護成本。最近的幾年中，我國油井深度不斷增加，在一些極深的油井中，潛油電泵的電壓達到了2300V。

潛油電泵地面控制系統根據功能的不同可以分為四個部分，主要有控制監測部分、數據存儲部分等。單片機是控制監測部分中的核心產品。數據存儲部分的組成主要包括存儲器、鎖存器、數據分配器等，根據實際情況主要的運行流程為對電壓及頻率使用科學合理的控制程序或者單片機實現數據的選擇，運行過程中，存儲器將相關的數據信息及時存儲起來，信號頻率通過定時器傳輸出去，利用功率開關在相關的順序上進行科學合理的控制。單片機在整體系統中的作用主要是將反饋信號收集、接收，同時單片機也能有效的控制整個系統的運行，實時監控系統的運行狀態，一旦出現短路、欠壓、缺相、過載等現象，可以第一時間采取保護措施，保障整個系統的安全、穩定運行，延長電機的使用壽命。中壓變頻器與傳統兩電平輸相比，有著對電壓脈沖及電壓波形控制更加合理的優勢，有效消減電壓的變化速率，避免電機在工作運行過程中破壞絕緣性能，保障電機和電纜的正常工作，延長其使用壽命。

4 主要的技術特點分析

4.1 實現軟起動

軟啟動在中壓變頻調速技術中的應用，主要是為了電動機啟動的更加平滑，避免電流對電動機產生沖擊，將電動機啟動電流控制在額定電流的150%范圍內。電動機在啟動的過程中，同步化的狀態可以根據頻率的實時變化來實現，降低沖擊電流和反電動勢，避免絕緣層產生破壞，起到保護絕緣層的作用。在對系統內容不斷優化和完善的過程中，變頻改造工作一定要遵循科學合理的原則，軟啟動和軟停車是潛油電泵系統中十分重要的功能。

4.2 具有節能性

中壓變頻調速技術在潛油電泵中的應用，有效地實現了能源的節約。經過對使用中壓變頻調速技術前后電動機消耗的電能相比較，在應用中壓變頻調速技術后，電能節省了50%左右，同時無功功率無論在重載或者輕載的情況下，都實現了最大程度的下降，實現電網的供電處于一個全新的水平，達到了節能的目的。在調節變頻的同時，也可以有效地控制油壓狀態，實現潛油電泵長期處于一個穩定的工作狀態，避免高壓化工作，工作人員根據油井工作的實時狀態，對出油量進行調節，實現油井處于最佳的工作狀態。

4.3 實現智能化

計算機操作法在應用的過程中也可以適當地引用，達到無人操作智能化的控制目的，實現閉環控制壓力、溫度等數據參數，提高整個系統的自動化水平。變頻調速技術在整個工作過程中的改造，實現了富油油井中大幅度提升其油井產量，實現了貧油油井大幅度改善其油井過去產量情況，實現了連續化的生產效果，降低了電能資金的投入，為企業提高了經濟效益。智能化技術在含砂油井中的應用效果更加明顯，有效地降低了卡泵事故發生的幾率，同時配合反轉排砂技術，對潛油電泵的使用年限實現了延長。智能化技術在含氣油井中的應用，實現了轉速的進一步提升，降低了氣鎖現象發生的概率，保障了潛油電泵的生產效率。智能化技術在含蠟油井中的應用，降低了油井結蠟、堵塞等問題發生的概率。因此，智能化技術是實現油田經濟效率提升的關鍵。

4.4 降低發熱性

中壓變頻調速技術在潛油電泵中的應用，實現了電動機工作運行過程中發熱現象的有效減緩，系統部件的磨損程度有效下降，電動機的使用壽命得到保障。在以往的研究和分析中我們發現，傳統的調速系統沒有相應的欠載保護功能，多電泵變頻器與兩電泵輸出變頻器系統相比較時，電壓的波形更好，諧波的含量更低，可以實現多平臺的集中化應用，避免諧波對電網產生一定的干擾，同時，電動機在工作運行中產生的熱量也大大降低。

4.5 穩定性更高

中壓變頻調速技術的應用，實現了潛油電泵運行的更加穩定，功率開關器件的控制技術更加成熟，性價比更高，保障了潛油電泵系統運行的穩定性、安全性，降低了系統的故障率，促進了油田后續工作的有序開展。

5 變頻調速技術的具體應用

隨著變頻調速技術在油田潛油電泵系統中應用的越來越廣泛，起到的效果也越來越理想，油田機械采油設備中，潛油電泵是重要的設備之一，發揮著重要的作用，尤其是油田開采的中后期，潛油電泵的應用比較頻繁，潛油電泵通常屬于多級離心泵的一種，一般使用在油井深處，使用環境比較惡劣。在這種情況下，潛油電泵的工作狀態直接影響油田的開采質量和開采效率。三相電平變頻調速控制系統主要是依靠變頻調速技術構建而來的，實現對潛油電泵配電控制箱變壓器的優化和改善，變壓器根據生產的實際情況，科學合理地進行控制和運用。我們通過對潛油電泵電機轉速智能化的控制和調節，實現了潛油電泵應用效果的進一步提升，三電平變頻控制系統主要有控制檢測、電壓波形數據存儲、變換輸出、頻率生成等四部分組成。（1）單片機是控制檢測單元中的重要組成部分，對潛油電泵在井下的作業情況實現實時的檢測，對潛油電泵的工作狀態實現實時的了解和掌握；（2）頻率生成部分主要由計數器、鎖相環節、定時器等部件組成，根據電動機的實際工作原理，生成相應的電源輸入頻率；（3）電壓波形數據存儲主要由數據分配環節、存儲器等部件組成，根據實際的工作狀態，對頻率、電壓進行最優選擇，分配和輸送相應的數據，實現系統有效控制，并協調、穩定地運行；（4）變化輸出主要是將變頻使用工作電源進行處理，充分發揮出潛油電泵變頻器的優勢，輸出主要依靠輸出變頻，實現潛油電泵功能發揮的最大化。

潛油電泵變頻調速技術的應用經過以上的研究和分析發現，提升了潛油電泵輸出頻率，實現了電動機工作運行時旋轉切割磁場的穩定性，對電流的范圍進行了科學合理的控制，充分考慮了工作運行時的安全性。潛油電泵通常情況下在啟動時會產生較大的電流沖擊和電壓過高，變頻調速技術的應用有效地解決了以上問題，降低了潛油電泵電機和電纜出現故障的概率，保障了潛油電泵的工作效率和工作質量。

6 結語

經過以上的研究和分析發現，潛油電泵機組中壓變頻調速技術的應用，完成了潛油電泵機組節能的目標，促進了油田企業經濟效益的提升。尤其在海上油田，中壓變頻調速技術應用的更加廣泛，取得的經濟價值更高。我們在以后對中壓變頻調速技術的深入研究過程中，還要不斷地對其推廣和宣傳，在我國更多油田的油井中實現應用，提升油井產量，保障運行安全，降低潛油電泵后期的維修和保養成本，促進油田經濟效益的提升。油田開采過程中，潛油電泵中壓變頻調速技術的應用，降低了潛油電泵機組故障率，延長了潛油電泵機組的使用壽命，是油田未來發展的重要里程碑。