一、引言
目前，國內(nèi)海上油田為保證持續(xù)的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)，大量使用潛油電泵，它被安裝在地下1000 米～3000 米深的井里，泵在電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)，將油抽到地面上來。電潛油電泵采油系統(tǒng)的地面部分由配電盤、變壓器、控制柜或變頻器、接線盒和采油樹井口組成。傳統(tǒng)的工作方式是電網(wǎng)直接供電，工程上稱其為全壓工頻工作。這種全壓工頻方式有許多弊端：
(1) 對(duì)于復(fù)雜斷塊油田來說, 油水井的對(duì)應(yīng)連通性差, 部分潛油電泵井出現(xiàn)供液不足, 影響到潛油電泵的正常生產(chǎn)及井下機(jī)組的運(yùn)轉(zhuǎn)壽命。當(dāng)井下油量不富裕時(shí)，容易抽空，甚至死井，一旦死井則損失慘重。尤其海上平臺(tái)在采油時(shí)，因?yàn)橛蛯映矶却螅鲃?dòng)性差，潛油電泵在抽油的過程中不能一下運(yùn)行到額定轉(zhuǎn)速，否則會(huì)出現(xiàn)油層因壓力變化過快而斷開，電泵只能抽到少量距井口近的油，遠(yuǎn)離井口的原油因不能夠流動(dòng)，電泵將斷液而導(dǎo)致油井報(bào)廢。并且一旦發(fā)生抽空時(shí)，定轉(zhuǎn)子將出現(xiàn)干磨，容易產(chǎn)生燒泵的事故。
(2) 工頻全壓啟動(dòng)時(shí)，對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊、電機(jī)沖擊電流大、沖擊扭矩大，造成電機(jī)、電纜的加速老化和電泵葉片、軸系的損壞。平臺(tái)電網(wǎng)容量有限，電機(jī)工頻對(duì)電網(wǎng)的沖擊有可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組停運(yùn)。在采油過程中，由于液面經(jīng)常變化，需要經(jīng)常對(duì)電泵進(jìn)行啟停操作，頻繁的沖擊，降低了設(shè)備使用壽命，增加了維修費(fèi)用。
(3) 電泵在井下幾千米處，供電電纜上有1 0 0 多伏的線路損耗，影響電機(jī)的正常供電。
(4) 潛油泵不能根據(jù)生產(chǎn)情況調(diào)整輸出功率，造成巨大的能源浪費(fèi)，難以使電泵工作在最佳工況點(diǎn)上。
二、解決措施
如果用變頻器給潛油電泵供電，這些問題則可以迎刃而解。變頻器能實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟啟動(dòng)，即低壓、低頻啟動(dòng)，電機(jī)是慢慢加速起來的，工作頻率不一定是額定頻率，而是隨意設(shè)置或調(diào)整，還可以根據(jù)井底油壓高低自動(dòng)調(diào)整轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。因此，海上采油平臺(tái)潛油電泵配套使用變頻調(diào)速裝置，既是生產(chǎn)工藝的要求，也是保證機(jī)組安全可靠運(yùn)行的需要。
三、潛油電泵用變頻器的分類
潛油電泵的工作電壓一般為三相50/60Hz, 660V, 1140V,1450V, 1750V, 2400V等，依據(jù)井深不同而有不同的電壓。目前市場上的該類產(chǎn)品主要有6種類型：
IGBT中-中變頻器結(jié)構(gòu)圖
多重多電平串聯(lián)中壓變頻結(jié)構(gòu)
(1)“中-低-中”變頻器
用一臺(tái)降壓變壓器把中壓變?yōu)榈蛪海?jīng)低壓變頻器變頻，再由輸出變壓器升為中壓，優(yōu)點(diǎn)是變頻器價(jià)格低，缺點(diǎn)是增加了占地面積和成本，增加了兩級(jí)變壓器損耗，升壓變壓器的采用是技術(shù)上的失誤，可靠性大大降低了，在低速時(shí)，變壓器效率更低，功率因數(shù)也低。美國CENTRILIFT公司和REDA公司采用此種方式。
(2) 低壓大功率變頻器
國產(chǎn)低壓變頻器已做到1000kW，國外已做到2000kW。要指出的是，用低壓變頻器去拖動(dòng)6kV 的電動(dòng)機(jī)是不合理的，改造電機(jī)接線方法，電壓就變成了3.47kV ，使用3.3kV 變頻器就不成問題了。建議盡量選用1.7kV、2.3kV、3.3kV電動(dòng)機(jī)。
(3) 中－低壓大功率變頻器
其優(yōu)點(diǎn)是中壓輸電損耗小，低壓變頻效率高，輸入變壓器一側(cè)采用角(△)接法，可吸收變頻系統(tǒng)中的高次諧波。
(4) 中－中壓變頻器
a) 中壓IGBT PWM變頻器。電壓為2.3kV、3.3kV、4.16kV，容量為800kW至4000kW，額定效率為98.5% ，額定功率因數(shù)≥ 0.96，中壓IGBT是低壓IGBT基礎(chǔ)上發(fā)展的新品種，系統(tǒng)器件由60支減為24支，電路簡化了，可靠性提高了。
b ) 中壓IGCT PWM變頻器。電壓為2.3kV、3.3kV 和4.16kV ，容量為315kW至6500kW，額定效率>98% ，額定功率因數(shù)>0.95。
中壓IGCT 是在GTO 元件基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新產(chǎn)品，它保留了GTO 導(dǎo)通壓降小，電壓和電流高的特點(diǎn)，又克服了GTO 開關(guān)性能差的缺點(diǎn)，是一件非常理想的兆瓦、中壓開關(guān)器件。GTO體積大，損耗大，而IGCT 芯片厚度減小到與二極管差不多；這就大大簡化了電壓變頻器結(jié)構(gòu)，其觸發(fā)功率小，開關(guān)一致性好，可方便串并聯(lián)，又進(jìn)一步擴(kuò)大了功率范圍。一臺(tái)4.16kV 變頻器，使用6kV 的IGCT 只需要1 2 支器件，是低壓IGBT 的1/5 ，中壓IGBT 的1/2 。由于器件電壓提高，數(shù)量減少，使得變頻器電路更加簡化，可3 電平、4 電平或5 電平電路，變頻器輸出端裝有濾波器及dV/dt 限制器，可配普通6kV 電機(jī)，也可配用較低電壓的多相電機(jī)，為了限制高次諧波，變頻器輸入端為1 2 相整流，也可18相或24相整流。
(5) 多重式多級(jí)串聯(lián)中壓變頻器
西門子ROBICON 公司、日本安川、富士、東芝公司、我國利德華福等公司，都先后推出了多重式多級(jí)串聯(lián)中壓變頻調(diào)速裝置。采用多電平結(jié)構(gòu)和多級(jí)低壓小功率IGBT PWM 變頻單元串聯(lián)輸出中壓變頻電，實(shí)現(xiàn)了大功率集成。其輸入電壓在2.3kV 至13.8kV 之間，輸出電壓2.3kV ~ 6kV，容量為800kW ～5600kW ，國內(nèi)為315kW～2500kW，額定效率≥96%，額定功率因數(shù)≥0.95。
(6) 電流源型中壓變頻器
羅克韋爾自動(dòng)化推出的CSI - PWM 變頻器，采用了目前中壓變頻業(yè)界領(lǐng)先的電流源技術(shù)，輸入、輸出電壓均為6kV ，容量從100kW 至25400kW，額定效率大于98％，功率因素大于95％。所使用的功率器件為最新型高壓元件SGCT ( 對(duì)稱門極換流晶閘管) ，如右圖。其單管雙面耐壓6kv 。逆變側(cè)結(jié)構(gòu)非常簡單，為三相6 橋臂輸出，每橋臂3 個(gè)SGCT 串聯(lián)，額定耐壓18kv ，極大提高了設(shè)備可靠性。3 相18 個(gè)SGCT ，為所有品牌中壓變頻器中最為簡練的。同時(shí)，輸入、輸出諧波小，可兼容老式電機(jī)，不需額外慮波降容。
PF7000 PWM- CSI 變頻結(jié)構(gòu)
變頻直流環(huán)節(jié)采用了直流電抗器，具有天生的故障電流抑制功能，同時(shí)直流電抗能消除共模電壓，減小電機(jī)機(jī)座絕緣壓力。變頻器整流側(cè)采用了PWM 整流，利用SHE 進(jìn)行諧波消除。結(jié)合逆變側(cè)，變頻結(jié)構(gòu)非常簡單，故障點(diǎn)少。
羅克韋爾自動(dòng)化中壓產(chǎn)品部門在普通雙PWM PowerFlex7000中壓變頻器的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化SGCT 和AFE 控制及在變頻器內(nèi)部設(shè)置專利共模電壓保護(hù)(CMP) 機(jī)構(gòu)，革新推出普通雙PWM PowerFlex 7000中壓變頻器的升級(jí)換代產(chǎn)品Direct -To - Drive(簡稱DTD)。
DTD PowerFlex 7000 中壓變頻器，具有普通雙PWM中壓變頻器的所有優(yōu)異性能，且在同時(shí)省去輸入和輸出隔離變壓器的前提條件下，依然保證電動(dòng)機(jī)不受共模電壓影響，可與改造或新建項(xiàng)目的國內(nèi)外任何普通中壓電動(dòng)機(jī)相配套。
比較：電壓型變頻器一般工作在更高的開關(guān)頻率，實(shí)際產(chǎn)生的共模電壓有可能比電流型變頻器更高，不加處理也會(huì)損壞電動(dòng)機(jī)。三電平中壓變頻器和低壓功率單元串聯(lián)型中壓變頻器，抑制共模電壓的方法與6 脈沖、18 脈沖PowerFlex 7000 中壓變頻器完全相同：輸入側(cè)隔離變壓器中性點(diǎn)懸浮，輸出側(cè)加接地網(wǎng)絡(luò)使電機(jī)中性點(diǎn)接地，把共模電壓從電機(jī)轉(zhuǎn)移到隔離變壓器。
SGC T 功率器件
四．實(shí)際應(yīng)用效果
從2007年康菲石油中國有限公司先后在蓬萊19 - 3 海上石油平臺(tái)海上B , C , D, E 和F 平臺(tái)使用了182 臺(tái)羅克韋爾自動(dòng)化生產(chǎn)的PowerFlex 7000 中壓變頻器，用于拖動(dòng)采油平臺(tái)的潛油泵。自投用以來其性能可靠，運(yùn)行穩(wěn)定，節(jié)能效果明顯。其電流波形非常近似于正弦波形，高次諧波非常少，對(duì)電機(jī)、變壓器和電纜損傷小，沿程損耗也小；采用高進(jìn)高出的方式供電和輸出方式，可以節(jié)省變壓器，從而達(dá)到節(jié)約平臺(tái)空間和建造費(fèi)用；變頻器對(duì)電機(jī)采取矢量控制，自動(dòng)監(jiān)測井下機(jī)組的電氣性能和結(jié)構(gòu)參數(shù)，根據(jù)電機(jī)的特點(diǎn)和運(yùn)行情況確定啟動(dòng)參數(shù)和保護(hù)參數(shù)；可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩和平方轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)。
不同油井及井深、油液面、油粘度的不同，要求潛油電泵有不同的合理抽汲參數(shù)。通常，當(dāng)潛油電泵的參數(shù)一定后，采用改頻率( 電機(jī)轉(zhuǎn)速或傳動(dòng)比) 的方法來調(diào)節(jié)，這樣不但能省電，達(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)效益，而且電機(jī)能低于額定電流起動(dòng)，以達(dá)到對(duì)電機(jī)的全面保護(hù)。由于潛油電泵屬變轉(zhuǎn)矩類負(fù)載，即電機(jī)在起動(dòng)時(shí)需較大轉(zhuǎn)矩，而停止時(shí)則負(fù)荷也很重。變頻器可以實(shí)現(xiàn)軟停機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸下降，軟停止對(duì)防止油下沖有明顯的緩沖作用，油泵不會(huì)被打壞。Power Flex7000 中壓變頻器能實(shí)現(xiàn)輸出頻率在0 - 120Hz 范圍內(nèi)的自由調(diào)節(jié)，從而滿足潛油電泵在不同井況下的運(yùn)行要求；實(shí)現(xiàn)機(jī)組的軟啟和軟停，有效地避免或降低了對(duì)電機(jī)、電源、泵的損害，實(shí)現(xiàn)了在電網(wǎng)電壓一定的情況下，輸出電壓在一定范圍內(nèi)可調(diào)。
五．結(jié)束語
電流型中壓變頻器與以前的電壓型變頻器相比，特別是羅克韋爾自動(dòng)化Power Flex 7000 中壓變頻器具有許多優(yōu)點(diǎn)：電流波形非常近似于正弦波形，高次諧波非常少，對(duì)電機(jī)、變壓器和電纜損傷小，沿程損耗也小；可以采用高進(jìn)高出的方式供電和輸出方式，可以節(jié)省變壓器，從而達(dá)到節(jié)約平臺(tái)空間和建造費(fèi)用；變頻器對(duì)電機(jī)采取矢量和模糊控制，自動(dòng)監(jiān)測井下機(jī)組的電氣性能和結(jié)構(gòu)參數(shù)，根據(jù)電機(jī)的特點(diǎn)和運(yùn)行情況確定啟動(dòng)參數(shù)和保護(hù)參數(shù)；可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩和平方轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)。隨著海上油田的大力開發(fā)，電流型中壓變頻器將會(huì)成為驅(qū)動(dòng)潛油電泵的
