變頻調速技術在油田上的應用
0 引言
目前,國內油田為保證持續(xù)的高產、穩(wěn)產,大量使用潛油電泵,這些潛油電泵絕大多數(shù)采用工頻全壓恒速運行方式,但這種方式存在以下缺點。
1)工頻全壓啟動時,對電網產生沖擊,電機沖擊電流大、沖擊扭矩大,造成電機、電纜的加速老化和電泵葉片、軸系的損壞。在采油過程中,由于液面經常變化,需要經常對電泵進行啟停操作,降低了設備使用壽命,增加了維修費用。
2)潛油泵不能根據生產情況調整電泵的輸出功率,造成巨大的能源浪費,難以使電泵工作在最佳工況點上。
3)需要調整油井產量時,只能使用更換油嘴的方法,費力費時,而對供排關系變化較大的油井,靠更換油嘴也滿足不了生產需要,只能通過更換整套機組來完成,造成巨大的浪費。
4)因油井的深度,流量的大小不一致,使用的潛油電泵規(guī)格十分復雜,與之配套的變壓器、啟動設備規(guī)格繁多,增加了備件的儲備和維修的復雜性,加大了生產成本。
變頻調速技術通過改變電源頻率而改變電機轉速。若通過改變電機轉速來調節(jié)潛油泵輸出功率,則可以保證潛油電泵始終運行在高效區(qū),從而可以大幅節(jié)約能源。本文提出一種基于變頻調速技術的潛油電泵控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)充分發(fā)揮了變頻調速技術的優(yōu)勢,使得潛油泵系統(tǒng)得到有效的控制,保證了潛油電機高效穩(wěn)定的運行,節(jié)約了能源,具有很高的經濟意義和應用價值。
1 潛油電泵的工作特性
潛油電泵是一種多級離心泵,其工作特性隨著電機轉速的變化而變化:
1)離心泵的排量與泵的轉速成正比;
2)離心泵的壓力與泵的轉速平方成正比;
3)離心泵的功率與泵的轉速的三次方成正比。
由于潛油電泵的轉速與供電頻率相關,以上可以用轉速和頻率表示,即
2 中壓變頻調速系統(tǒng)
2.1 變頻調速系統(tǒng)的工作原理
變頻器的基本結構圖如圖1 所示,主要由整流器,濾波器,逆變器和控制電路幾部分組成。三相電源所發(fā)出的交流電經整流器變?yōu)橹绷?,再經過逆變器變?yōu)轭l率可調的交流電輸入潛油泵的電機。由電機學的理論可知,異步電動機的轉速基本上與電源頻率成正比,即改變電源頻率就可以改變轉速,潛油泵從高速到低速調節(jié)時均保持高效的性能。
2.2 潛油泵及電機的技術參數(shù)
大港南部油田采油六工區(qū)小13-19井設備參數(shù)如表1所列。
2.3 變頻系統(tǒng)容量的選擇
變頻器的容量選擇與電動機容量密切相關,由于變頻器輸出給電動機的是脈動電流,其脈動值比工頻供電時要大,因此必須將變頻器的容量留有適當?shù)挠嗔?。變頻器容量選擇太小,則電動機潛力就不能充分發(fā)揮;變頻器容量選擇太大,變頻器的余量就顯得沒有意義,且增加了不必要的成本,因此實際工程應用的經驗通常是變頻器的額定輸出電流逸(1.05~1.1)電動機的額定電流(銘牌值)或電動機實際運行中的最大電流。本應用中電機的額定電流是39.5 A,有
通過變頻器的輸出電流及功率的計算,采用天津華云自控股份有限公司的HYVERT-MV 型中壓變頻器,該變頻調速系統(tǒng)的主要技術參數(shù)為:
額定容量80 kVA;
額定輸出電流40 A;
額定輸出電壓1.315 kV;
輸入頻率50 依10% Hz;
輸出頻率范圍0.1耀150 Hz;
輸出頻率分辨率0.01 Hz;
輸入端功率因數(shù)(對于20%額定負載時)>0.95;
變頻系統(tǒng)效率>96%;
過載保護120%額定電流1 min,150%額定電流3 s,200%額定電流立即保護;
加速、減速時間0.1-300 s可調;
諧波控制輸入電流<4%,輸出電壓6%,輸出電流2%;
控制部分模擬量輸入輸出信號0耀20 mA標準信號;
工控機與外部通訊接口RS485;
外殼防護等級逸IP20;
冷卻方式風冷,運行環(huán)境溫度0耀40益。[!--empirenews.page--]
2.4 變頻調速系統(tǒng)的控制方式
控制系統(tǒng)對潛油電機進行速度控制的流程如圖2 所示,此閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)主要由PLC,PID控制調節(jié)器和傳感器等部分組成。其中PLC控制潛油電機的運行狀態(tài)和觸摸屏顯示的人機界面,對潛油泵的流量進行整體控制;PID 調節(jié)器根據設定值和反饋值自動調整變頻器的頻率,控制變頻器對潛油泵進行速度調節(jié),精確調整潛油泵的流量,提高了潛油電機的運行效率。
2.5 變頻調速系統(tǒng)的電路原理
變頻的總體方案為交-直-交其結構圖如圖3所示,三相高壓工頻交流電經高壓開關進入高壓整流橋整流,將交流變?yōu)橹绷鞑⒔涍^直流環(huán)節(jié)對電容器充電。直流電經逆變橋逆變,將直流電變?yōu)殡妷骸㈩l率可調的交流電,經濾波電抗器輸出至電動機。
1)整流單元由高壓二極管組成的三相全橋整流單元,將三相交流電變?yōu)橹绷麟?
2)直流環(huán)節(jié)單元由充電電阻、真空接觸器、兩組電容量相等的電容器組成;
3)逆變橋單元由IGBT組成的三相逆變橋三電平結構,具有獨特的中點電位自動箝位功能,功率器件承受較低電壓,安全可靠,逆變器輸出電壓上升率(dv/dt)小,將直流電逆變?yōu)轭l率、電壓可調的三相交流電;
4)輸出單元由濾波電抗器、電容器(作為可選件)組成,將逆變橋單元輸出的三相交流電濾波后供給電機;
5)控制系統(tǒng)單元由CPU 板、I/O 板、驅動板、接口板、操作鍵盤組成,控制各單元的協(xié)調運行,采集、顯示運行狀態(tài)和數(shù)據,設定、顯示系統(tǒng)的運行參數(shù);
6)旁路開關單元裝置設有工頻、變頻切換,需要工頻運行時,可以通過旁路開關實現(xiàn);
7)正弦濾波器單元采用LC 濾波,經過長期的實際經驗,通常深度在2 000 m 左右的油井選用2 mH 電抗器,PWM 載波頻率1 kHz,輸出電壓諧波含19%,額定工作最高頻率60 Hz。
3 應用效果
小13-19 井安裝HYVERT-MV 型中壓變頻裝置前后節(jié)能效果對比測試數(shù)據如表2 所列。
4 結語
采用中壓變頻器組成的變頻調系統(tǒng),滿足了潛油電泵在不同井況下的運行要求,實現(xiàn)了機組的軟啟軟停,有效地避免或降低了對電機、潛油泵的沖擊損壞,實現(xiàn)了在電網電壓一定的情況下,輸出電壓在一定范圍內可調,有效地降低了運行能耗,提高了生產效率,延長了油田采油設備的使用壽命,減少了運行和維修費用,值得在油田推廣。