中壓變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)技術(shù)在潛油電泵中的應(yīng)用

于興國

（大慶油田力神泵業(yè)有限公司，黑龍江 大慶 163413）

逆變器是變頻器在工作運(yùn)行中的最重要部件之一，功率開關(guān)頻率的提升是改善逆變器性能的重要手段，但是，在實(shí)施的過程中會(huì)造成短時(shí)間內(nèi)電壓迅速升高，很大程度上會(huì)增加電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障的概率，影響電動(dòng)機(jī)的使用壽命。地面控制系統(tǒng)與井下電動(dòng)機(jī)在潛油電泵系統(tǒng)中主要通過長度較長的電纜連接，電纜將逆變器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)傳輸?shù)诫妱?dòng)機(jī)上，在傳輸?shù)倪^程中電壓反射問題是不可避免的，可能會(huì)造成電動(dòng)機(jī)一側(cè)電壓快速升高，直接影響電動(dòng)機(jī)的絕緣性能，絕緣性能的下降就會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。要想進(jìn)一步地提升潛油電泵機(jī)組的運(yùn)行效率和運(yùn)行安全，就要在潛油電泵機(jī)組中應(yīng)用中壓變頻調(diào)速技術(shù)，降低起下泵作業(yè)次數(shù)，降低后期維修養(yǎng)護(hù)成本，延長潛油電泵機(jī)組的使用壽命。

1 潛油電泵的系統(tǒng)構(gòu)成

潛油電泵主要由分離器、動(dòng)力電纜、離心機(jī)、變壓器、電動(dòng)機(jī)、控制屏等幾部分組成，要想潛油電泵系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，就要有針對(duì)性地配置相應(yīng)的輔助設(shè)備，主要的輔助設(shè)備包括扶正器、電纜保護(hù)器等。電動(dòng)機(jī)是潛油電泵系統(tǒng)中的重要核心部件，電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)相對(duì)其他部件更加復(fù)雜，因此要想高效率地提升地下原油的開采率，就要科學(xué)合理地驅(qū)動(dòng)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(jī)，主要構(gòu)成分為兩級(jí)，每級(jí)的長度控制在2 ～10m，一旦需要的功率比較大，可以使用多節(jié)串聯(lián)的方式。潛油電機(jī)通常情況下結(jié)構(gòu)為立式懸掛，轉(zhuǎn)子的重量都承受在止推軸承上，電子的定子、轉(zhuǎn)子主要是多段串聯(lián)的形式來完成工作，電機(jī)在工作運(yùn)行的過程中，扶正軸承將轉(zhuǎn)子連接在一起，將轉(zhuǎn)子的擾度控制在一定的范圍內(nèi)。定子銅片在結(jié)構(gòu)上與扶正軸承的定子部位對(duì)應(yīng)，工作運(yùn)行過程中主要是起到扶正與支撐軸承作用。

2 交流調(diào)速技術(shù)

2.1 改變轉(zhuǎn)差率

在保障其他情況不變的基礎(chǔ)上，根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算公式可以改變電動(dòng)轉(zhuǎn)差率，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的功能。要想實(shí)現(xiàn)變頻或者變極調(diào)速功能，就要利用機(jī)電學(xué)的相關(guān)知識(shí)，對(duì)整體系統(tǒng)的同步轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)改變。變頻和變極調(diào)速之間最大的共同點(diǎn)就是轉(zhuǎn)差率不會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的升高和降低發(fā)生改變，發(fā)生改變的只是轉(zhuǎn)子的銅耗。按照能量守恒定律來說，以上調(diào)節(jié)的方式為轉(zhuǎn)差率不變型調(diào)速，應(yīng)用的范圍比較廣，應(yīng)用的效率比較高。轉(zhuǎn)差率在調(diào)速過程中一旦發(fā)生改變，轉(zhuǎn)差功率也會(huì)隨著發(fā)生改變，轉(zhuǎn)差率調(diào)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(diào)速方式，主要的區(qū)分方式為轉(zhuǎn)差功率在調(diào)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(diào)速過程中通過一定的渠道回饋給電網(wǎng)，那就屬于功率回饋型。

2.2 變極調(diào)速

電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算公式可知，電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)隨著極對(duì)數(shù)的變化而變化，變極調(diào)速在籠型異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中應(yīng)用的效果十分理想，主要是因?yàn)檗D(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)在籠型異步電動(dòng)機(jī)中很容易發(fā)生改變，只需要對(duì)變極對(duì)數(shù)進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)置，就能達(dá)到異步電動(dòng)機(jī)逐級(jí)調(diào)速的目的。

2.3 變頻調(diào)速

在電機(jī)保持能量守恒的情況下，根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算公式，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)隨著電源頻率的變化而變化，這種調(diào)速方式的優(yōu)勢(shì)在于調(diào)速的過程十分平滑，調(diào)速的范圍比較寬，調(diào)速的效率比較高，電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中的靜態(tài)特性及動(dòng)態(tài)特性應(yīng)用效果都比較好，在各個(gè)領(lǐng)域中的普及也十分廣泛，為油田創(chuàng)造了更大的經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)潛油電泵工作運(yùn)行的更加安全、可靠，延長潛油電泵的使用壽命，實(shí)現(xiàn)了潛油電泵在不同環(huán)境下適應(yīng)能力的提升，潛油電泵在使用和管理過程中更加規(guī)范，避免電泵排量在變化的情況下，對(duì)電泵起下作業(yè)產(chǎn)生影響，這也是以后我們需要研究和關(guān)注的重點(diǎn)內(nèi)容。

3 中壓變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)技術(shù)分析

潛油電泵在油田眾多開采過程中都屬于技術(shù)十分成熟和應(yīng)用十分廣泛的一種設(shè)備，其主要屬于多級(jí)離心泵的一種。油井深度一般情況下都能達(dá)到幾千米，這就造成了地面系統(tǒng)和井下設(shè)備之間需要較長的電纜連接，而電纜越長產(chǎn)生的壓降越大，因此，為了降低壓降，電動(dòng)機(jī)都不會(huì)設(shè)置工頻工作狀態(tài)，一般控制在中壓范圍內(nèi)。主要是為了避免電壓設(shè)置較低時(shí)，壓降會(huì)對(duì)整個(gè)線路產(chǎn)生影響，造成電動(dòng)機(jī)不能正常的工作運(yùn)行；同時(shí)，電壓的設(shè)置也不能過高，電壓過高會(huì)影響電纜的絕緣性能，增加后期的維修和養(yǎng)護(hù)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(dá)到了2300V。

潛油電泵地面控制系統(tǒng)根據(jù)功能的不同可以分為四個(gè)部分，主要有控制監(jiān)測(cè)部分、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分等。單片機(jī)是控制監(jiān)測(cè)部分中的核心產(chǎn)品。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分的組成主要包括存儲(chǔ)器、鎖存器、數(shù)據(jù)分配器等，根據(jù)實(shí)際情況主要的運(yùn)行流程為對(duì)電壓及頻率使用科學(xué)合理的控制程序或者單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的選擇，運(yùn)行過程中，存儲(chǔ)器將相關(guān)的數(shù)據(jù)信息及時(shí)存儲(chǔ)起來，信號(hào)頻率通過定時(shí)器傳輸出去，利用功率開關(guān)在相關(guān)的順序上進(jìn)行科學(xué)合理的控制。單片機(jī)在整體系統(tǒng)中的作用主要是將反饋信號(hào)收集、接收，同時(shí)單片機(jī)也能有效的控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，一旦出現(xiàn)短路、欠壓、缺相、過載等現(xiàn)象，可以第一時(shí)間采取保護(hù)措施，保障整個(gè)系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，延長電機(jī)的使用壽命。中壓變頻器與傳統(tǒng)兩電平輸相比，有著對(duì)電壓脈沖及電壓波形控制更加合理的優(yōu)勢(shì)，有效消減電壓的變化速率，避免電機(jī)在工作運(yùn)行過程中破壞絕緣性能，保障電機(jī)和電纜的正常工作，延長其使用壽命。

4 主要的技術(shù)特點(diǎn)分析

4.1 實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)

軟啟動(dòng)在中壓變頻調(diào)速技術(shù)中的應(yīng)用，主要是為了電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的更加平滑，避免電流對(duì)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生沖擊，將電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流控制在額定電流的150%范圍內(nèi)。電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)的過程中，同步化的狀態(tài)可以根據(jù)頻率的實(shí)時(shí)變化來實(shí)現(xiàn)，降低沖擊電流和反電動(dòng)勢(shì)，避免絕緣層產(chǎn)生破壞，起到保護(hù)絕緣層的作用。在對(duì)系統(tǒng)內(nèi)容不斷優(yōu)化和完善的過程中，變頻改造工作一定要遵循科學(xué)合理的原則，軟啟動(dòng)和軟停車是潛油電泵系統(tǒng)中十分重要的功能。

4.2 具有節(jié)能性

中壓變頻調(diào)速技術(shù)在潛油電泵中的應(yīng)用，有效地實(shí)現(xiàn)了能源的節(jié)約。經(jīng)過對(duì)使用中壓變頻調(diào)速技術(shù)前后電動(dòng)機(jī)消耗的電能相比較，在應(yīng)用中壓變頻調(diào)速技術(shù)后，電能節(jié)省了50%左右，同時(shí)無功功率無論在重載或者輕載的情況下，都實(shí)現(xiàn)了最大程度的下降，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的供電處于一個(gè)全新的水平，達(dá)到了節(jié)能的目的。在調(diào)節(jié)變頻的同時(shí)，也可以有效地控制油壓狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)潛油電泵長期處于一個(gè)穩(wěn)定的工作狀態(tài)，避免高壓化工作，工作人員根據(jù)油井工作的實(shí)時(shí)狀態(tài)，對(duì)出油量進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)油井處于最佳的工作狀態(tài)。

4.3 實(shí)現(xiàn)智能化

計(jì)算機(jī)操作法在應(yīng)用的過程中也可以適當(dāng)?shù)匾?，達(dá)到無人操作智能化的控制目的，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制壓力、溫度等數(shù)據(jù)參數(shù)，提高整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)化水平。變頻調(diào)速技術(shù)在整個(gè)工作過程中的改造，實(shí)現(xiàn)了富油油井中大幅度提升其油井產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)了貧油油井大幅度改善其油井過去產(chǎn)量情況，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)化的生產(chǎn)效果，降低了電能資金的投入，為企業(yè)提高了經(jīng)濟(jì)效益。智能化技術(shù)在含砂油井中的應(yīng)用效果更加明顯，有效地降低了卡泵事故發(fā)生的幾率，同時(shí)配合反轉(zhuǎn)排砂技術(shù)，對(duì)潛油電泵的使用年限實(shí)現(xiàn)了延長。智能化技術(shù)在含氣油井中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步提升，降低了氣鎖現(xiàn)象發(fā)生的概率，保障了潛油電泵的生產(chǎn)效率。智能化技術(shù)在含蠟油井中的應(yīng)用，降低了油井結(jié)蠟、堵塞等問題發(fā)生的概率。因此，智能化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)油田經(jīng)濟(jì)效率提升的關(guān)鍵。

4.4 降低發(fā)熱性

中壓變頻調(diào)速技術(shù)在潛油電泵中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)工作運(yùn)行過程中發(fā)熱現(xiàn)象的有效減緩，系統(tǒng)部件的磨損程度有效下降，電動(dòng)機(jī)的使用壽命得到保障。在以往的研究和分析中我們發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng)沒有相應(yīng)的欠載保護(hù)功能，多電泵變頻器與兩電泵輸出變頻器系統(tǒng)相比較時(shí)，電壓的波形更好，諧波的含量更低，可以實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)的集中化應(yīng)用，避免諧波對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生一定的干擾，同時(shí)，電動(dòng)機(jī)在工作運(yùn)行中產(chǎn)生的熱量也大大降低。

4.5 穩(wěn)定性更高

中壓變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了潛油電泵運(yùn)行的更加穩(wěn)定，功率開關(guān)器件的控制技術(shù)更加成熟，性價(jià)比更高，保障了潛油電泵系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、安全性，降低了系統(tǒng)的故障率，促進(jìn)了油田后續(xù)工作的有序開展。

5 變頻調(diào)速技術(shù)的具體應(yīng)用

隨著變頻調(diào)速技術(shù)在油田潛油電泵系統(tǒng)中應(yīng)用的越來越廣泛，起到的效果也越來越理想，油田機(jī)械采油設(shè)備中，潛油電泵是重要的設(shè)備之一，發(fā)揮著重要的作用，尤其是油田開采的中后期，潛油電泵的應(yīng)用比較頻繁，潛油電泵通常屬于多級(jí)離心泵的一種，一般使用在油井深處，使用環(huán)境比較惡劣。在這種情況下，潛油電泵的工作狀態(tài)直接影響油田的開采質(zhì)量和開采效率。三相電平變頻調(diào)速控制系統(tǒng)主要是依靠變頻調(diào)速技術(shù)構(gòu)建而來的，實(shí)現(xiàn)對(duì)潛油電泵配電控制箱變壓器的優(yōu)化和改善，變壓器根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)際情況，科學(xué)合理地進(jìn)行控制和運(yùn)用。我們通過對(duì)潛油電泵電機(jī)轉(zhuǎn)速智能化的控制和調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了潛油電泵應(yīng)用效果的進(jìn)一步提升，三電平變頻控制系統(tǒng)主要有控制檢測(cè)、電壓波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、變換輸出、頻率生成等四部分組成。（1）單片機(jī)是控制檢測(cè)單元中的重要組成部分，對(duì)潛油電泵在井下的作業(yè)情況實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的檢測(cè)，對(duì)潛油電泵的工作狀態(tài)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的了解和掌握；（2）頻率生成部分主要由計(jì)數(shù)器、鎖相環(huán)節(jié)、定時(shí)器等部件組成，根據(jù)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作原理，生成相應(yīng)的電源輸入頻率；（3）電壓波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)主要由數(shù)據(jù)分配環(huán)節(jié)、存儲(chǔ)器等部件組成，根據(jù)實(shí)際的工作狀態(tài)，對(duì)頻率、電壓進(jìn)行最優(yōu)選擇，分配和輸送相應(yīng)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)有效控制，并協(xié)調(diào)、穩(wěn)定地運(yùn)行；（4）變化輸出主要是將變頻使用工作電源進(jìn)行處理，充分發(fā)揮出潛油電泵變頻器的優(yōu)勢(shì)，輸出主要依靠輸出變頻，實(shí)現(xiàn)潛油電泵功能發(fā)揮的最大化。

潛油電泵變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用經(jīng)過以上的研究和分析發(fā)現(xiàn)，提升了潛油電泵輸出頻率，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)工作運(yùn)行時(shí)旋轉(zhuǎn)切割磁場(chǎng)的穩(wěn)定性，對(duì)電流的范圍進(jìn)行了科學(xué)合理的控制，充分考慮了工作運(yùn)行時(shí)的安全性。潛油電泵通常情況下在啟動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的電流沖擊和電壓過高，變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用有效地解決了以上問題，降低了潛油電泵電機(jī)和電纜出現(xiàn)故障的概率，保障了潛油電泵的工作效率和工作質(zhì)量。

6 結(jié)語

經(jīng)過以上的研究和分析發(fā)現(xiàn)，潛油電泵機(jī)組中壓變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，完成了潛油電泵機(jī)組節(jié)能的目標(biāo)，促進(jìn)了油田企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提升。尤其在海上油田，中壓變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用的更加廣泛，取得的經(jīng)濟(jì)價(jià)值更高。我們?cè)谝院髮?duì)中壓變頻調(diào)速技術(shù)的深入研究過程中，還要不斷地對(duì)其推廣和宣傳，在我國更多油田的油井中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，提升油井產(chǎn)量，保障運(yùn)行安全，降低潛油電泵后期的維修和保養(yǎng)成本，促進(jìn)油田經(jīng)濟(jì)效益的提升。油田開采過程中，潛油電泵中壓變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，降低了潛油電泵機(jī)組故障率，延長了潛油電泵機(jī)組的使用壽命，是油田未來發(fā)展的重要里程碑。