摘 要：油田開采過程中會用到很多電泵，如直驅螺桿泵、潛油電泵、輸油泵、注水泵等，本文介紹了變頻器在各類電泵上的應用，對提升電泵工作效率，降低能耗方面，能達到良好效果。
關鍵詞：直驅螺桿泵潛油電泵 輸油泵 注水泵 變頻器
1.直驅螺桿泵
1.1項目背景
永磁同步電機直驅螺桿泵由機械傳動系統和電氣控制系統組成，它取消了傳統的皮帶傳動、減速箱減速裝置、停機防反轉機械裝置等，低速永磁同步電機直接驅動光桿帶動井下螺桿泵，其結構如圖1所示。直接驅動方式不需要配置減速箱，不但提高了系統的工作效率，也避免了傳統螺桿泵采油系統經常出現的更換皮帶輪、添加潤滑油、改變生產參數和管理維護不便等問題。普通螺桿泵的機械傳動效率只有80%左右，而通過電機直接驅動光桿，傳動效率可以達到98%。為響應國家規劃發展戰略，提供企業核心競爭力，完成節能減排的目標，國內石油公司正大力加快技術裝備更新改造，數字化也成為油田建設的發展趨勢。
圖1 永磁同步電機直驅螺桿泵
1.2方案介紹
在直驅式螺桿泵數字化方案中可以用通訊控制變頻器，若變頻器的啟停和頻率給定完全用通訊控制，則在控制器中可以編入停機程序，以便當采用自動控制（通訊控制）時緩慢釋放反扭矩。當發出停機命令時，Goodrive300將變頻器控制方式變為扭矩模式再由控制器發出制動力矩信號，經過一定的延時時間后再停止變頻器。
在油田的實際運行中，為了提高抽油機控制的可靠性，一般會備用一路端子硬接的控制方式，從而在整個直驅螺桿泵的控制中形成手動/自動控制，手動為端子控制變頻器，自動為通訊控制變頻器。變頻器直接接入主電路，控制方式切換采用端子切換。采用變頻器緩慢釋放反扭矩的方案變頻器需配置制動單元和制動電阻，抽油桿儲存的彈性形變能量可由制動電阻消耗掉。
圖2 典型井場數字化方案
圖3 系統主電路
1.3方案特點
●Goodrive300采用注入電流的方式可在30ms內完成初始磁極位置的檢測從而保證啟動轉矩大及控制電機不失步，控制系統簡單，系統的啟動性能、速度精度、穩定度等完全滿足工況要求；
●Goodrive300變頻器具有轉速追蹤功能，當螺桿泵轉速失控時，可以平滑無沖擊啟動變頻器（電機），讓其反扭矩在受控的情況下緩慢釋放；
●Goodrive300支持Modbus、Profibus等通訊功能，可以為構建油田自動化、數字化提供標準通訊接口；螺桿泵抽油機防反轉一直是這種抽油方式最大的控制問題，若采用其他控制器（如PLC）來控制變頻器，則可以編入防反轉程序，最大限度的保證停機的安全可靠；
●采用Goodrive300變頻驅動永磁同步電機在不同頻率和不同負載下其整體效率（變頻器+電機）高，可達93%；●螺桿泵抽油機為恒轉矩負載，它在不同的井況下有不同的最佳運行工況，在保證單井最大的采液量的情況下，控制螺桿泵的轉速至最低可最大限度的降低電機的運行功率，加之整套系統本身的高效率，單井抽油系統將實現最佳運行，從宏觀上看，也可節約整個采油廠成本，對經濟發展亦有積極作用。
2.潛油電泵
2.1項目背景
潛油電泵是井下工作的多級離心泵，同油管一起下入井內，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，將電能轉換為機械能，把油井中的井液舉升到地面。通過變頻驅動的潛油電泵性能穩定，節電率高，且大大減少油泵系統的維護。但是，傳統變頻技術的應用也帶來了系列問題，變頻器輸出波形為PWM波，由于現場長線電纜存在分布電感和分布電容，導致電機端產生過電壓，同時變頻器輸出存在著很高的共模電壓，使電機軸承產生電流，造成電機軸承的損壞，另外變頻的使用導致諧波電流更大，使電纜、電機發熱嚴重。 針對傳統變頻的缺點，英威騰設計了全新的Goodrive3000三電平變頻器應用在油泵上，大大的降低了變頻使用對油泵系統的損害。
圖4 潛油電泵
2.2方案介紹
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。
圖5 潛油電泵應用電氣拓撲圖
2.3方案特點
●變頻器采用全新的三電平拓撲，三電平拓撲具有以下優勢：
--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；
-- 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；
-- 輸出電壓相對諧波<5%，輸出電流相對諧波<3%，減少電纜、電機繞組的發熱；
●輸入側配置電抗器，大大提高系統網側的功率因數，功率因數可達0.9以上；
●電源輸入端采用970~1310V的寬電網設計，可滿足不同的電網環境；
●變頻器配置中文液晶鍵盤，方便操作；
●高性能的三電平空間矢量控制(SVPWM)技術;
●采用疊層母排技術：
--減少了雜散電感和IGBT的關斷尖峰；
--緊湊化的設計，減小整機的體積；
--易于安裝和更換，經久耐用；
--可靠性高，安全性高；
●長壽命設計，采用薄膜電容；
●支持多種通信模式；
●變頻驅動可實現潛油電機的軟啟動、軟停車，延長油泵的使用壽命，保護電機、電纜，降低維修費用；
●可以實現輸出電壓、電流的連續調節，以達到輸出功率連續可調的目的，使油泵系統處于最佳工作狀態；
●具有過壓，過流，缺相，過載，過溫等多種保護功能。
3.輸油泵
3.1項目背景
由于輸油泵和輸油管道的特性不匹配（在泵選型過程，不可能選擇到完全與管路特性匹配的輸油泵），在不同的實際運行工況下，需通過調節輸油泵出口閥門來調節流量，據統計4臺輸油泵在雙泵并聯運行時，輸油泵閥門出口最大開度不超過30%。這種運行工況造成在輸油泵出口閥門的前后存在著較大的泵管壓差，由于泵出口閥門的節流造成了大量的能源損失，輸油泵做了大量的無用功，縮短了輸油泵機組的維護周期和使用壽命。
圖6 輸油泵及驅動電機
3.2方案介紹
本項目Goodrive5000系列變頻器配置的旁路系統采用一拖二手動方案，變頻與工頻能夠手動切換。變頻調速系統由用戶開關、手動旁路柜、高壓變頻器、高壓電機組成。手動旁路柜是由真空高壓隔離開關組成。手動旁路柜嚴格按照“五防”聯鎖要求設計，完全能夠保證變頻調速系統安全運行。
1）旁路柜內QS1—QS6均采用高壓刀閘。
2）高壓變頻器與上級高壓開關柜控制聯系：
a.“變頻合閘允許”——常開接點 該點串入上級高壓開關柜的合閘回路，當高壓變頻器控制電源已送，所有柜門均已關閉，高壓變頻器本身無故障。此時該接點處于閉合狀態，高壓開關柜內的高壓斷路器可以閉合。否則高壓斷路器不能閉合。
b.“分閘”——常開接點 該點并入上級高壓開關柜的分閘回路，當高壓變頻器發生重故障時，接點處于閉合狀態，跳開上級高壓斷路器，避免事故擴大。
圖7 一拖二手動旁路一次系統圖
3.3方案特點
●Goodrive5000高壓變頻器極強的過載能力，很好地滿足了球磨調速過程中負載頻繁變化的情況；
●與閥門調速方式相比，變頻器方案能提高效率，達到很好的節能效果；
●系統維護更加簡單；
●可以通過變頻器，提高自動化水平，便于通過PROFIBUS-DP或Modbus組網控制,基至可以組成三級網絡控制系統；
●變頻器的軟啟動功能，使電機的啟動電流<1.2倍額定電流，可以降低對電網及用電設備的沖擊。而使用工頻啟動，沖擊電流高達6~8倍；
●可以自動按設定的多段PLC運行，并具有停機記憶功能及清除記憶功能；
●通過優化工藝參數可實現更多節能。
4.注水泵
4.1項目背景
本項目公司位于西西伯利亞的某油田，注水泵站一共有三臺注水泵，由于工藝流程要求注水泵根據采油量需求注水，會頻繁地投切電網，投切過程中會產生很大的沖擊電流，對電機的絕緣影響也較大。而由于地域因素，常年低溫，不宜進行就地土建等工作，需要將產品集中與集裝箱中，完成配電。一般的軟啟動或者變頻器，已經無法滿足這些特殊應用。根據客戶的需求，新一代高壓變頻器Goodrive5000具有同步切換的功能，在滿足現場工藝要求的同時，也有很好的節能效果。
4.2方案介紹
一般變頻器都具有工頻切變頻的功能，即轉速追蹤啟動，又叫做飛車啟動。
而從變頻切到工頻，變頻運行后直接投入工頻, 如果相位角不匹配, 則沖擊電流很大，甚至能達到額定電流的8倍以上。無擾切換時, 需要盡量保證電網電壓與變頻器輸出電壓相位、幅值一致，同時也需要保證電網頻率與變頻器輸出頻率一致。如果其中一個條件不一致，都會造成電網沖擊。
是目前英威騰高壓變頻器應用較多的一種同步切換方式。與傳統一拖一帶旁路的主回路不同，在輸出側增加了無擾柜。切換過程：
1)首先變頻運行，QS1,QS2, KM1, KM2閉合，KM4閉合，電抗器被短路；
2)變頻運行到電網的頻率；
3)采用鎖相環，根據電機所在電網電壓的相位，調整變頻輸出的相位與其一致；
4)鎖相完成后，KM4斷開，投入電抗器；
5)投入電抗器后，KM3閉合，此時變頻與工頻同時給電機供電；
6)同時供電穩定后， 變頻器自由停機，斷開KM1、KM2，電機進入純工頻狀態。
圖8 一拖一同步切換主回路
4.3方案特點
●整個切換過程變頻器都給電機供電,電機一直處于工頻同步速,速度匹配好；
●不受負載特性限制，對任意負載,都可以達到很小的沖擊電流；
●方案實現起來簡單；
●異步電機和同步電機均可實現；
●可實現一臺變頻器順序啟/停多臺電機，降低設備成本（每臺電機需配置一個旁路柜）。
5.結束語
變頻器控制功能的日益完善，使得此類高性能變頻器將會在越來越多的工業場合中得到應用。變頻器在性能優異的基礎上價格上也有一定的優勢，對于設備制造和使用者既可以降低成本還可以提高原有變頻傳動的性能，此外，使用變頻器大大降低能耗，既位企業節約了成本，節約了能源消耗，又保護了生態環境，在我國制造業升級的過程中，變頻器的應用將會更加廣泛。