CN114593072A - 一种电动潜油泵驱动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电动潜油泵驱动系统，包括：整流单元、直流电缆、逆变单元、潜油泵、交流电机；所述整流单元位于井口上方，用于将电网交流电源转换为直流电源，由直流电压控制井下逆变单元的输出频率和功率，以输出变压变频交流供所述交流电机驱动所述潜油泵工作，使得所述潜油泵提升油液到井口。本发明通过将逆变单元置于井下电机侧，将传统电动潜油泵的工频或变频交流供电改为直流供电，有效降低了供电电流从而降低了电能损失，逆变单元与交流电机的电气距离极短，控制能力明显增强，并且避免了PWM调制载波脉冲长距离传输和折反射引起的过电压，改善了交流电机的运行状况。

Description

一种电动潜油泵驱动系统
技术领域
本发明涉及石油工程技术领域，具体涉及一种电动潜油泵驱动系统。
背景技术
电动潜油泵是石油工程中常用的人工提升方式，是一种无杆式抽油机，具有出液量大的优点。应用范围仅次于游梁式或皮带式抽油机，尤其是在海上油田和陆上深井应用较多，最大井挂深度已达5000米。
电动潜油泵需要置于井筒中，被井下油液浸没；因此，电机需要做成细长形并由电机油密封绝缘。动力通常采用交流异步电机，由井上交流电源驱动；泵体一般采用一级或多级离心式泵，以满足扬程需要。
离心式泵的最佳节能措施是变频调速，或要随着井下液位变化进行功率调整时，变频调速得到了应用。电动潜油泵的变频单元一般安装于井上，通过交流电缆输送至井下电机。交流电缆长度由潜油泵的井挂深度决定，当电缆长度增加时，电容电流增大，电压降增加致使变频器输出电压升高、控制能力变弱；同时，变频器高频PWM载波脉冲通过电缆传输到电机接线端，调制载波的折反射致使脉冲电压升高，容易导致电机绝缘损伤。
以上问题，致使电动潜油泵的变频调速应用受到严重限制，并降低了电动潜油泵井的可靠性。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提出一种电动潜油泵驱动系统，本发明能够解决井上变频器电压降和高频脉冲过电压的技术问题，提高系统的可靠性和效率。
具体地，本发明提供了一种电动潜油泵驱动系统，包括：整流单元、直流电缆、逆变单元、潜油泵和交流电机；
其中，所述整流单元位于井口上方，用于将电网交流电源转换为直流电源，由直流电压控制井下逆变单元的输出频率和功率，以输出变压变频交流供所述交流电机驱动所述潜油泵工作，使得所述潜油泵提升油液到井口。
进一步地，所述电动潜油泵驱动系统，还包括：降压变压器；所述降压变压器用于将电网高压转换为所述整流单元的输入电压。
进一步地，所述潜油泵、所述交流电机和所述逆变单元连为一体，所述交流电机通过联轴器驱动所述潜油泵；
所述逆变单元处于所述交流电机的下方或所述潜油泵的上方，所述逆变单元置于密封外壳内，所述逆变单元的一端与直流电缆相连，另一端输出变频变压交流电源驱动所述交流电机。
进一步地，所述交流电机包括异步电动机、永磁电动机或磁阻电动机。
进一步地，所述逆变单元的驱动电路由直流电源提供。
进一步地，根据井下电动机运行、井下液位和/或井上出液数据，控制所述逆变单元和所述交流电机运行。
进一步地，井上和井下之间的通讯方法包括下述任意一种或多种：直流电压模拟控制；直流电缆载波通讯数字控制；直流电力电缆复合光纤通讯数字控制。
进一步地，所述直流电压模拟控制包括：井上通过增加控制单元根据井上参数控制输出直流电源电压，井下控制单元监测直流电源的电压调节逆变单元的频率和电压，通过井上参数的反馈实现调节，直流电压的调控范围宜为65～110％额定电压。
进一步地，所述直流电缆载波通讯数字控制包括：直流电缆两侧增加阻波耦合元件和通讯单元，实现井下井上通讯，以控制所述逆变单元输出频率电压或传输井下参数到井上。
进一步地，所述直流电力电缆复合光纤通讯数字控制包括：直流电缆采用复合光纤电缆和光纤通讯模块，实现井上井下通讯及控制。
由上述技术方案可知，本发明提供的电动潜油泵驱动系统，通过将逆变单元置于井下电机侧，将传统电动潜油泵的工频或变频交流供电改为直流供电，有效降低了供电电流从而降低了电能损失，逆变单元与交流电机的电气距离极短，控制能力明显增强，并且避免了PWM调制脉冲长距离传输和折反射引起的过电压，改善了交流电机的运行状况。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。
图1是本发明一实施例提供的电动潜油泵驱动系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
图1示出了本发明一实施例提供的电动潜油泵驱动系统的结构示意图，如图1所示，本发明实施例提供的电动潜油泵驱动系统，包括：整流单元10、直流电缆20、逆变单元30、潜油泵40和交流电机50；所述整流单元10位于井口上方，用于将电网交流电源转换为直流电源，由直流电压控制井下逆变单元30的输出频率和功率，以输出变压变频交流供所述交流电机50驱动所述潜油泵40工作，使得所述潜油泵40提升油液到井口；
在本实施例中，所述逆变单元30和所述交流电机50位于井筒中。
在本实施例中，可以利用降压变压器将电网高压转换为整流单元10的输入电压，整流单元10输出直流电源，通过直流电缆20送至井下挂泵处。
在本实施例中，潜油泵40、交流电机50、逆变单元30连为一体，交流电机50通过联轴器驱动潜油泵40。逆变单元30处于交流电机50下方或潜油泵40上方，置于密封外壳内，并与直流电缆20相连，输出变频变压交流电源驱动交流电机50。
在本实施例中，可以理解的是，逆变单元30与交流电机50的距离小于第一阈值。
在本实施例中，可以理解的是，所述密封外壳的抗压能力超过所述潜油泵的泵挂深度的压力且与所述潜油泵的泵挂深度的压力的差值大于预设值。
在本实施例中，可以理解的是，逆变单元30的使用温度应高于井下温度10K以上，以满足散热条件，通常情况下，井深与温度的关系为2000米65℃、3000米85℃、4000米100℃。优选地，高温功率器件选择碳化硅器件。
需要说明的是，本发明实施例提供的电动潜油泵驱动系统，通过将逆变单元置于井下电机侧，将传统电动潜油泵的工频或变频交流供电改为直流供电，有效降低了供电电流从而降低了电能损失，逆变单元与交流电机的电气距离极短，控制能力明显增强，并且避免了PWM调制脉冲长距离传输和折反射引起的过电压，改善了交流电机的运行状况。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，参见图1，所述电动潜油泵驱动系统，还包括：降压变压器70；所述降压变压器70用于将电网高压转换为所述整流单元10的输入电压。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述潜油泵、所述交流电机和所述逆变单元连为一体，所述交流电机通过联轴器驱动所述潜油泵；
所述逆变单元处于所述交流电机的下方或所述潜油泵的上方，所述逆变单元置于密封外壳内，所述逆变单元的一端与直流电缆相连，另一端输出变频变压交流电源驱动所述交流电机。
在本实施例中，可以理解的是，所述逆变单元和位于井筒中，采用密封外壳密封，密封外壳内部充满绝缘冷却液、流动循环，并与井中油液交换热量冷却。
在本实施例中，可以理解的是，密封外壳的抗压能力超过所述潜油泵的泵挂深度的压力且与所述潜油泵的泵挂深度的压力的差值大于预设值。
在本实施例中，可以理解的是，电力电子功率器件应根据井下密封外壳内的最高温度选择并留有裕量，优选地，深井中的电力电子功率器件宜选择碳化硅器件，适应深井井下的高温。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述交流电机包括异步电动机、永磁电动机或磁阻电动机。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述逆变单元的驱动电路由直流电源提供。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，根据井下电动机运行、井下液位和/或井上出液数据，控制所述逆变单元和所述交流电机运行，如井下液位下降或井上出液效率(出液量/电量)下降，下调逆变器输出到电机的频率，从而降低功率；反之，提高逆变输出频率。
可以理解的是，通过变频驱动并通过井下控制采集电机运行工况，掌握井下液位情况，避免电动潜油泵的低液位的损坏，例如潜油泵内未充满油液时，汽液两相混输，易产生气阻、严重降低泵效；一旦潜油泵干转，冷却循环失效会造成潜油泵电机温度升高而烧毁，并且有发生爆炸的危险。本实施例能够实现电动潜油泵的变频变参数控制，有效降低电源损耗和系统过电压对井下电机的影响。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，井上和井下之间的通讯方法包括下述任意一种或多种：直流电压模拟控制；直流电缆载波通讯数字控制；直流电力电缆复合光纤通讯数字控制。
在本实施例中，所述直流电压模拟控制包括：井上通过增加控制单元根据井上参数，如整流器输出功率、井下液位和/或井上出液数据等控制输出直流电源电压，井下控制单元监测直流电源的电压调节逆变单元的频率和电压，通过井上参数的反馈实现调节，考虑到电动机的允许电压波动范围，直流电压的调控范围一般为60～110％额定电压，尤其宜为65～110％额定电压，也可根据逆变器承受能力和实际需要适当调整直流电源的调控范围。
在本实施例中，所述直流电缆载波通讯数字控制包括：直流电缆两侧增加阻波耦合元件和通讯单元，实现井下井上通讯，以控制所述逆变单元输出频率电压或传输井下参数，如逆变器输出功率、频率，电机或逆变器温度等到井上。
在本实施例中，所述直流电力电缆复合光纤通讯数字控制包括：直流电缆采用复合光纤电缆和光纤通讯模块，实现井上井下通讯及控制。
由此可见，本实施例提出了井上和井下之间的通讯方式，有效解决了控制方法和通讯方式的问题，为实现井下使用提供了可行的技术方案。
本实施例中，通过使用将逆变单元置于井下电机侧，将传统电动潜油泵的工频或变频交流供电改为直流供电，有效降低了供电电流从而降低了电能损失；逆变单元与交流电机的电气距离极短，控制能力明显增强，并且避免了PWM调制脉冲长距离传输和折反射引起的过电压，改善了交流电机的运行状况。
由此可见，本实施例能够实现交流电机和逆变单元一体化，解决了现有油井变频驱动电动潜油泵经长电缆的电压降和PWM调制脉冲过电压问题。同时，本实施例还可以实现变频驱动并通过井下控制采集电机运行工况，掌握井下液位情况，避免电动潜油泵的低液位的损坏，例如潜油泵内未充满油液时，汽液两相混输，易产生气阻、严重降低泵效；一旦潜油泵干转，冷却循环失效会造成潜油泵电机温度升高而烧毁，并且有发生爆炸的危险。本实施例能够实现电动潜油泵的变频变参数控制，有效降低电源损耗和系统过电压对井下电机的影响。
此外，在本发明中，诸如“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
此外，在本发明中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
此外，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种电动潜油泵驱动系统，其特征在于，包括：
整流单元、直流电缆、逆变单元、潜油泵和交流电机；所述整流单元位于井口上方，用于将电网交流电源转换为直流电源，由直流电压控制井下逆变单元的输出频率和功率，以输出变压变频交流供所述交流电机驱动所述潜油泵工作，使得所述潜油泵提升油液到井口。
2.根据权利要求1所述的电动潜油泵驱动系统，其特征在于，还包括：降压变压器；所述降压变压器用于将电网高压转换为所述整流单元的输入电压。
3.根据权利要求1所述的电动潜油泵驱动系统，其特征在于，所述潜油泵、所述交流电机和所述逆变单元连为一体，所述交流电机通过联轴器驱动所述潜油泵；
所述逆变单元处于所述交流电机的下方或所述潜油泵的上方，所述逆变单元置于密封外壳内，所述逆变单元的一端与直流电缆相连，另一端输出变频变压交流电源驱动所述交流电机。
4.根据权利要求1所述的电动潜油泵驱动系统，其特征在于，所述交流电机包括异步电动机、永磁电动机或磁阻电动机。
5.根据权利要求1所述的电动潜油泵驱动系统，其特征在于，所述逆变单元的驱动电路由直流电源提供。
6.根据权利要求1所述的电动潜油泵驱动系统，其特征在于，根据井下电动机运行、井下液位和/或井上出液数据，控制所述逆变单元和所述交流电机运行。
7.根据权利要求1所述的电动潜油泵驱动系统，其特征在于，井上和井下之间的通讯方法包括下述任意一种或多种：直流电压模拟控制；直流电缆载波通讯数字控制；直流电力电缆复合光纤通讯数字控制。
8.根据权利要求7所述的电动潜油泵驱动系统，其特征在于，所述直流电压模拟控制包括：井上通过增加控制单元根据井上参数控制输出直流电源电压，井下控制单元监测直流电源的电压调节逆变单元的频率和电压，通过井上参数的反馈实现调节，直流电压的调控范围为65～110％额定电压。
9.根据权利要求7所述的电动潜油泵驱动系统，其特征在于，所述直流电缆载波通讯数字控制包括：直流电缆两侧增加阻波耦合元件和通讯单元，实现井下井上通讯，以控制所述逆变单元输出频率电压或传输井下参数到井上。
10.根据权利要求7所述的电动潜油泵驱动系统，其特征在于，所述直流电力电缆复合光纤通讯数字控制包括：直流电缆采用复合光纤电缆和光纤通讯模块，实现井上井下通讯及控制。
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