時間:2014-12-12 20:05:44來源:深圳市微能科技有限公司
一、引言
隨著我國節(jié)能減排政策不斷實施,節(jié)約能源、保護環(huán)境的理念已深入人心,機電系統(tǒng)節(jié)能仍是我國的主要節(jié)能工程之一。石油行業(yè)擁有眾多抽油設(shè)備,機電耗電量占總用電量的40%以上。潛油電泵是機械采油設(shè)備家族中重要的一員,在油田得到了廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的潛油電泵采用工頻直接運行方式,從節(jié)能和工藝上看有著諸多問題,對潛油電泵實施變頻改造,可以明顯的節(jié)約能源,并帶來諸多好處。本文僅以WIN-9GV變頻器在勝利油田的應(yīng)用為例行說明,為潛油電泵的變頻改造提供最佳推廣方案。
二、潛油電泵介紹
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、控制柜和潛油電纜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。潛油電泵結(jié)構(gòu)如圖1 所示。井下部分由潛油電機、保護器、多級離心泵、分離器、電纜構(gòu)成,地面控制柜提供給井下潛油電機電源,潛油電機為異步電機。潛油電泵具有如下顯著特點:
① 排量大、揚程高。
② 地面設(shè)備占用面積和空間小,特別適用于海上采油平臺。
③ 適用于斜井和水平井。
④ 操作簡單,管理方便。
⑤ 運行時無噪音,在居住區(qū)不影響環(huán)境。
潛油電泵動力電纜需要從地面連接至井下的潛油電機,電纜長度有的達3千米,基于電纜直徑和絕緣的綜合考慮,潛油電泵一般采用660V/1140V/2300V的電壓等級。
圖1 潛油電泵
三、傳統(tǒng)潛油電泵存在問題分析
傳統(tǒng)潛油電泵采用工頻直接供電的方式,潛油泵全速運行。這種方式是最粗糙的供電方式,具有如下弊端。
(1)啟動沖擊大
工頻直接啟動時,沖擊電流數(shù)倍于電機額定電流,會對電機和供電電網(wǎng)造成嚴(yán)重的沖擊,導(dǎo)致對電網(wǎng)容量要求過高,而且啟動時產(chǎn)生的大電流,不僅無謂浪費掉大量的電能,而且使電動機繞組絕緣老化,威脅電動機的絕緣,嚴(yán)重時甚至燒毀電動機。
(2)線路損耗大
由于長電纜的分布阻抗的影響,導(dǎo)致線路中電壓損耗加大。
(3)功率因數(shù)低
由于異步電動機為感性負(fù)載,加之大馬拉小車,負(fù)載率較低,工頻運行的功率因數(shù)低。
(4) 調(diào)速困難
在產(chǎn)液量低的油井中,容易發(fā)生空抽現(xiàn)象,有時伴隨將泥砂抽出的現(xiàn)象,造成電泵砂卡損壞故障。
(5)系統(tǒng)效率低
潛油泵在開始起動時,由于井下情況復(fù)雜,要求啟動轉(zhuǎn)矩很高,所以設(shè)計時選型一般偏大。在油田現(xiàn)場, “大馬拉小車”現(xiàn)象是比較常見的,加之潛油泵一直處于工頻恒速運行,泵效低。在我國,潛油泵的系統(tǒng)效率普遍在30%以下。
(6)電能浪費嚴(yán)重
由于工頻運行的潛油泵不能根據(jù)產(chǎn)液情況調(diào)整離心泵轉(zhuǎn)速,實際上,在產(chǎn)液量低的油井工頻運行并不能加大采液量,而電機的能耗依然很大,泵效很低。在保證產(chǎn)液量不變的情況下降低泵速,節(jié)約的電能將會是可觀的。
四、WIN-9GV在勝利油田的變頻改造
勝利油田是我國第二大油田,是一個地質(zhì)條件復(fù)雜、含油層系多、儲層種類多、物性變化大、油藏類型多的復(fù)式含油盆地。潛油電泵的掛泵深度一般在地平面以下1000~3000米處,井下的高溫和強腐蝕使?jié)撚捅玫墓ぷ鳝h(huán)境極度惡劣。本文僅以某采油廠一井場為例進行說明。
現(xiàn)場油井泵掛深度約1800m,潛油電機電壓等級1080V,功率42KW。根據(jù)現(xiàn)場情況,配置WIN-9GV-055T11變頻器,變頻器主接線原理示意如圖2。
圖2 變頻器主回路接線原理示意圖
由于電壓型變頻器的輸出電壓為PWM波,若電機電纜過長,電纜間及電纜與地之間的分布電容參數(shù)將影響明顯。高頻電壓諧波和長電纜的分布電容會導(dǎo)致電纜中的容型無功電流的大幅增加,容型無功電流在傳輸電纜的分布阻抗上會產(chǎn)生電壓升,當(dāng)電機輕載滿速運行時,電機的端電壓將超過額定電壓,威脅電機的絕緣。故當(dāng)電機電纜過長時,必須增加線路電抗以抵消分布電容產(chǎn)生的容型電流,若電纜非常長,除了增加線路電抗外,還必須對PWM電壓進行濾波。由于現(xiàn)場油井泵掛深度約為1800m,變頻器與電機距離非常遠(yuǎn),配置了正弦波濾波器。
變頻器主要參數(shù)設(shè)置如表2所示。
表2 變頻器主要參數(shù)設(shè)置
在潛油電泵實際使用過程中,對本井進行跟蹤觀察,節(jié)能效果明顯,根據(jù)井況調(diào)節(jié)潛油泵轉(zhuǎn)速,節(jié)電率高達30% 以上。另外,無論重載或輕載,系統(tǒng)的功率因數(shù)均較高,尤其在小負(fù)載狀態(tài),無功功率大大減小,提高了功率因數(shù),提高電網(wǎng)供電能力,具有明顯的節(jié)電效果。
五、WIN-9GV的技術(shù)特點
WIN-9GV系列變頻器是微能公司自主研發(fā)生產(chǎn)的高性能變頻器,具有如下特點:
① 電路結(jié)構(gòu)簡單,器件數(shù)量少,整機可靠性高。無需功率器件串聯(lián)就可獲得較高的電壓輸出。
② 逆變部分采用中性點箝位三電平PWM型式。
③ 輸出電壓更接近正弦波,電壓中高次諧波含量低。
④ dv/dt小,對電機絕緣性能無特殊要求。
⑤ 負(fù)載適應(yīng)能力強,開環(huán)低速高轉(zhuǎn)矩輸出,速度控制范圍可達100:1。
⑥ 滑差補償功能可使電機穩(wěn)定運行。
⑦ 內(nèi)置自動轉(zhuǎn)矩補償功能,可或超強啟動轉(zhuǎn)矩。
WIN-9GV變頻器最突出的優(yōu)點是采用了中性點箝位三電平PWM模式,其逆變電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 三電平逆變電路結(jié)構(gòu)
采用中性點箝位三電平PWM模式具有如下優(yōu)點:
① 任何時刻處于關(guān)斷狀態(tài)的開關(guān)器件承受的壓降減小,更適合大容量高電壓的場合。
② 可產(chǎn)生多層階梯形輸出電壓,對階梯波再作調(diào)制可以得到很好近似的正弦波,理論上提高電平數(shù)可接近標(biāo)準(zhǔn)正弦波形、諧波含量很小。
③ 電磁干擾(EMI)問題大大減輕,因為開關(guān)元件一次動作的dv/dt通常只有傳統(tǒng)雙電平的一半。
④ 效率高。消除同樣諧波,兩電平PWM控制法開關(guān)頻率高、損耗大,而三電平逆變器可用較低頻率進行開關(guān)動作,損耗小、效率提高。
⑤ 主要高次諧波遠(yuǎn)高于開關(guān)頻率。
六、結(jié)束語
WIN-9GV變頻器在勝利油田的成功應(yīng)用,單井節(jié)電率達30%以上,不僅如此,還降低了潛油泵的啟動沖擊、改善了電網(wǎng)的功率因數(shù)、延長了油井設(shè)備的使用壽命等等。隨著油田節(jié)能改造的推進,WIN-9GV系列變頻器在潛油泵上的應(yīng)用必將越來越廣泛。
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