新產品開發新型電動潛油泵變頻控制系統的開發與應用唐周懷崔長國龔興云汪金周史曉貞（中原石油勘探局第五采油廠）泵變頻控制系統。從設計入手，提出系統應具有保護功能、控制功能、調速功能和操作簡單等特點。簡要介紹了電泵變頻控制系統的組成及原理，并對其各部分的功能做了詳細敘述。該系統具有兩個創新點，即增加了二次濾波器和拓展了電泵控制系統的應用范圍。4口的現場應用結果表明，新型電泵控制系統運行狀態良好，節能效果明顯，延長了檢泵周期，經濟效益較好。
主題詞潛油電泵控制系統研制應用問題的提出中原石油勘探局所用的電動潛油泵（簡稱電泵）絕大多數泵深超過1800m.由于它在井內受高溫、高壓、腐蝕和氣蝕的影響，加上地面供電系統電壓波動較大，導致機組運行壽命短，效率低，能耗高。以往使用的電泵都是采用全壓啟動和工頻恒速運行，通常存在以下問題。
工頻全壓啟動時，啟動電流過大，會對電動機絕緣造成損壞，還會產生沖擊扭矩，對管線及電泵結構造成破壞。此外，泵入口會突然產生較大吸力，可能吸入砂子造成卡泵。
無穩壓系統，電源電壓波動時，會造成潛油電動機過勵磁或欠勵磁，引發電動機故障。
由于井下液面波動較大，引起轉矩電流變化較大，造成線路壓降變化較大，從而使電動機端電壓變化較大，也易引起電動機過勵磁和欠勵磁，加之井下電動機散熱條件較差，極易燒毀電動機。
無法根據液面變化自動控制排量及液位，難以使電泵在最佳工況點工作。
（6）反轉不方便，如需反轉時，由于突然施加反向扭矩，會造成機械及電器設備損壞。
控制設備設計要求完整的潛油電泵控制設備須滿足下列要求方能達到最佳效果。
能夠對機組進行穩壓，并對欠負載、過負載、接地和堵轉等故障予以防護，確保機組安全運行。
能夠軟啟動，軟失速，并能根據井下工況自動控制排量及壓力，使系統工作在最佳點。
電泵在油井含氣量大或供液不足時，應能控制電動機的速度，控制排量保證合適的沉沒度，節約電能，使電泵在最佳工況點工作。
可方便進行自動、手動、反轉運行，以便適應井下生產需要。
變頻控制系統的開發電泵控制系統的組成及原理電泵控制系統由變頻器、保護及控制單元、波一變頻器；2―波形處理單元；3―專用升壓變壓器；4一電纜；5―潛油電動機；6―保護及控制單元電泵控制系統各部分的功能變頻器變頻器主要采用通用變頻器配矢量電流控制卡，具有電動機調速、轉矩電流測量及控制功能。
保護及控制單元保護及控制單元由可編程控制器控制及保護單元組成，負責系統對電泵的保護及控制，有如下功能。
軟啟動功能。它可使地面以下2000m處的機組平穩啟動，減少啟動電流對電動機絕緣的損壞和機械沖擊扭矩對電泵的損害，杜絕突然增加抽力引起的砂卡現象。
穩壓保護。由于電泵距地面供電系統較遠，線路壓降較大，電網電壓波動一般在15%左右。當電網電壓升高時，引起井下電動機過勵磁；當電網欠電壓時，電動機勵磁電壓不夠，轉矩電流上升，同樣引起電動機過熱。由于井下散熱條件差，極易損壞電動機。采用變頻控制技術可自動控制電動機端電壓，如發生過電壓，可穩壓處理；如發生欠電壓，可沿V/F曲線降頻處理，始終使電動機在正常勵磁狀態工作，大大地降低了電動機故障率。
欠載保護功能。由于井下缺液、進氣等故障，會造成電泵欠載損壞電動機。原工頻系統采取80%負載時45s反時限保護。采用變頻控制系統后，當發生過勵磁時，可自動降低輸出電壓，使潛油電動機保持合適電壓（電動機額定電壓980V，線路阻抗1.78kW）。
工頻系統控制：正常時電壓1140V，電流45A，線距2000m線路壓降160V，電動機電壓980V；欠載時電壓1140V，電流18A，線距2000m線路壓降64V，電動機端電壓達1076V，超過額定電壓。
變頻系統控制：在上述供電參數條件下，電動機電壓始終保持980V，電動機端電壓始終保持在額定范圍內。
軟失速功能。如井下電泵發生機械故障卡住電動機，原工頻系統就會加大轉矩電流，有可能卡死電動機，造成故障，給生產造成重大損失。使用軟失速功能可控制轉矩不超過額定水平，并可方便地使其反轉吐出砂子，保證機組正常運行。
兩種控制功能。一種是轉矩電流控制，它可以間接控制井下液位，主要用于井液較多的場合。井液沉沒度減少時，提升高度會增加，電動機轉矩電流增加，利用此電流構成閉環控制，使電動機轉速減慢，排量減少，沉沒度恢復，達到平衡。反之亦然。另一種是間歇控制，主要用于井液較少場合，采用間歇控制方法，在井液較少情況下可使電動機低速運行，積累液面，并節能。當井液上升到一定高度時，高速運行，提升井液。利用變頻器啟動電流小于額定電流可頻繁啟動的特點來滿足生產要求。
（4）專用變壓器變頻器專用變壓器必須滿足如下技術要求：①在5 ~50Hz頻率范圍有足夠力矩輸出；②能克服高次諧波及直流不對稱分量影響；③在任何頻率下不發生嘯叫。
電泵控制系統的創新點（）增加了二次濾波器，減少了諧波對電網的影響和變壓器嘯叫。
（2）拓展了電泵控制系統的應用范圍，既可用于電泵井的實時控制，又可用于電泵井測二流量不停井試井。
現場應用情況在中原油田電泵。從中可以看出，各參數隨頻率數值的降低而降低。
頻率（Hz）圖中Io電泵實驗特性曲線一輸出電流與額定輸出電流之比，％；輸出電壓與額定輸出電壓之比，％；轉矩電流與額定轉矩電流之比，％；輸出功率，kW；輸出流量，m 16井上各安裝了一套新型電泵控制系統，安裝、調試、投產一次成功。
根據4口井的生產狀況，采用在50Hz下運行2h，25Hz下運行1h的循環生產方式，從投產前后對電動機工作狀況的測算結果看，每口井平均每曰節電334kWh，平均節電率為27. 6%，功率因數從0.75提高到0.9，節電效果非常明顯。同時使檢泵作業周期大大延長，由原來的40d延長到160d，目前仍在正常運轉。特別是H12―109井原新投產電泵生產20d欠載停井達14次，嚴重影響了電泵機組的正常生產。自使用新型電泵控制系統后，采用50Hz運轉2h，46Hz運轉2h交替工作，電泵生產正常，未出現欠載現象。
效益分析：4口新型電泵變頻控制系統共投入80萬元，兩年來4口井因節電和減少維護作業費用創效209.7萬元，階段投入產出比為126.結論新型潛油電泵控制系統自1998年11月中旬在中原石油勘探局第五采油廠投入運行以來，運行狀態良好，節能效果顯著，完全達到了預期效果。新型電泵控制系統，不僅節能，更重要的是改善了電泵機組的運行工況，使電泵機組在最佳工況下工作，延長了作業檢泵周期，節約了大量成本。如果進一步推廣應用，必將取得十分顯著的經濟效益。 |