時間:2014-09-28 16:39:29來源:深圳市英威騰電氣股份有限公司
摘要:在潛油電泵(簡稱油泵)系統(tǒng)中,變頻器的應(yīng)用越來越廣泛,通過變頻驅(qū)動油泵機組,可實現(xiàn)軟啟動,消除了井下機械和電力沖擊,使泵工作在最佳工況點,有利于延長油泵機組的使用壽命。但是,傳統(tǒng)變頻技術(shù)的應(yīng)用也帶來了系列問題,變頻器輸出波形為PWM波,油泵的供電電纜為1000m~3000m,由于長線電纜存在分布電感和分布電容,導(dǎo)致電機端產(chǎn)生過電壓,同時變頻器輸出存在著很高的共模電壓,使電機軸承產(chǎn)生電流,造成電機軸承的損壞,另外變頻的使用導(dǎo)致諧波電流更大,使電纜、電機發(fā)熱嚴重。針對傳統(tǒng)變頻的缺點,英威騰設(shè)計了全新的Goodrive3000三電平變頻器應(yīng)用在油泵上,大大的降低了變頻使用對油泵系統(tǒng)的損害。
關(guān)鍵詞:Goodrive3000 三電平變頻器 潛油電泵
1.引言
潛油電泵是井下工作的多級離心泵,同油管一起下入井內(nèi),地面電源通過變壓器和潛油電纜等將電能輸送給井下潛油電機,使電機帶動多級離心泵旋轉(zhuǎn),將電能轉(zhuǎn)換為機械能,把油井中的井液舉升到地面。通過變頻驅(qū)動的潛油電泵性能穩(wěn)定,節(jié)電率高,且大大減少油泵系統(tǒng)的維護。本文主要介紹英威騰新一代1140V中壓Goodrive3000系列三電平變頻器在河北勝利油田某現(xiàn)場的應(yīng)用。
2.潛油電泵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理
圖1潛油電泵系統(tǒng)示意圖
潛油電泵系統(tǒng)由七大部分組成:潛油電機、保護器、油氣分離器、潛油電泵、動力電纜、控制柜和接線盒。與其配套使用的還有小扁電纜護罩、電纜卡子、單流閥、泄油閥等。下面為每個部分的作用簡介:
a.潛油電機組中使用的電機為三相鼠籠式異步電機,潛油電機工作電壓一般為400-2600V,電流一般為30-120A。電機功率與電機長度成正比,但每節(jié)電機長度最長不大于10m,電機可以串聯(lián)使用。
b.保護器主要是保護潛油電機,阻止井液進入潛油電機,避免燒毀潛油電機;
c.油氣分離器對于含氣的電泵井,井液在進入潛油電泵之前,要先通過油氣分離器進行氣、液分離,以減少氣體對潛油泵工作性能的影響;
d.潛油電泵是一種多級離心泵,當機組被啟動后,潛油電機帶動潛油電泵軸及軸上葉輪高速旋轉(zhuǎn),將油液抽送至地面;
e.動力電纜是一種用特殊材料絕緣并密封,外加鋼帶鎧裝的潛油動力電纜,其功能是將地面的電能輸送到井下的潛油電機;
f.控制柜用于潛油電泵的啟動和停機,以及運行中的一系列控制;
g.接線盒的作用是連接控制柜到井口之間的潛油電泵動力電纜,以排除電纜中的氣體,防止油井中的易燃氣體進入控制柜,發(fā)生火災(zāi)或爆炸,所以每口油井電泵都必須安裝接線盒。
3.現(xiàn)場工況
Goodrive3000變頻器應(yīng)用的勝利油田某油泵現(xiàn)場比較空曠,油泵附近配置6KV轉(zhuǎn)1280V的變壓器、安裝控制柜和接線柜的鐵皮房。變頻器放置在鐵皮房內(nèi),鐵皮房設(shè)計有兩個通風口,通風口處分別安裝一個交流風扇,采用抽風的方式對房內(nèi)所有設(shè)備進行散熱,該現(xiàn)場一年中的環(huán)境溫度最高可達39℃。下圖為應(yīng)用現(xiàn)場工況示意圖:
圖2 6KV轉(zhuǎn)1280V變壓器 圖3 鐵皮房(含控制柜、接線柜)
圖4潛油電泵地面部分
3.1潛油電機參數(shù)
電機功率 |
電機電壓 |
75kW |
1140V |
額定電流 |
電機線纜長度 |
48A |
1800m |
3.1油泵對變頻器技術(shù)要求
l可實現(xiàn)油泵的軟啟動、軟停車;
l可提高油泵系統(tǒng)的功率因數(shù);
l不受供電電壓波動的影響,能夠輸出穩(wěn)定電壓,能夠補償長電纜的線路損耗;
l具有完善的保護功能;
l控制方便,操作簡單;
4.方案設(shè)計與說明
潛油電機為75KW/1140V,根據(jù)現(xiàn)場工況,采用英威騰Goodrive3000系列的GD3000-00-090G-12兩象限柜式變頻器驅(qū)動。下圖為電氣拓撲示意圖:
圖5GD3000在油泵上的應(yīng)用電氣拓撲圖
GD3000-00-090G-12兩象限柜式變頻器配置輸入電抗器和輸出電抗器;輸入端通過進線柜接入電源,輸出端通過接線盒接入潛油電機。
該方案的優(yōu)勢:
1)變頻器采用全新的三電平拓撲:
圖6三電平電氣拓撲圖
三電平拓撲相比于傳統(tǒng)的兩電平拓撲具有如下優(yōu)點:
a.電機端的du/dt相比于兩電平降低60%,減少電纜和電機的絕緣壓力,從而降低了電纜和電機繞組的損壞;
圖7兩種變頻器在電機端的du/dt
b.電機端的共模電壓更小,電機軸電流小,大大減小對電機軸承的損壞;兩電平共模電壓分為:Udc/2、Udc/6、-Udc/6、-Udc/2四個電平,三電平共模電壓分為:Udc/3、Udc/6、0、-Udc/6、-Udc/3五個電平,如下圖為三電平電機端的共模電壓:
圖8三電平電機端的共模電壓波形
c.輸出電壓相對諧波<5%,輸出電流相對諧波<3%,減少電纜、電機繞組的發(fā)熱;
2)輸入側(cè)配置電抗器,大大提高系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù),功率因數(shù)可達0.9以上;
3)電源輸入端采用970~1310V的寬電網(wǎng)設(shè)計,可滿足不同的電網(wǎng)環(huán)境;
4)變頻器配置中文液晶鍵盤,方便操作;
5)高性能的三電平空間矢量控制(SVPWM)技術(shù)
6)
采用疊層母排技術(shù),如下:
Ø減少了雜散電感和IGBT的關(guān)斷尖峰
Ø緊湊化的設(shè)計,減小整機的體積
Ø易于安裝和更換,經(jīng)久耐用
Ø可靠性高,安全性高
7)
長壽命設(shè)計,采用薄膜電容
Ø耐電壓能力高,絕緣電阻極高
ØESR(等效串聯(lián)電阻)低,耐紋波電流強
Ø抗脈沖能力強,可靠性高
Ø損耗極低,發(fā)熱少,使用壽命長
8)支持多種通信模式
9)可實現(xiàn)后臺監(jiān)控控制,方便操作
10)變頻驅(qū)動可實現(xiàn)潛油電機的軟啟動、軟停車,延長油泵的使用壽命,保護電機、電纜,降低維修費用;
11)可以實現(xiàn)輸出電壓、電流的連續(xù)調(diào)節(jié),以達到輸出功率連續(xù)可調(diào)的目的,使油泵系統(tǒng)處于最佳工作狀態(tài);
12)具有過壓,過流,缺相,過載,過溫等多種保護功能;
5.現(xiàn)場運行情況
變頻器在現(xiàn)場運行良好,滿足現(xiàn)場的工況要求,如下圖為變頻器運行輸出電壓、電流波形波形:
圖9變頻器輸出電壓電流波形
6.結(jié)束語
英威騰全新一代Goodrive3000系列三電平變頻器在潛油電泵上的成功應(yīng)用,增強了油泵系統(tǒng)控制的可操作性,提高了使用壽命,減少了維護成本,可以保證油泵機組工作在最佳工況,同時節(jié)能效果明顯,創(chuàng)造了極大的經(jīng)濟效益。
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