一、引言

隨著我國(guó)節(jié)能減排政策不斷實(shí)施，節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境的理念已深入人心，機(jī)電系統(tǒng)節(jié)能仍是我國(guó)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(jī)電耗電量占總用電量的40%以上。潛油電泵是機(jī)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(yùn)行方式，從節(jié)能和工藝上看有著諸多問(wèn)題，對(duì)潛油電泵實(shí)施變頻改造，可以明顯的節(jié)約能源，并帶來(lái)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(shuō)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(jí)離心泵，同油管一起下入井內(nèi)，地面電源通過(guò)變壓器、控制柜和潛油電纜將電能輸送給井下潛油電機(jī)，使電機(jī)帶動(dòng)多級(jí)離心泵旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)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(jī)、保護(hù)器、多級(jí)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(jī)電源，潛油電機(jī)為異步電機(jī)。潛油電泵具有如下顯著特點(diǎn)：

① 排量大、揚(yáng)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(tái)。

③ 適用于斜井和水平井。

④ 操作簡(jiǎn)單，管理方便。

⑤ 運(yùn)行時(shí)無(wú)噪音，在居住區(qū)不影響環(huán)境。

潛油電泵動(dòng)力電纜需要從地面連接至井下的潛油電機(jī)，電纜長(zhǎng)度有的達(dá)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(jí)。

圖1 潛油電泵

三、傳統(tǒng)潛油電泵存在問(wèn)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(yùn)行。這種方式是最粗糙的供電方式，具有如下弊端。

（1）啟動(dòng)沖擊大

工頻直接啟動(dòng)時(shí)，沖擊電流數(shù)倍于電機(jī)額定電流，會(huì)對(duì)電機(jī)和供電電網(wǎng)造成嚴(yán)重的沖擊，導(dǎo)致對(duì)電網(wǎng)容量要求過(guò)高，而且啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的大電流，不僅無(wú)謂浪費(fèi)掉大量的電能，而且使電動(dòng)機(jī)繞組絕緣老化，威脅電動(dòng)機(jī)的絕緣，嚴(yán)重時(shí)甚至燒毀電動(dòng)機(jī)。

（2）線路損耗大

由于長(zhǎng)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(dòng)機(jī)為感性負(fù)載，加之大馬拉小車(chē)，負(fù)載率較低，工頻運(yùn)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(shí)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(kāi)始起動(dòng)時(shí)，由于井下情況復(fù)雜，要求啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩很高，所以設(shè)計(jì)時(shí)選型一般偏大。在油田現(xiàn)場(chǎng)， “大馬拉小車(chē)”現(xiàn)象是比較常見(jiàn)的，加之潛油泵一直處于工頻恒速運(yùn)行，泵效低。在我國(guó)，潛油泵的系統(tǒng)效率普遍在30%以下。

（6）電能浪費(fèi)嚴(yán)重

由于工頻運(yùn)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(shí)際上，在產(chǎn)液量低的油井工頻運(yùn)行并不能加大采液量，而電機(jī)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(huì)是可觀的。

四、WIN-9GV在勝利油田的變頻改造

勝利油田是我國(guó)第二大油田，是一個(gè)地質(zhì)條件復(fù)雜、含油層系多、儲(chǔ)層種類(lèi)多、物性變化大、油藏類(lèi)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(qiáng)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(chǎng)為例進(jìn)行說(shuō)明。

現(xiàn)場(chǎng)油井泵掛深度約1800m，潛油電機(jī)電壓等級(jí)1080V，功率42KW。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(jī)電纜過(guò)長(zhǎng)，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(zhǎng)電纜的分布電容會(huì)導(dǎo)致電纜中的容型無(wú)功電流的大幅增加，容型無(wú)功電流在傳輸電纜的分布阻抗上會(huì)產(chǎn)生電壓升，當(dāng)電機(jī)輕載滿(mǎn)速運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的端電壓將超過(guò)額定電壓，威脅電機(jī)的絕緣。故當(dāng)電機(jī)電纜過(guò)長(zhǎng)時(shí)，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(zhǎng)，除了增加線路電抗外，還必須對(duì)PWM電壓進(jìn)行濾波。由于現(xiàn)場(chǎng)油井泵掛深度約為1800m，變頻器與電機(jī)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(shí)際使用過(guò)程中，對(duì)本井進(jìn)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(dá)30% 以上。另外，無(wú)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(wú)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(diǎn)

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(diǎn)：

① 電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，器件數(shù)量少，整機(jī)可靠性高。無(wú)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(diǎn)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(duì)電機(jī)絕緣性能無(wú)特殊要求。

⑤ 負(fù)載適應(yīng)能力強(qiáng)，開(kāi)環(huán)低速高轉(zhuǎn)矩輸出，速度控制范圍可達(dá)100:1。

⑥ 滑差補(bǔ)償功能可使電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。

⑦ 內(nèi)置自動(dòng)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償功能，可或超強(qiáng)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。   

WIN-9GV變頻器最突出的優(yōu)點(diǎn)是采用了中性點(diǎn)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(diǎn)箝位三電平PWM模式具有如下優(yōu)點(diǎn)：

① 任何時(shí)刻處于關(guān)斷狀態(tài)的開(kāi)關(guān)器件承受的壓降減小，更適合大容量高電壓的場(chǎng)合。

② 可產(chǎn)生多層階梯形輸出電壓，對(duì)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(wèn)題大大減輕，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)元件一次動(dòng)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(kāi)關(guān)頻率高、損耗大，而三電平逆變器可用較低頻率進(jìn)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作，損耗小、效率提高。

⑤ 主要高次諧波遠(yuǎn)高于開(kāi)關(guān)頻率。

六、結(jié)束語(yǔ)

WIN-9GV變頻器在勝利油田的成功應(yīng)用，單井節(jié)電率達(dá)30%以上，不僅如此，還降低了潛油泵的啟動(dòng)沖擊、改善了電網(wǎng)的功率因數(shù)、延長(zhǎng)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(jìn)，WIN-9GV系列變頻器在潛油泵上的應(yīng)用必將越來(lái)越廣泛。