中压变频器在海上采油平台潜油电泵中的应用

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：


三电平主回路示意图


多电平变频器结构示意图
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。