新型电动潜油泵变频控制系统的开发与应用

　　新产品开发新型电动潜油泵变频控制系统的开发与应用唐周怀崔长国龚兴云汪金周史晓贞（中原石油勘探局第五采油厂）泵变频控制系统。从设计入手，提出系统应具有保护功能、控制功能、调速功能和操作简单等特点。简要介绍了电泵变频控制系统的组成及原理，并对其各部分的功能做了详细叙述。该系统具有两个创新点，即增加了二次滤波器和拓展了电泵控制系统的应用范围。4口的现场应用结果表明，新型电泵控制系统运行状态良好，节能效果明显，延长了检泵周期，经济效益较好。

　　唐周怀，工程师，生于1964年，1989年毕业于江汉石油学院采油工程专业，现从事采油工艺研究工作，任采油工艺研究所副所长。

　　地址：（457001）河南省濮阳市u电话：（0393）08?16；修改稿收到日期：2000?主题词潜油电泵控制系统研制应用问题的提出中原石油勘探局所用的电动潜油泵（简称电泵）绝大多数泵深超过1800m.由于它在井内受高温、高压、腐蚀和气蚀的影响，加上地面供电系统电压波动较大，导致机组运行寿命短，效率低，能耗高。以往使用的电泵都是采用全压启动和工频恒速运行，通常存在以下问题。

　　工频全压启动时，启动电流过大，会对电动机绝缘造成损坏，还会产生冲击扭矩，对管线及电泵结构造成破坏。此外，泵入口会突然产生较大吸力，可能吸入砂子造成卡泵。

　　无稳压系统，电源电压波动时，会造成潜油电动机过励磁或欠励磁，引发电动机故障。

　　由于井下液面波动较大，引起转矩电流变化较大，造成线路压降变化较大，从而使电动机端电压变化较大，也易引起电动机过励磁和欠励磁，加之井下电动机散热条件较差，极易烧毁电动机。

　　无法根据液面变化自动控制排量及液位，难以使电泵在佳工况点工作。

　　（6）反转不方便，如需反转时，由于突然施加反向扭矩，会造成机械及电器设备损坏。

　　控制设备设计要求完整的潜油电泵控制设备须满足下列要求方能达到佳效果。

　　能够对机组进行稳压，并对欠负载、过负载、接地和堵转等故障予以防护，确保机组安全运行。

　　能够软启动，软失速，并能根据井下工况自动控制排量及压力，使系统工作在佳点。

　　电泵在油井含气量大或供液不足时，应能控制电动机的速度，控制排量保证合适的沉没度，节约电能，使电泵在佳工况点工作。

　　可方便进行自动、手动、反转运行，以便适应井下生产需要。

　　变频控制系统的开发电泵控制系统的组成及原理电泵控制系统由变频器、保护及控制单元、波一变频器；2?波形处理单元；3?专用升压变压器；4一电缆；5?潜油电动机；6?保护及控制单元电泵控制系统各部分的功能变频器变频器主要采用通用变频器配矢量电流控制卡，具有电动机调速、转矩电流测量及控制功能。

　　保护及控制单元保护及控制单元由可编程控制器控制及保护单元组成，负责系统对电泵的保护及控制，有如下功能。

　　软启动功能。它可使地面以下2000m处的机组平稳启动，减少启动电流对电动机绝缘的损坏和机械冲击扭矩对电泵的损害，杜绝突然增加抽力引起的砂卡现象。

　　稳压保护。由于电泵距地面供电系统较远，线路压降较大，电网电压波动一般在15左右。当电网电压升高时，引起井下电动机过励磁；当电网欠电压时，电动机励磁电压不够，转矩电流上升，同样引起电动机过热。由于井下散热条件差，极易损坏电动机。采用变频控制技术可自动控制电动机端电压，如发生过电压，可稳压处理；如发生欠电压，可沿V/F曲线降频处理，始终使电动机在正常励磁状态工作，大大地降低了电动机故障率。

　　欠载保护功能。由于井下缺液、进气等故障，会造成电泵欠载损坏电动机。原工频系统采取80负载时45s反时限保护。采用变频控制系统后，当发生过励磁时，可自动降低输出电压，使潜油电动机保持合适电压（电动机额定电压980V，线路阻抗1.78kW）。

　　工频系统控制：正常时电压1140V，电流45A，线距2000m线路压降160V，电动机电压980V；欠载时电压1140V，电流18A，线距2000m线路压降64V，电动机端电压达1076V，超过额定电压。

　　变频系统控制：在上述供电参数条件下，电动机电压始终保持980V，电动机端电压始终保持在额定范围内。

　　软失速功能。如井下电泵发生机械故障卡住电动机，原工频系统就会加大转矩电流，有可能卡死电动机，造成故障，给生产造成重大损失。使用软失速功能可控制转矩不超过额定水平，并可方便地使其反转吐出砂子，保证机组正常运行。

　　两种控制功能。一种是转矩电流控制，它可以间接控制井下液位，主要用于井液较多的场合。井液沉没度减少时，提升高度会增加，电动机转矩电流增加，利用此电流构成闭环控制，使电动机转速减慢，排量减少，沉没度恢复，达到平衡。反之亦然。另一种是间歇控制，主要用于井液较少场合，采用间歇控制方法，在井液较少情况下可使电动机低速运行，积累液面，并节能。当井液上升到一定高度时，高速运行，提升井液。利用变频器启动电流小于额定电流可频繁启动的特点来满足生产要求。

　　（4）专用变压器变频器专用变压器必须满足如下技术要求：①在5 ~50Hz频率范围有足够力矩输出；②能克服高次谐波及直流不对称分量影响；③在任何频率下不发生啸叫。

　　电泵控制系统的创新点（）增加了二次滤波器，减少了谐波对电网的影响和变压器啸叫。

　　（2）拓展了电泵控制系统的应用范围，既可用于电泵井的实时控制，又可用于电泵井测二流量不停井试井。

　　现场应用情况在中原油田电泵。从中可以看出，各参数随频率数值的降低而降低。

　　频率（Hz）图中Io电泵实验特性曲线一输出电流与额定输出电流之比，％；输出电压与额定输出电压之比，％；转矩电流与额定转矩电流之比，％；输出功率，kW；输出流量，m 16井上各安装了一套新型电泵控制系统，安装、调试、投产一次成功。

　　根据4口井的生产状况，采用在50Hz下运行2h，25Hz下运行1h的循环生产方式，从投产前后对电动机工作状况的测算结果看，每口井平均每曰节电334kWh，平均节电率为27. 6，功率因数从0.75提高到0.9，节电效果非常明显。同时使检泵作业周期大大延长，由原来的40d延长到160d，目前仍在正常运转。特别是H12?109井原新投产电泵生产20d欠载停井达14次，严重影响了电泵机组的正常生产。自使用新型电泵控制系统后，采用50Hz运转2h，46Hz运转2h交替工作，电泵生产正常，未出现欠载现象。

　　效益分析：4口新型电泵变频控制系统共投入80万元，两年来4口井因节电和减少维护作业费用创效209.7万元，阶段投入产出比为126.结论新型潜油电泵控制系统自1998年11月中旬在中原石油勘探局第五采油厂投入运行以来，运行状态良好，节能效果显著，完全达到了预期效果。新型电泵控制系统，不仅节能，更重要的是改善了电泵机组的运行工况，使电泵机组在佳工况下工作，延长了作业检泵周期，节约了大量成本。如果进一步推广应用，必将取得十分显著的经济效益。