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中压变频器在海上采油平台潜油电泵中的应用
 
北京利德华福电气技术有限公司 张忠良 张有力

  摘要:本文介绍了中压变频器在渤海石油转井平台的应用情况,通过与传统工况的比较,得出电机变频调速是解决问题最佳方案的结论。
  关键词:海上平台 潜油电泵 变频器

1、问题的提出
  目前,国内油田为保证持续的高产、稳产,大量使用潜油电泵,它被安装在地下1000米~3000米深的井里,泵在电动机的带动下高速旋转,将油抽到地面上来。传统的工作方式是电网直接供电,工程上称其为全压工频工作。这种全压工频方式有许多弊端:
  (1)对于复杂断块油田来说,油水井的对应连通性差,部分潜油电泵井出现供液不足,影响到潜油电泵的正常生产及井下机组的运转寿命。当井下油量不富裕时,容易抽空,甚至死井,一旦死井则损失惨重。尤其海上平台在采油时,因为油层稠度大,流动性差,潜油电泵在抽油的过程中不能一下运行到额定转速,否则会出现油层因压力变化过快而断开,电泵只能抽到少量距井口近的油,远离井口的原油因不能够流动,电泵将断液而导致油井报废。并且一旦发生抽空时,定转子将出现干磨,容易产生烧泵的事故。
  (2)工频全压启动时,对电网产生冲击、电机冲击电流大、冲击扭矩大,造成电机、电缆的加速老化和电泵叶片、轴系的损坏。平台电网容量有限,电机工频对电网的冲击有可能导致发电机组停运。在采油过程中,由于液面经常变化,需要经常对电泵进行启停操作,频繁的冲击,降低了设备使用寿命,增加了维修费用。
  (3)电泵在井下几千米处,供电电缆上有100多伏的线路损耗,影响电机的正常供电。
  (4)潜油泵不能根据生产情况调整输出功率,造成巨大的能源浪费,难以使电泵工作在最佳工况点上。

2、解决措施
  如果用变频器给潜油电泵供电,这些问题则可以迎刃而解。变频器能实现电机的软启动,即低压、低频启动,电机是慢慢加速起来的,工作频率不一定是额定频率,而是随意设置或调整,还可以根据井底油压高低自动调整转速,实现转速闭环控制。因此,海上采油平台潜油电泵配套使用变频调速装置,既是生产工艺的要求,也是保证机组安全可靠运行的需要。

3、潜油电泵用中压变频器的分类
  潜油电泵的工作电压一般为三相50Hz,660V,1140V,1450V,1750V,2400V等,依据井深不同而有不同的电压.目前市场上的该类产品主要有2种类型:二极管箝位三电平和单元串联多电平形式。主回路示意图分别如下:


   相对传统的三电平变频器,采用多电平中压变频器驱动潜油电泵具有如下优点:
  (1)输出电压突变率降低20%。采用多电平技术控制比起一般传统三电平控制技术,其dv/dt要低20%以上;因此电机承受的电压应力相对减少许多。
  (2)输出电压波形更佳,由于采用4组H桥串联,因此输出的波形为9电平,谐波更低,正弦度高,输出不需要滤波器,电机运转效率更好。
  (3)网侧谐波污染更少,由于采用24脉冲整流,比传统三电平技术使用的12脉冲整流对电网的谐波注入更小,无需任何输入谐波抑制器,就完全符合IEEE519-1992和GB/T14549-93相关标准最严格的要求。

4、实际应用效果
  2005年中海油渤海石油公司NB35-2WHP海上平台一次使用了15台北京利德华福电气技术有限公司生产的HARSVERT-A系列高压变频器,用于拖动采油平台的潜油泵。这批设备电压等级为3kV,功率等级从200kW到450kW不等,采用Profilbus DP现场总线控制。
  HARSVERT-A系列的3kV的中压变频器能实现输出频率在0-120Hz范围内的自由调节,从而满足潜油电泵在不同井况下的运行要求;实现机组的软启软停,有效的避免或降低了对电机、电源、泵的损害,实现了在电网电压一定的情况下,输出电压在一定范围内可调。
  不同油井及井深、油液面、油粘度的不同,要求潜油电泵有不同的合理抽汲参数。通常,当潜油电泵的参数一定后,采用改频率(电机转速或传动比)的方法来调节,这样不但能省电,达到最佳的经济效益,而且电机能低于额定电流起动,对电机的保护全面。由于潜油电泵属变转矩类负载,即电机在起动时需较大转矩,而停止时则负荷也很重。变频器可以实现软停机,电机转速逐渐下降,软停止对防止油下冲有明显的缓冲作用,油泵不会被打坏。
  05年秋季,我们在海上平台对潜油泵变频器进行了调试,电机额定电压是970V,额定电流是44A,变频器选用的是额定电压3kV,额定电流90A。变频器在使用时将输出电压设定为1100V,补偿了电缆的压降,于9月29日投入运行,启动后运行在30Hz,此后缓慢升高频率,到10月10日运行到50Hz。在10月11日电机切换至工频,在此期间变频器工作正常。保证了油井的正常投产。

5、海上平台装置的特殊性制造工艺
  海洋平台安装空间非常狭小,平台上盐雾大,室内屋顶有滴水,要求装置具有三防保护(防潮、防霉、防盐雾),并且对垂直滴水要有防护。
  潮气、霉菌、盐雾对产品损伤最严重的是印刷线路板(PCB),采用防潮绝缘漆涂盖在PCB上及其它裸露导电体上,以达到防护作用。柜体结构防护等级为IP31,满足海上防滴要求。装置内部使用的部件和材料等,均使用船用等级产品:变压器采用船级变压器,人机界面采用6.4寸的嵌入式一体化人机界面,变频器的所有电缆采用专用的船用电缆,机柜柜体原喷塑部分和内部原所有镀锌件全部采用三防处理,铜排、铜螺栓、铜垫片等铜制器件和所有端子均采用特殊的导电镀层处理,机柜内部的所有绝缘件喷涂三防绝缘漆。通过以上设计和工艺的特殊处理,利德华福公司制造的中压变频器顺利通过了中国船级社的检验,并取得了船级社认证证书。

6、结束语
经过此次利德华福中压变频器在海上平台的成功应用,证明了国产高压变频器完全能够满足海上平台的使用需要,打破了国外厂家对该领域的技术垄断,为国产设备的应用开辟了新的领域。
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