变频调速技术在油气生产中的应用

胡斌

摘要：变频调速技术目前在我国的石油油气生产行业中相当常用，它正好满足了行业耗能大户的节能生产要求，优化了生产工艺中各种泵与空气压缩机的生产操作流程。在本文中将重点分析变频调速技术的基本工作原理与关键技术内容，并重点思考变频调速技术在油气生产中的各种应用，并加以例证。

关键词：变频调速技术；油气生产；工作原理；集输泵；未来发展前景

前言：

在油田开发生产工作进入中后期以后（即二次采油阶段），考虑到油井中含水率愈发升高，变频调速技术应用作用就逐渐凸显出来。在本文看来，变频调速技术不仅仅在工作原理上表现突出，且在实践技术应用方面也体现出极大优势，非常具有研究价值。

一、变频调速技术的基本工作原理与关键技术内容

（一）变频调速技术的基本工作原理

参考电机转速与工作电源输入频率之间的正比例关系，变速调频技术就能够正常运行，追求达到一种电机转速改变的生产目标。具体来说，就是改变定子的供电频率以及电机转数，在变频之后对交流电作用进行分析，确保其切实作用到设备电机之上，直接改变电机转数与输出功率。一般来说，电机转速在绝大部分时间里都低于额定转速，其在频率调节与特性改变方面功能优势表现巨大。当然，在获取流量信号以后，也会将数据信号传输到PID调节器以及变频器中，最后将所输出信号显示于PID面板上。这一操作流程需要对PID输出数据内容进行设定，其目的就是为了保证最终信号能够实现对控制电机转速的有效控制，影响流量变化，最终形成一套完整的闭环控制系统回路。这一控制系统回路不但具有极高精度，同时运行状态也相当之平稳，尤其是在节能效果表现上相当显著良好。就PID调节而言，它极大程度上减少了电机启动次数，在针对现场调节过程中的PID设定也相当准确到位。这里就涉及到一点配注方案，它主要结合PID输出设定内容分析时间变化，建立安全可靠且方便快捷的工人劳动强度分析机制，有效提高变频调速设备的整体工作效率与水平。目前，采用变频调速技术在改变油气生产过程中的各个设备效果明显，例如该技术就直接改变了泵液控制阀门的校验过程以及转速，合理化控制现场操作过程参数。而且，采用阀门调节节能效果更好，对于设备运行工况的监督优化水平也相当显著。一般来说，目前的闭环控制阀门较多，其在油气生产过程中发挥了更大功能作用，非常值得推广应用。

（二）变频调速技术的关键内容

在油气生产过程中，变频调速技术的关键内容丰富，其中就包括了最新型的电力电子器件应用技术，该技术作为一种可自由关断的驱动技术可以配合双PWM逆变技术共同使用，在循环变流、直交变流技术应用方面就体现了12脉波变频技术内容优势性。而现如今，同步机交流励磁变速运行技术也加入其中，它对于软开关PWM变流技术的有效优化改造到位，体现了变频调速技术应用的优越价值。

再者就是高压大电流技术，该技术属于电信的动静态均压技术，分别包含了6kV、10kV联众均压回路，配合均流技术科为大功率晶闸管并联操作提供有利技术条件。再者，高压大电流技术也能配合导热散热技术应用展开，在解决导热散热性能问题同时也形成良好的电流出力，所以在该技术中是专门设置了高压、大电流系统保护机制的，其在抗大电流电磁结构，优化绝缘设计方面表现突出，在配合等效负载模拟技术应用方面也表现出色。

另外还有数字自动化控制技术，该技术在当前的变频调速技术体系应用方面发挥了巨大作用，它属于一种参数自设定技术类型，在对技术过程自由化方面表现出色，且也能实现对技术故障内容的有效诊断，在对象自辨识方面也表现出色。作为一种现代控制技术，变频调速技术的多变量解耦能力极强，且在数据资源矢量控制方面也表现出一定优势，属于典型的自适应技术类型[1]。

二、油气生产过程中的变频调速技术实践应用要点

在油气生产过程中，集输泵故障发生率最高，其使用寿命也并不长久，而作为采油生产设备中的关键主力，传统生产过程中它能耗偏高且数量偏多，不利于油气生产过程顺利推进，常常因为设备故障问题而不得不叫停生产流程。而近年来伴随变频调速技术的出现，集输泵也得以改造优化。例如基于中压变频调速驱动技术的集输泵就已经付诸油气生产过程中，新集输泵在采用变频调速技术以后在节能效率更高，在当前的油田二次采油生产过程中使用率逐渐提高[2]。

（一）集输泵中压变频调速驱动技术的基本工作原理

    目前油气生产过程中所采用集输泵属于新型井下采油设备，它主要被应用于二次油气开采生产过程中，属于典型的多级离心泵，非常适用于井深在1000~5000m的深油井油气生产活动中。集输泵所采用的是中压驱动，其电压范围一般控制在600~1000V级范围内，中压驱动的主要目标就是降低输电线路压降，配合工频变频操作满足输电线路压降调节技术要求，避免集输泵及其供电线路绝缘故障率增加，并在一定程度上科学合理控制生产维护成本，提高生产安全可靠性。就目前看来，集输泵在深油气井开采生产过程中发挥了重要作用，例如深度为＞2000m的油井油气开采活动中，所采用的是高达2400V级的集输泵，此时中压变频控制系统被直接应用于电控箱中，配合电平变频控制调速技术表现良好，在频率生成过程中合理控制电压波形数据，在核心单片机控制监测方面也表现出了极大优势，数据分配环节技术表现相当突出。具体来讲，集输泵会根据自身实际运行过程分析单片机程序控制形式，然后精确计算以获得最优电压以及频率参数，建立数据输出频率控制机制，遵照一定顺序输出电压电流，如此就能实现对于电平输出的有效控制。在这一过程中，集输泵中传感器会发挥作用，即快速回馈大量信号，如电流信号、电压信号以及负载变化信号等等，这些信号均由单片机发出，并在通道中由集输泵采样、接收和处理，并随时观测电流、电压以及负载变化。整个操作过程中信号均由单片机传输到位，结合采样接收过程分析实时监测数据内容，而对于运行方式的实时控制则更为到位，它基本满足了闭环控制电流电压数据技术要求

[3]。

（二）集输泵中压变频调速驱动技术的基本特征

在本文看来，集输泵的中压变频调速驱动技术表现出了以下7点基本技术特征，下文分别来谈：

第一，它能够消除集输泵中变压器由于启动冲击所带来的电流损害，即实现平滑启动过程。在适当增加软启动功能基础上，电动机启动电力限制也在额定电流的1.5倍左右，它确保电动机在启动过程中实现转速与频率变化调整，形成良好的集输泵与变压器同步运行状态。当然，如果绝缘层在受到冲击以后则需要更换绝缘层。目前集输泵都会增加变频系统，新系统在实现集输泵平滑启动与停车操作方面表现出了极大优势，在延长电泵电动机供电线路寿命方面表现非常出色[4]。

第二，在完成集输泵变频改造以后，需要尝试提高系统的整体功率因数。这一操作是在低荷载状态下完成的，它最大限度降低了无功功率，对于电网供电能力的提高效果显著。一般来说，变频改造技术的电能节约率最高达到70%左右，改造效果立竿见影[5]。

第三，在采用集输泵进行变频改造过程中，要坚决杜绝电泵在长期高负荷运行状态下的实际频率调节过程。例如要合理调节设备油压以及出油量，始终保证油井及其集输泵都始终保持在最佳运行工作状态中。

第四，集输泵中的变频系统全由微机系统智能控制，它对于变频器区域转矩的自动化控制非常到位，能够有效适应集输泵的复杂负载特性内容。在参考井内采集回压力、温度过程中，也结合各项数据构建闭环系统，如此对于提高集输泵的自动化生产程度非常有利。而对于某些产油量相对偏低的油井，则需要考虑适当降低电源频率，优化调整转速（适当调低），如此就能保证油井不断生产，降低生产耗能。

第五，集输泵在应用变频调速技术以后，其目的就是有效减少电动机的高速运转时间，同时减少系统内部运动零部件的消耗磨损状况。在集输泵中是能够实现对各项参数的自动运行调整的，它能够确保系统始终维持在最佳工况下运行，直接降低系统故障发生率，同时提高其工作效率。参考国内某大型油田的生产统计数据，其集输泵在采用中压变频调速控制技术基础上采油生产工作效率有所提升，集输泵本身的平均维修周期也从原来的4个月延长到12个月。如此看来某大型油田的集输泵油井油气生产率大有改善，也同时做到了对于大量设备生产维修成本的有效节约[6]。

第六，集输泵中对于变频器的控制系统专门配置了欠载保护功能机制，这一功能机制对于提高集输泵系统工作寿命方面表现突出，因为它最大限度降低了网络侧谐波发生率。该欠载保护功能可被应用于多个平台上，在油气生产过程中整体表现效率极高[7]。

第七，集输泵中的中压变频器主要采用到了三电平变频控制调速技术，这一技术在计算调整电压波形过程中表现出了极高的性价比。另外，它的拓扑结构在中压电压作用下也能体现方案优选价值，整体看来其控制系统性能表现稳定，运行过程安全可靠，整体故障率表现偏低，适合于大规模的深油井油气开采生产项目。

（三）集输泵中压变频调速驱动技术的实践应用要点与现场应用效果

    在采用集输泵中的中压变频调速驱动技术过程中，其实践应用要点丰富，改造深入，且技术改造效果良好，已经获得生产企业以及监督部门的共同认可。在采用集输泵过程中，需要在每一口油井上都记录电能表计量数据内容，实施仪器数据测试对比与分析，体现良好节能技术改造应用效果[8]。

在技术实践应用方面，主要采用到了变频调速控制技术中的变频器谐波信号处理技术，该技术在节能改造应用方面可以合理匹配中压变频器，建立与二电平变频器之间的相互技术对比关系，有效输出电压波形保证其接近于正弦，最大限度减少网络侧谐波的出现波动情况，降低谐波出现频率。具体来讲，就是要运用到集输泵来客观影响油井电网的整体供电质量，如此间接影响油气生产整体水平。在针对集输泵的节能改造方面，需要首先解决谐波问题，明确项目技术攻关基础。再者就是合理抵制谐波中的电路装置，配合加装集输泵来形成电控柜体系，围绕中压变频器输入端、输出端两端来科学合理避免谐波信号超标问题出现，最大限度减少集输泵的有功功率损耗，满足节能降耗生产目标要求。

从集输泵的安装与实践应用角度看，合理采用流量计配合PID控制技术应用非常有效，它能够实现对集输泵的自动化控制，且整体运行效果相当平稳，对于提高注入聚合物设计量与计量结果优化也有较大帮助。在整体技术应用过程中，需要时刻保证聚合物的注入过程中浓度与溶液注入率相匹配，提高注入效率，为随后的降水增产优化夯实良好基础。而在电机直接启动过程中，则需要调整启动冲击电流，改良电气保护机制，降低设备生产应用故障率。换言之，要结合变频控制稳定操作建立电机启动电流机制，配合电流供电网实际影响优化电网技术应用操作。在这一过程中，针对集输泵中变频调速控制技术的应用要追求稳定化，最大限度减小起动设备冲击影响，如此对于降低设备故障停机率帮助较大。而采用变频调速技术对于设备整体的磨损率较低，噪声下降也相当明显，同时它大幅度降低了人工操作强度，实现了智慧化生产过程

[9]。整体看来，集输泵的变频调速控制技术在油气生产过程中应用效率较高，也发挥了极强的技术能力。整个系统在经过了半年运行后变频设备运行状态逐渐趋于稳定化，大量油气井因此受益，生产效率大幅度提升，且综合含水率明显下降至少5%，油气生产产量则有所攀升。另外，设备生产油气的整体成本有所降低，值得推广应用[10]。

三、油气生产过程中的变频调速技术实践应用的未来发展前景

在本文看来，传统油气生产工程项目中采用变频调速技术在实践应用效果方面表现良好，其技术未来发展前景也非常值得期待。

具体来讲，它首先实现了对于油井的高水位控制，建立了机械电动机生产控制策略模式，在矢量、磁场、转矩、补偿控制等等方面都发挥了极大技术优势。而在基于现代理论的控制策略的优势基础上，潜油电泵中变频调速控制技术体IDE滑模变结构技术、模型参考自适应技术等等技术也有大幅度发展进步，在某种指标意义下的最优控制技术和其它优化的设计方法等。基于智能控制思想的控制策略有所丰富，其中就包括模糊控制、神经元网络、专家系统和各种各样的自优化、自诊断技术等等[11]。

再一方面，在高速高度进行数字控制，例如围绕32位高速微处理器为基础的数字控制模板有足够的能力实现各种控制算法，Windows操作系统的引入使得可自由设计，图形编程的控制技术也有很大的发展。而在积极配合模拟与计算机辅助设计(CAD)技术电机模拟器、负载模拟器以及各种CAD软件的引入对变频器的设计和测试提供了强有力的支持[12]。

总结：

本文中探讨了现代化油气生产过程中所采用到的变频调速控制技术，它在改善设备运行状况、从整体层面上多元化提高系统安全可靠性表现上非常出色，同时也降低了设备系统的整体运维成本，延长了使用寿命，更降低了工作人员的劳动强度，对于油气生产项目的整体生产效率提升相当显著。在本文中，主要围绕集输泵中的变频调速控制技术进行分析，希望借此技术研究提高油气生产活动中的整体经济效益与社会效益。

参考文献：

[1] 胡然,阮治杰,孟献金. 变频调速技术在风机、水泵节能改造中的应用[J]. 化工管理,2020(6):103-104.

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[3] 朱英斌,杨明阳,刘欣朋,等. 石油化工装置隔膜计量泵变频调速控制的研究与设计[J]. 石油和化工设备,2022,25(2):76-79.

[4] 张爱龙. 高压变频技术在注水泵节能降耗上的应用[J]. 石油石化节能,2021,11(8):14-16.

[5] 油田离心泵优化改造技术研究与应用[J]. 中国科技成果,2021,22(12):62-64.

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[7] 张念华. 基于PLC与变频器的调速自动化在节能工程中的应用分析[J]. 中国设备工程,2021(5):198-200.

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