中壓變頻器在海上采油平臺(tái)潛油電泵中的應(yīng)用

1．問(wèn)題的提出
目前，國(guó)內(nèi)油田為保證持續(xù)的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)，大量使用潛油電泵，它被安裝在地下1000米～3000米深的井里，泵在電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)，將油抽到地面上來(lái)。傳統(tǒng)的工作方式是電網(wǎng)直接供電，工程上稱其為全壓工頻工作。這種全壓工頻方式有許多弊端：
（1）對(duì)于復(fù)雜斷塊油田來(lái)說(shuō),油水井的對(duì)應(yīng)連通性差,部分潛油電泵井出現(xiàn)供液不足,影響到潛油電泵的正常生產(chǎn)及井下機(jī)組的運(yùn)轉(zhuǎn)壽命。當(dāng)井下油量不富裕時(shí)，容易抽空，甚至死井，一旦死井則損失慘重。尤其海上平臺(tái)在采油時(shí)，因?yàn)橛蛯映矶却螅鲃?dòng)性差，潛油電泵在抽油的過(guò)程中不能一下運(yùn)行到額定轉(zhuǎn)速，否則會(huì)出現(xiàn)油層因壓力變化過(guò)快而斷開(kāi)，電泵只能抽到少量距井口近的油，遠(yuǎn)離井口的原油因不能夠流動(dòng)，電泵將斷液而導(dǎo)致油井報(bào)廢。并且一旦發(fā)生抽空時(shí)，定轉(zhuǎn)子將出現(xiàn)干磨，容易產(chǎn)生燒泵的事故。
（2）工頻全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)，對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊、電機(jī)沖擊電流大、沖擊扭矩大，造成電機(jī)、電纜的加速老化和電泵葉片、軸系的損壞。平臺(tái)電網(wǎng)容量有限，電機(jī)工頻對(duì)電網(wǎng)的沖擊有可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組停運(yùn)。在采油過(guò)程中，由于液面經(jīng)常變化，需要經(jīng)常對(duì)電泵進(jìn)行啟停操作，頻繁的沖擊，降低了設(shè)備使用壽命，增加了維修費(fèi)用。
（3）電泵在井下幾千米處，供電電纜上有100多伏的線路損耗，影響電機(jī)的正常供電。
（4）潛油泵不能根據(jù)生產(chǎn)情況調(diào)整輸出功率，造成巨大的能源浪費(fèi)，難以使電泵工作在最佳工況點(diǎn)上。
2．解決措施
如果用變頻器給潛油電泵供電，這些問(wèn)題則可以迎刃而解。變頻器能實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟啟動(dòng)，即低壓、低頻啟動(dòng)，電機(jī)是慢慢加速起來(lái)的，工作頻率不一定是額定頻率，而是隨意設(shè)置或調(diào)整，還可以根據(jù)井底油壓高低自動(dòng)調(diào)整轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。因此，海上采油平臺(tái)潛油電泵配套使用變頻調(diào)速裝置，既是生產(chǎn)工藝的要求，也是保證機(jī)組安全可靠運(yùn)行的需要。
3．潛油電泵用中壓變頻器的分類
潛油電泵的工作電壓一般為三相50Hz,660V,1140V,1450V,1750V,2400V等，依據(jù)井深不同而有不同的電壓.目前市場(chǎng)上的該類產(chǎn)品主要有2種類型：二極管箝位三電平和單元串聯(lián)多電平形式。主回路示意圖分別如下：


三電平主回路示意圖


多電平變頻器結(jié)構(gòu)示意圖
相對(duì)傳統(tǒng)的三電平變頻器，采用多電平中壓變頻器驅(qū)動(dòng)潛油電泵具有如下優(yōu)點(diǎn)：
(1)輸出電壓突變率降低20%。采用多電平技術(shù)控制比起一般傳統(tǒng)三電平控制技術(shù)，其dv/dt要低20%以上；因此電機(jī)承受的電壓應(yīng)力相對(duì)減少許多。
(2)輸出電壓波形更佳，由于采用4組H橋串聯(lián)，因此輸出的波形為9電平，諧波更低,正弦度高，輸出不需要濾波器，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)效率更好。
(3)網(wǎng)側(cè)諧波污染更少，由于采用24脈沖整流，比傳統(tǒng)三電平技術(shù)使用的12脈沖整流對(duì)電網(wǎng)的諧波注入更小，無(wú)需任何輸入諧波抑制器，就完全符合IEEE519-1992和GB/T14549-93相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)最嚴(yán)格的要求。
4．實(shí)際應(yīng)用效果
2005年中海油渤海石油公司NB35-2WHP海上平臺(tái)一次使用了15臺(tái)北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的HARSVERT-A系列高壓變頻器，用于拖動(dòng)采油平臺(tái)的潛油泵。這批設(shè)備電壓等級(jí)為3kV，功率等級(jí)從200kW到450kW不等，采用Profilbus DP現(xiàn)場(chǎng)總線控制。
HARSVERT-A系列的3kV的中壓變頻器能實(shí)現(xiàn)輸出頻率在0-120Hz范圍內(nèi)的自由調(diào)節(jié)，從而滿足潛油電泵在不同井況下的運(yùn)行要求；實(shí)現(xiàn)機(jī)組的軟啟軟停，有效的避免或降低了對(duì)電機(jī)、電源、泵的損害，實(shí)現(xiàn)了在電網(wǎng)電壓一定的情況下，輸出電壓在一定范圍內(nèi)可調(diào)。
不同油井及井深、油液面、油粘度的不同，要求潛油電泵有不同的合理抽汲參數(shù)。通常，當(dāng)潛油電泵的參數(shù)一定后，采用改頻率（電機(jī)轉(zhuǎn)速或傳動(dòng)比）的方法來(lái)調(diào)節(jié)，這樣不但能省電，達(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)效益，而且電機(jī)能低于額定電流起動(dòng)，對(duì)電機(jī)的保護(hù)全面。由于潛油電泵屬變轉(zhuǎn)矩類負(fù)載，即電機(jī)在起動(dòng)時(shí)需較大轉(zhuǎn)矩，而停止時(shí)則負(fù)荷也很重。變頻器可以實(shí)現(xiàn)軟停機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸下降，軟停止對(duì)防止油下沖有明顯的緩沖作用，油泵不會(huì)被打壞。
05年秋季，我們?cè)诤Ｉ掀脚_(tái)對(duì)潛油泵變頻器進(jìn)行了調(diào)試，電機(jī)額定電壓是970V，額定電流是44A，變頻器選用的是額定電壓3kV，額定電流90A。變頻器在使用時(shí)將輸出電壓設(shè)定為1100V，補(bǔ)償了電纜的壓降，于9月29日投入運(yùn)行,啟動(dòng)后運(yùn)行在30Hz，此后緩慢升高頻率，到10月10日運(yùn)行到50Hz。在10月11日電機(jī)切換至工頻，在此期間變頻器工作正常。保證了油井的正常投產(chǎn)。
5．海上平臺(tái)裝置的特殊性制造工藝
海洋平臺(tái)安裝空間非常狹小，平臺(tái)上鹽霧大，室內(nèi)屋頂有滴水，要求裝置具有三防保護(hù)(防潮、防霉、防鹽霧)，并且對(duì)垂直滴水要有防護(hù)。
潮氣、霉菌、鹽霧對(duì)產(chǎn)品損傷最嚴(yán)重的是印刷線路板(PCB),采用防潮絕緣漆涂蓋在PCB上及其它裸露導(dǎo)電體上，以達(dá)到防護(hù)作用。柜體結(jié)構(gòu)防護(hù)等級(jí)為IP31，滿足海上防滴要求。裝置內(nèi)部使用的部件和材料等，均使用船用等級(jí)產(chǎn)品：變壓器采用船級(jí)變壓器，人機(jī)界面采用6.4寸的嵌入式一體化人機(jī)界面，變頻器的所有電纜采用專用的船用電纜，機(jī)柜柜體原噴塑部分和內(nèi)部原所有鍍鋅件全部采用三防處理，銅排、銅螺栓、銅墊片等銅制器件和所有端子均采用特殊的導(dǎo)電鍍層處理，機(jī)柜內(nèi)部的所有絕緣件噴涂三防絕緣漆。通過(guò)以上設(shè)計(jì)和工藝的特殊處理，利德華福公司制造的中壓變頻器順利通過(guò)了中國(guó)船級(jí)社的檢驗(yàn)，并取得了船級(jí)社認(rèn)證證書(shū)。
6．結(jié)束語(yǔ)
經(jīng)過(guò)此次利德華福中壓變頻器在海上平臺(tái)的成功應(yīng)用，證明了國(guó)產(chǎn)高壓變頻器完全能夠滿足海上平臺(tái)的使用需要，打破了國(guó)外廠家對(duì)該領(lǐng)域的技術(shù)壟斷，為國(guó)產(chǎn)設(shè)備的應(yīng)用開(kāi)辟了新的領(lǐng)域。