浅谈油田注水泵变频谐波现状

发表时间:2019/4/28   来源:《基层建设》2019年第4期   作者:王斯佳
[导读] 摘要:随着我国的经济在快速的发展,社会在不断的进步,油田注水泵机组变频控制产生背景谐波电压,对泵机组、周边电子设备产生谐波干扰。
        大庆油田有限责任公司第五采油厂第二油矿杏五注水站  黑龙江大庆  163000
        摘要:随着我国的经济在快速的发展,社会在不断的进步,油田注水泵机组变频控制产生背景谐波电压,对泵机组、周边电子设备产生谐波干扰。通过测试现场在用变频设备谐波,分析负载改变时电压总谐波畸变率的变化、各分量谐波电压含有率分布情况,了解不同频段谐波干扰类型,为治理变频谐波积累经验。
        关键词:注水泵;变频控制;谐波;干扰
        引言
        节能减排目前是国家较重视的问题,近年来在国家政策的支持下,我国电机能效水平逐步提高,但总体能效水平仍然较低。从电机系统看,由于运行年限长,运行工况与设计工况匹配不合理、调节方式落后等原因,电机系统运行效率比国外先进水平低10-20个百分点。低效电机运行方式造成巨大的用电浪费。变频器在工业生产和生活中的广泛应用为节约能源起到了较大作用。上世纪80年代,变频技术广泛应用于交流电机速度控制上,变频器具有良好的调速性能、节能、高效率等诸多优点。在水泵等流体机械上应用变频器可取代传统挡板、节流阀、回流阀而节省电费。本文通过对辽河油田公司机泵变频技术应用进行总结分析,对变频器应用后的节能效益进行估算。
        1变频控制产生谐波现状
        由于注水泵的实际流量比泵的额定流量小,因此节电潜力较大。现油田注水系统中变频控制已大量应用,在供水泵、喂水泵、注水泵控制上都有配套,部分变频控制技术节能改造同时更换变频调速电机,大部分是通过变频技术控制常规电机进行调速运行。通过近几年监测注水泵变频改造,计算对比发现变频器谐波干扰比较常见。针对长庆油田第六采油厂安五作业区胡一注水站3#注水泵机组进行典型分析,3#注水泵机组采用往复式柱塞泵,配套隔爆型变频调速三相异步电动机,应用F700系列变频器自动调节注水泵电机运行频率,控制注水泵输出流量,保证注水泵输出压力恒定。调节注水泵机组运行频率,同步测试变频控制柜输入、输出两端电参数及电力谐波电压,注水泵机组运行参数数据见表1。
        表1注水泵机组运行参数数据表
 
        2谐波电压随频率变化规律
        2.1电机输入谐波电压
        F700系列变频器输出端对注水泵电机产生谐波电压,电压总谐波畸变率随着运行频率提高呈现下降趋势,频率超过35Hz后明显下降;奇次谐波电压含有率在35Hz前呈上升趋势,超过35Hz后明显下降;偶次谐波电压含有率随着运行频率提高呈现明显下降趋势。运行频率与电机输入谐波电压变化曲线如图1所示。其原因是电机功率越接近额定功率,变频器逆变过程中的非线性成分越小,谐波电压越低。
 
        图1运行频率与电机输入谐波电压变化曲线
        2.2泵控泵(PCP)技术
        PCP系统是以增加调节泵的形式实现油田注水泵节能降耗的,建立PCP的基础在于离心泵的串联和变频技术,当其应用于注水泵的满负荷运行中时,可以增加注水泵的原有注水压头,不断降低注水泵的负荷量。注水泵与增压调节泵之间是相辅相成的关系,最终共同完成同一作业过程。注水泵原有工作过程中,以憋压的方式控制干压、流量和电机的过高、过大、过载问题,具体操作是控制相关阀门不完全打开,最终导致处于憋压状态的流量白白浪费,而使用增压调节泵,可完全避免这一现象,阀门处于完全打开状态,调节泵从中平衡压力和能量,规避流量浪费的风险。
        2.3电网谐波电压分量
        调节F700变频器输出频率,使注水泵机组运行在不同频率下,测量变频器输入端谐波电压的各次谐波电压含有率。在平衡的三相系统中,由于负载对称,偶次谐波大多被消除了,以奇次谐波为主。不同频率运行时奇次谐波电压分量比例基本相同,奇次谐波电压含有率主要成分为3次、5次、7次谐波,其他奇次谐波电压含有率达到1.0%左右。电网25次内奇次谐波电压分量数据见表2。
        表2电网25次内奇次谐波电压分量数据表
 
        运行频率低于35Hz以下时,电压总畸变率全部大于60%,奇次谐波电压含有率和偶次谐波电压含有率都非常高。为了进一步分析谐波电压分量分布情况,测试了35.7Hz运行频率下电机输入端25次及以内谐波电压分量。此时谐波电压分量分布很广,偶次谐波电压含有率与奇次谐波电压含有率为同数量级,占有相当大比例。这将对电机运行产生影响,增大电磁噪声、增加电机发热、影响励磁改变电机出力,出现三相不平衡等。同时通过产生耦合干扰,对周边一定距离内的低压电气、电子仪器仪表产生影响。
        2.4使用时间对电机能耗的影响
        因受高压电机在油田中的使用时间和运行时间较长等因素的影响,在该批用于实验检测的电机中共有50台电机的报废年限设为13a,约占总检测数量的55.56%。该批电机的各项性能和指标均会受到程度不一的影响,同时也会加剧对能量的消耗。导致出现这一系列不良现象的原因主要有以下几点:(1)传统型和老式型电机的本身设计对能耗的需求较大;(2)电机的阻值会随着电机绕组的老化而不断增大,电机自身损耗增加,进而造成电机效率下降;(3)电机绕组、转子以及轴瓦等部件的振动随着其长期性的运行而不断加剧,在很大程度上加大了机械能耗。
        2.5电机负载率对其发电效率产生的影响
        经过一番专业性的测试发现,在该批电机实验样本中有2台电机的负载率低于60.00%,其发电效率分别为92.15%和93.27%,且平均发电效率能够保持在92.26%的高水平范围;有5台电机的负载率水平在60.00%~69.00%,电机效率为92.33%~94.35%,且平均发电效率能够保持在93.37%的优质范围;负载率处于70.00%~80.00%的电机共有10台,其发电效率为92.44%~95.58%,且平均发电效率能够保持在94.21%的良好范围;负载率处于81.00%~90.00%的电机共有8台,其发电效率为93.55%~95.77%,且其平均发电效率约为94.25%。除此之外,还有5台电机的负债率处于91.00%以上的状态,且其发电效率大约为94.11~96.41%,平均电机效率大约为94.82%。经过全面性的分析可知,当电机的负载率处于60.00%以上的状态时,负载对电机发电效率所产生的影响相对较小,但负载率会随时间的推移而不断上升,使得其对电机发电效率的影响也逐渐增大,两者可呈现出正比例关系,即负载率越高,对电机发电效率造成的影响越大。
        结语
        通过现场测试油田注水泵变频控制中的谐波数据,分析电流式变频器、不同变频状态运行时的谐波电压状况。分析了负载改变时电压总谐波畸变率的变化、各分量谐波电压含有率分布情况,不同频段谐波干扰类型,对治理变频谐波积累了实践经验。
        参考文献:
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        [3]姚琦,张希茂,张卫.高压变频器在油田注水泵上的节能效果分析[J].内蒙古石油化工,2014(7):37-38.
        [5]周本多,杨圣春.电力系统谐波及其抑制[J].安徽电气工程职业技术学院学报,2007,12(1):13-16.
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