關(guān)鍵詞：直驅(qū)螺桿泵潛油電泵 輸油泵 注水泵 變頻器
1.直驅(qū)螺桿泵
1.1項(xiàng)目背景
永磁同步電機(jī)直驅(qū)螺桿泵由機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)組成，它取消了傳統(tǒng)的皮帶傳動(dòng)、減速箱減速裝置、停機(jī)防反轉(zhuǎn)機(jī)械裝置等，低速永磁同步電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)光桿帶動(dòng)井下螺桿泵，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。直接驅(qū)動(dòng)方式不需要配置減速箱，不但提高了系統(tǒng)的工作效率，也避免了傳統(tǒng)螺桿泵采油系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)的更換皮帶輪、添加潤(rùn)滑油、改變生產(chǎn)參數(shù)和管理維護(hù)不便等問(wèn)題。普通螺桿泵的機(jī)械傳動(dòng)效率只有80%左右，而通過(guò)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)光桿，傳動(dòng)效率可以達(dá)到98%。為響應(yīng)國(guó)家規(guī)劃發(fā)展戰(zhàn)略，提供企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力，完成節(jié)能減排的目標(biāo)，國(guó)內(nèi)石油公司正大力加快技術(shù)裝備更新改造，數(shù)字化也成為油田建設(shè)的發(fā)展趨勢(shì)。
圖1 永磁同步電機(jī)直驅(qū)螺桿泵
1.2方案介紹
在直驅(qū)式螺桿泵數(shù)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(jī)程序，以便當(dāng)采用自動(dòng)控制（通訊控制）時(shí)緩慢釋放反扭矩。當(dāng)發(fā)出停機(jī)命令時(shí)，Goodrive300將變頻器控制方式變?yōu)榕ぞ啬Ｊ皆儆煽刂破靼l(fā)出制動(dòng)力矩信號(hào)，經(jīng)過(guò)一定的延時(shí)時(shí)間后再停止變頻器。
在油田的實(shí)際運(yùn)行中，為了提高抽油機(jī)控制的可靠性，一般會(huì)備用一路端子硬接的控制方式，從而在整個(gè)直驅(qū)螺桿泵的控制中形成手動(dòng)/自動(dòng)控制，手動(dòng)為端子控制變頻器，自動(dòng)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(dòng)單元和制動(dòng)電阻，抽油桿儲(chǔ)存的彈性形變能量可由制動(dòng)電阻消耗掉。
圖2 典型井場(chǎng)數(shù)字化方案
圖3 系統(tǒng)主電路
1.3方案特點(diǎn)
●Goodrive300采用注入電流的方式可在30ms內(nèi)完成初始磁極位置的檢測(cè)從而保證啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大及控制電機(jī)不失步，控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)的啟動(dòng)性能、速度精度、穩(wěn)定度等完全滿(mǎn)足工況要求；
●Goodrive300變頻器具有轉(zhuǎn)速追蹤功能，當(dāng)螺桿泵轉(zhuǎn)速失控時(shí)，可以平滑無(wú)沖擊啟動(dòng)變頻器（電機(jī)），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(gòu)建油田自動(dòng)化、數(shù)字化提供標(biāo)準(zhǔn)通訊接口；螺桿泵抽油機(jī)防反轉(zhuǎn)一直是這種抽油方式最大的控制問(wèn)題，若采用其他控制器（如PLC）來(lái)控制變頻器，則可以編入防反轉(zhuǎn)程序，最大限度的保證停機(jī)的安全可靠；
●采用Goodrive300變頻驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)在不同頻率和不同負(fù)載下其整體效率（變頻器+電機(jī)）高，可達(dá)93%；
●螺桿泵抽油機(jī)為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，它在不同的井況下有不同的最佳運(yùn)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(zhuǎn)速至最低可最大限度的降低電機(jī)的運(yùn)行功率，加之整套系統(tǒng)本身的高效率，單井抽油系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)最佳運(yùn)行，從宏觀(guān)上看，也可節(jié)約整個(gè)采油廠(chǎng)成本，對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展亦有積極作用。
2.潛油電泵
2.1項(xiàng)目背景
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)變壓器和潛油電纜等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。通過(guò)變頻驅(qū)動(dòng)的潛油電泵性能穩(wěn)定，節(jié)電率高，且大大減少油泵系統(tǒng)的維護(hù)。但是，傳統(tǒng)變頻技術(shù)的應(yīng)用也帶來(lái)了系列問(wèn)題，變頻器輸出波形為PWM波，由于現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)線(xiàn)電纜存在分布電感和分布電容，導(dǎo)致電機(jī)端產(chǎn)生過(guò)電壓，同時(shí)變頻器輸出存在著很高的共模電壓，使電機(jī)軸承產(chǎn)生電流，造成電機(jī)軸承的損壞，另外變頻的使用導(dǎo)致諧波電流更大，使電纜、電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重。 針對(duì)傳統(tǒng)變頻的缺點(diǎn)，英威騰設(shè)計(jì)了全新的Goodrive3000三電平變頻器應(yīng)用在油泵上，大大的降低了變頻使用對(duì)油泵系統(tǒng)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(guò)進(jìn)線(xiàn)柜接入電源，輸出端通過(guò)接線(xiàn)盒接入潛油電機(jī)。
圖5 潛油電泵應(yīng)用電氣拓?fù)鋱D
2.3方案特點(diǎn)
●變頻器采用全新的三電平拓?fù)?，三電平拓?fù)渚哂幸韵聝?yōu)勢(shì)：
--電機(jī)端的du/dt相比于兩電平降低60%，減少電纜和電機(jī)的絕緣壓力，從而降低了電纜和電機(jī)繞組的損壞；
-- 電機(jī)端的共模電壓更小，電機(jī)軸電流小，大大減小對(duì)電機(jī)軸承的損壞；
-- 輸出電壓相對(duì)諧波<5%，輸出電流相對(duì)諧波<3%，減少電纜、電機(jī)繞組的發(fā)熱；
●輸入側(cè)配置電抗器，大大提高系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)，功率因數(shù)可達(dá)0.9以上；
●電源輸入端采用970~1310V的寬電網(wǎng)設(shè)計(jì)，可滿(mǎn)足不同的電網(wǎng)環(huán)境；
●變頻器配置中文液晶鍵盤(pán)，方便操作；
●高性能的三電平空間矢量控制(SVPWM)技術(shù);
●采用疊層母排技術(shù)：
--減少了雜散電感和IGBT的關(guān)斷尖峰；
--緊湊化的設(shè)計(jì)，減小整機(jī)的體積；
--易于安裝和更換，經(jīng)久耐用；
--可靠性高，安全性高；
●長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)，采用薄膜電容；
●支持多種通信模式；
●變頻驅(qū)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)潛油電機(jī)的軟啟動(dòng)、軟停車(chē)，延長(zhǎng)油泵的使用壽命，保護(hù)電機(jī)、電纜，降低維修費(fèi)用；
●可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓、電流的連續(xù)調(diào)節(jié)，以達(dá)到輸出功率連續(xù)可調(diào)的目的，使油泵系統(tǒng)處于最佳工作狀態(tài)；
●具有過(guò)壓，過(guò)流，缺相，過(guò)載，過(guò)溫等多種保護(hù)功能。
3.輸油泵
3.1項(xiàng)目背景
由于輸油泵和輸油管道的特性不匹配（在泵選型過(guò)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(shí)際運(yùn)行工況下，需通過(guò)調(diào)節(jié)輸油泵出口閥門(mén)來(lái)調(diào)節(jié)流量，據(jù)統(tǒng)計(jì)4臺(tái)輸油泵在雙泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，輸油泵閥門(mén)出口最大開(kāi)度不超過(guò)30%。這種運(yùn)行工況造成在輸油泵出口閥門(mén)的前后存在著較大的泵管壓差，由于泵出口閥門(mén)的節(jié)流造成了大量的能源損失，輸油泵做了大量的無(wú)用功，縮短了輸油泵機(jī)組的維護(hù)周期和使用壽命。
圖6 輸油泵及驅(qū)動(dòng)電機(jī)
3.2方案介紹
本項(xiàng)目Goodrive5000系列變頻器配置的旁路系統(tǒng)采用一拖二手動(dòng)方案，變頻與工頻能夠手動(dòng)切換。變頻調(diào)速系統(tǒng)由用戶(hù)開(kāi)關(guān)、手動(dòng)旁路柜、高壓變頻器、高壓電機(jī)組成。手動(dòng)旁路柜是由真空高壓隔離開(kāi)關(guān)組成。手動(dòng)旁路柜嚴(yán)格按照“五防”聯(lián)鎖要求設(shè)計(jì)，完全能夠保證變頻調(diào)速系統(tǒng)安全運(yùn)行。
1）旁路柜內(nèi)QS1—QS6均采用高壓刀閘。
2）高壓變頻器與上級(jí)高壓開(kāi)關(guān)柜控制聯(lián)系：
a.“變頻合閘允許”——常開(kāi)接點(diǎn) 該點(diǎn)串入上級(jí)高壓開(kāi)關(guān)柜的合閘回路，當(dāng)高壓變頻器控制電源已送，所有柜門(mén)均已關(guān)閉，高壓變頻器本身無(wú)故障。此時(shí)該接點(diǎn)處于閉合狀態(tài)，高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)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(kāi)接點(diǎn) 該點(diǎn)并入上級(jí)高壓開(kāi)關(guān)柜的分閘回路，當(dāng)高壓變頻器發(fā)生重故障時(shí)，接點(diǎn)處于閉合狀態(tài)，跳開(kāi)上級(jí)高壓斷路器，避免事故擴(kuò)大。
圖7 一拖二手動(dòng)旁路一次系統(tǒng)圖
3.3方案特點(diǎn)
●Goodrive5000高壓變頻器極強(qiáng)的過(guò)載能力，很好地滿(mǎn)足了球磨調(diào)速過(guò)程中負(fù)載頻繁變化的情況；
●與閥門(mén)調(diào)速方式相比，變頻器方案能提高效率，達(dá)到很好的節(jié)能效果；
●系統(tǒng)維護(hù)更加簡(jiǎn)單；
●可以通過(guò)變頻器，提高自動(dòng)化水平，便于通過(guò)PROFIBUS-DP或Modbus組網(wǎng)控制,基至可以組成三級(jí)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)；
●變頻器的軟啟動(dòng)功能，使電機(jī)的啟動(dòng)電流<1.2倍額定電流，可以降低對(duì)電網(wǎng)及用電設(shè)備的沖擊。而使用工頻啟動(dòng)，沖擊電流高達(dá)6~8倍；
●可以自動(dòng)按設(shè)定的多段PLC運(yùn)行，并具有停機(jī)記憶功能及清除記憶功能；
●通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)可實(shí)現(xiàn)更多節(jié)能。
4.注水泵
4.1項(xiàng)目背景
本項(xiàng)目公司位于西西伯利亞的某油田，注水泵站一共有三臺(tái)注水泵，由于工藝流程要求注水泵根據(jù)采油量需求注水，會(huì)頻繁地投切電網(wǎng)，投切過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，對(duì)電機(jī)的絕緣影響也較大。而由于地域因素，常年低溫，不宜進(jìn)行就地土建等工作，需要將產(chǎn)品集中與集裝箱中，完成配電。一般的軟啟動(dòng)或者變頻器，已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足這些特殊應(yīng)用。根據(jù)客戶(hù)的需求，新一代高壓變頻器Goodrive5000具有同步切換的功能，在滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)工藝要求的同時(shí)，也有很好的節(jié)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(zhuǎn)速追蹤啟動(dòng)，又叫做飛車(chē)啟動(dòng)。
而從變頻切到工頻，變頻運(yùn)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(dá)到額定電流的8倍以上。無(wú)擾切換時(shí), 需要盡量保證電網(wǎng)電壓與變頻器輸出電壓相位、幅值一致，同時(shí)也需要保證電網(wǎng)頻率與變頻器輸出頻率一致。如果其中一個(gè)條件不一致，都會(huì)造成電網(wǎng)沖擊。
是目前英威騰高壓變頻器應(yīng)用較多的一種同步切換方式。與傳統(tǒng)一拖一帶旁路的主回路不同，在輸出側(cè)增加了無(wú)擾柜。切換過(guò)程：
1)首先變頻運(yùn)行，QS1,QS2, KM1, KM2閉合，KM4閉合，電抗器被短路；
2)變頻運(yùn)行到電網(wǎng)的頻率；
3)采用鎖相環(huán)，根據(jù)電機(jī)所在電網(wǎng)電壓的相位，調(diào)整變頻輸出的相位與其一致；
4)鎖相完成后，KM4斷開(kāi)，投入電抗器；
5)投入電抗器后，KM3閉合，此時(shí)變頻與工頻同時(shí)給電機(jī)供電；
6)同時(shí)供電穩(wěn)定后， 變頻器自由停機(jī)，斷開(kāi)KM1、KM2，電機(jī)進(jìn)入純工頻狀態(tài)。
圖8 一拖一同步切換主回路
4.3方案特點(diǎn)
●整個(gè)切換過(guò)程變頻器都給電機(jī)供電,電機(jī)一直處于工頻同步速,速度匹配好；
●不受負(fù)載特性限制，對(duì)任意負(fù)載,都可以達(dá)到很小的沖擊電流；
●方案實(shí)現(xiàn)起來(lái)簡(jiǎn)單；
●異步電機(jī)和同步電機(jī)均可實(shí)現(xiàn)；
●可實(shí)現(xiàn)一臺(tái)變頻器順序啟/停多臺(tái)電機(jī)，降低設(shè)備成本（每臺(tái)電機(jī)需配置一個(gè)旁路柜）。
5.結(jié)束語(yǔ)
變頻器控制功能的日益完善，使得此類(lèi)高性能變頻器將會(huì)在越來(lái)越多的工業(yè)場(chǎng)合中得到應(yīng)用。變頻器在性能優(yōu)異的基礎(chǔ)上價(jià)格上也有一定的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于設(shè)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(dòng)的性能，此外，使用變頻器大大降低能耗，既位企業(yè)節(jié)約了成本，節(jié)約了能源消耗，又保護(hù)了生態(tài)環(huán)境，在我國(guó)制造業(yè)升級(jí)的過(guò)程中，變頻器的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛。
