新產(chǎn)品開發(fā)新型電動(dòng)潛油泵變頻控制系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用唐周懷崔長(zhǎng)國(guó)龔興云汪金周史曉貞（中原石油勘探局第五采油廠）泵變頻控制系統(tǒng)。從設(shè)計(jì)入手，提出系統(tǒng)應(yīng)具有保護(hù)功能、控制功能、調(diào)速功能和操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。簡(jiǎn)要介紹了電泵變頻控制系統(tǒng)的組成及原理，并對(duì)其各部分的功能做了詳細(xì)敘述。該系統(tǒng)具有兩個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)，即增加了二次濾波器和拓展了電泵控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。4口的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，新型電泵控制系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)良好，節(jié)能效果明顯，延長(zhǎng)了檢泵周期，經(jīng)濟(jì)效益較好。

　　唐周懷，工程師，生于1964年，1989年畢業(yè)于江漢石油學(xué)院采油工程專業(yè)，現(xiàn)從事采油工藝研究工作，任采油工藝研究所副所長(zhǎng)。

　　地址：（457001）河南省濮陽(yáng)市u電話：（0393）08?16；修改稿收到日期：2000?主題詞潛油電泵控制系統(tǒng)研制應(yīng)用問題的提出中原石油勘探局所用的電動(dòng)潛油泵（簡(jiǎn)稱電泵）絕大多數(shù)泵深超過(guò)1800m.由于它在井內(nèi)受高溫、高壓、腐蝕和氣蝕的影響，加上地面供電系統(tǒng)電壓波動(dòng)較大，導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行壽命短，效率低，能耗高。以往使用的電泵都是采用全壓?jiǎn)?dòng)和工頻恒速運(yùn)行，通常存在以下問題。

　　工頻全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流過(guò)大，會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)絕緣造成損壞，還會(huì)產(chǎn)生沖擊扭矩，對(duì)管線及電泵結(jié)構(gòu)造成破壞。此外，泵入口會(huì)突然產(chǎn)生較大吸力，可能吸入砂子造成卡泵。

　　無(wú)穩(wěn)壓系統(tǒng)，電源電壓波動(dòng)時(shí)，會(huì)造成潛油電動(dòng)機(jī)過(guò)勵(lì)磁或欠勵(lì)磁，引發(fā)電動(dòng)機(jī)故障。

　　由于井下液面波動(dòng)較大，引起轉(zhuǎn)矩電流變化較大，造成線路壓降變化較大，從而使電動(dòng)機(jī)端電壓變化較大，也易引起電動(dòng)機(jī)過(guò)勵(lì)磁和欠勵(lì)磁，加之井下電動(dòng)機(jī)散熱條件較差，極易燒毀電動(dòng)機(jī)。

　　無(wú)法根據(jù)液面變化自動(dòng)控制排量及液位，難以使電泵在比較佳工況點(diǎn)工作。

　?。?）反轉(zhuǎn)不方便，如需反轉(zhuǎn)時(shí)，由于突然施加反向扭矩，會(huì)造成機(jī)械及電器設(shè)備損壞。

　　控制設(shè)備設(shè)計(jì)要求完整的潛油電泵控制設(shè)備須滿足下列要求方能達(dá)到比較佳效果。

　　能夠?qū)C(jī)組進(jìn)行穩(wěn)壓，并對(duì)欠負(fù)載、過(guò)負(fù)載、接地和堵轉(zhuǎn)等故障予以防護(hù)，確保機(jī)組安全運(yùn)行。

　　能夠軟啟動(dòng)，軟失速，并能根據(jù)井下工況自動(dòng)控制排量及壓力，使系統(tǒng)工作在比較佳點(diǎn)。

　　電泵在油井含氣量大或供液不足時(shí)，應(yīng)能控制電動(dòng)機(jī)的速度，控制排量保證合適的沉沒度，節(jié)約電能，使電泵在比較佳工況點(diǎn)工作。

　　可方便進(jìn)行自動(dòng)、手動(dòng)、反轉(zhuǎn)運(yùn)行，以便適應(yīng)井下生產(chǎn)需要。

　　變頻控制系統(tǒng)的開發(fā)1.電泵控制系統(tǒng)的組成及原理電泵控制系統(tǒng)由變頻器、保護(hù)及控制單元、波2電泵控制系統(tǒng)各部分的功能變頻器變頻器主要采用通用變頻器配矢量電流控制卡，具有電動(dòng)機(jī)調(diào)速、轉(zhuǎn)矩電流測(cè)量及控制功能。

　　保護(hù)及控制單元保護(hù)及控制單元由可編程控制器控制及保護(hù)單元組成，負(fù)責(zé)系統(tǒng)對(duì)電泵的保護(hù)及控制，有如下功能。

　　軟啟動(dòng)功能。它可使地面以下2000m處的機(jī)組平穩(wěn)啟動(dòng)，減少啟動(dòng)電流對(duì)電動(dòng)機(jī)絕緣的損壞和機(jī)械沖擊扭矩對(duì)電泵的損害，杜絕突然增加抽力引起的砂卡現(xiàn)象。

　　穩(wěn)壓保護(hù)。由于電泵距地面供電系統(tǒng)較遠(yuǎn)，線路壓降較大，電網(wǎng)電壓波動(dòng)一般在15%左右。當(dāng)電網(wǎng)電壓升高時(shí)，引起井下電動(dòng)機(jī)過(guò)勵(lì)磁；當(dāng)電網(wǎng)欠電壓時(shí)，電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電壓不夠，轉(zhuǎn)矩電流上升，同樣引起電動(dòng)機(jī)過(guò)熱。由于井下散熱條件差，極易損壞電動(dòng)機(jī)。采用變頻控制技術(shù)可自動(dòng)控制電動(dòng)機(jī)端電壓，如發(fā)生過(guò)電壓，可穩(wěn)壓處理；如發(fā)生欠電壓，可沿V/F曲線降頻處理，始終使電動(dòng)機(jī)在正常勵(lì)磁狀態(tài)工作，大大地降低了電動(dòng)機(jī)故障率。

　　欠載保護(hù)功能。由于井下缺液、進(jìn)氣等故障，會(huì)造成電泵欠載損壞電動(dòng)機(jī)。原工頻系統(tǒng)采取80%負(fù)載時(shí)45s反時(shí)限保護(hù)。采用變頻控制系統(tǒng)后，當(dāng)發(fā)生過(guò)勵(lì)磁時(shí)，可自動(dòng)降低輸出電壓，使?jié)撚碗妱?dòng)機(jī)保持合適電壓（電動(dòng)機(jī)額定電壓980V，線路阻抗1.78AkW）工頻系統(tǒng)控制：正常時(shí)電壓1140V，電流45A，線距2000m線路壓降160V，電動(dòng)機(jī)電壓980V；欠載時(shí)電壓1140V，電流18A，線距2000m線路壓降64V，電動(dòng)機(jī)端電壓達(dá)1076V，超過(guò)額定電壓。

　　變頻系統(tǒng)控制：在上述供電參數(shù)條件下，電動(dòng)機(jī)電壓始終保持980V，電動(dòng)機(jī)端電壓始終保持在額定范圍內(nèi)。

　　軟失速功能。如井下電泵發(fā)生機(jī)械故障卡住電動(dòng)機(jī)，原工頻系統(tǒng)就會(huì)加大轉(zhuǎn)矩電流，有可能卡死電動(dòng)機(jī)，造成故障，給生產(chǎn)造成重大損失。使用軟失速功能可控制轉(zhuǎn)矩不超過(guò)額定水平，并可方便地使其反轉(zhuǎn)吐出砂子，保證機(jī)組正常運(yùn)行。

　　兩種控制功能。一種是轉(zhuǎn)矩電流控制，它可以間接控制井下液位，主要用于井液較多的場(chǎng)合。井液沉沒度減少時(shí)，提升高度會(huì)增加，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩電流增加，利用此電流構(gòu)成閉環(huán)控制，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速減慢，排量減少，沉沒度恢復(fù)，達(dá)到平衡。反之亦然。另一種是間歇控制，主要用于井液較少場(chǎng)合，采用間歇控制方法，在井液較少情況下可使電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行，積累液面，并節(jié)能。當(dāng)井液上升到一定高度時(shí)，高速運(yùn)行，提升井液。利用變頻器啟動(dòng)電流小于額定電流可頻繁啟動(dòng)的特點(diǎn)來(lái)滿足生產(chǎn)要求。

　?。?）專用變壓器變頻器專用變壓器必須滿足如下技術(shù)要求：①在5~50Hz頻率范圍有足夠力矩輸出；②能克服高次諧波及直流不對(duì)稱分量影響；③在任何頻率下不發(fā)生嘯叫。

　　3.電泵控制系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)增加了二次濾波器，減少了諧波對(duì)電網(wǎng)的影響和變壓器嘯叫。

　　拓展了電泵控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，既可用于電泵井的實(shí)時(shí)控制，又可用于電泵井測(cè)二流量不停井試井。

　　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況在中原油田電泵。從中可以看出，各參數(shù)隨頻率數(shù)值的降低而降低。

　　頻率（Hz）圖中Io電泵實(shí)驗(yàn)特性曲線一輸出電流與額定輸出電流之比，輸出電壓與額定輸出電壓之比，?輸出電壓，MPa；轉(zhuǎn)矩電流與額定轉(zhuǎn)矩電流之比，輸出功率，kW；輸出流量，m/d. 1998年11月，在中原油田胡狀油區(qū)供液不足16井上各安裝了一套新型電泵控制系統(tǒng)，安裝、調(diào)試、投產(chǎn)一次成功。

　　口井的生產(chǎn)狀況，采用在50Hz下運(yùn)行2h，25Hz下運(yùn)行1h的循環(huán)生產(chǎn)方式，從投產(chǎn)前后對(duì)電動(dòng)機(jī)工作狀況的測(cè)算結(jié)果看，每口井平均每曰節(jié)電334kWh，平均節(jié)電率為27.6%，功率因數(shù)從0.75提高到0.9，節(jié)電效果非常明顯。同時(shí)使檢泵作業(yè)周期大大延長(zhǎng)，由原來(lái)的40d延長(zhǎng)到160d，目前仍在正常運(yùn)轉(zhuǎn)。特別是H12?109井原新投產(chǎn)電泵生產(chǎn)20d欠載停井達(dá)14次，嚴(yán)重影響了電泵機(jī)組的正常生產(chǎn)。自使用新型電泵控制系統(tǒng)后，采用50Hz運(yùn)轉(zhuǎn)2h，46Hz運(yùn)轉(zhuǎn)2h交替工作，電泵生產(chǎn)正常，未出現(xiàn)欠載現(xiàn)象。

　　效益分析：4口新型電泵變頻控制系統(tǒng)共投入80萬(wàn)元，兩年來(lái)4口井因節(jié)電和減少維護(hù)作業(yè)費(fèi)用創(chuàng)效209. 7萬(wàn)元，階段投入產(chǎn)出比為126.結(jié)論新型潛油電泵控制系統(tǒng)自1998年11月中旬在中原石油勘探局第五采油廠投入運(yùn)行以來(lái)，運(yùn)行狀態(tài)良好，節(jié)能效果顯著，完全達(dá)到了預(yù)期效果。新型電泵控制系統(tǒng)，不僅節(jié)能，更重要的是改善了電泵機(jī)組的運(yùn)行工況，使電泵機(jī)組在比較佳工況下工作，延長(zhǎng)了作業(yè)檢泵周期，節(jié)約了大量成本。如果進(jìn)一步推廣應(yīng)用，必將取得十分顯著的經(jīng)濟(jì)效益。