煤層氣用變頻控制柜設計及應用

于紅業，芮 巍，杜 業

（1.渤海石油裝備（天津）新世紀機械制造有限公司，天津 300280；2.華北油田山西煤層氣勘探開發分公司，山西長治 046000）

0 引言

煤層氣是高效潔凈能源，目前主要依靠地面鉆井開采，主要是使用抽油機+電機+變頻控制柜等進行采水排氣。它與采油方式不同，抽油機平衡度頻繁變化范圍且較大，變頻器程序沒有相應功能，變頻控制柜制動電阻選型、柜體結構不合理，造成煤層氣變頻柜現場燒毀較多，因此對抽油機的變頻控制柜提出更高技術要求。

1 變頻器的選型計算

抽油機在煤層氣開采中，水中含有較多的煤粉，易形成堵泵、卡泵，造成載荷變化較大。隨著井下水位的下降、水壓的降低，抽油機平衡度變化較快、范圍也較大，造成在一個沖次內的一段時間中，曲柄會帶著變頻電機旋轉，即電機轉子的轉速超過電機同步轉速（曲柄凈扭矩為負）。變頻電機變成了發電機向變頻器送電（倒發電），由于設備工作工況，“倒發電”現象幾乎不可避免。針對煤層氣開采中，載荷變化大、平衡度變化快、倒發電等工況，選擇變頻器時，需要根據變頻電機的功率，大選一擋變頻器，例如15 kW 變頻電機需要選擇18.5 kW 變頻器，防止變頻器由于過載時間較長，燒毀變頻器。同時，根據抽油機平衡度較差的工況，在變頻器的程序中編寫直流母線電壓、功率檢測兩個保護程序，根據工況分別設定為750 V 和變頻電機額定功率的15%，只要超過兩個設定值中的1 個，變頻器就會進行保護，有效防止變頻器的IGBT 驅動板和制動電阻，因過壓燒毀。

2 電阻計算和選型

由于抽油機載荷是交變載荷，一個沖程內的慣性動能會轉換成電能，轉換的電能會通過變頻器IGBT 的返流二極管返回直流電路，并對電容器充電，使直流母線電壓升高。為了避免電壓過高，擊穿IGBT 控制板損壞變頻器，在直流回路側接入制動電阻R，當直流電壓高出一定值后，使晶體管開關TR 導通，并接入制動電阻，將反饋能量在電阻R 上以熱能的形式消耗掉。因此，根據抽油機載荷工況，相應匹配制動電阻的容量。

3 變頻控制柜的結構設計

針對煤層氣采水排氣工況，變頻控制柜結構設計分為上下結構和左右結構。上下結構設計是把（波紋或鋁殼）電阻和兩個散熱風機放在上面，用柜頂罩罩住，在柜頂罩左右焊接一個帶長螺紋柱的吊環，和下面的柜體連接起來。上下結構設計在夏天，控制柜暴露在太陽下直曬，柜頂上制動電阻散熱較差，容易造成電阻過熱燒毀，如圖1 所示。

柜體左右結構設計，帶有柜頂罩，使用隔板把柜體分成大小兩個艙體，每個艙體上方各有一個散熱風機，小艙體安裝（波紋或鋁殼）電阻，在側擋板上增加兩組散熱孔，便于制動電阻的散熱，前面使用擋板擋住電阻。大艙體安裝電器件、變頻、接線端子等，如圖2所示。

柜體左右結構使風道設計更為合理，既提升了柜體的防護性能，又改進了制動電阻散熱情況，同時也方便了現場維護。

圖1 上下結構柜體

圖2 左右結構柜體

4 煤層氣變頻控制柜的特點

（1）通過增加直流母線電壓、功率檢測保護程序，在抽油機不平衡極差時，控制柜及時進行了保護停機，避免了中變頻器和制動電阻燒毀，減少了現場維護及維修費用。

（2）針對煤層氣采水排氣、水中煤粉較多工況，合理計算匹配制動電阻，達到了較好的制動效果。

（3）根據現場工況，合理設計煤層氣變頻控制柜的結構，提高了變頻器的防護性能、制動電阻散熱，現場安裝和維護便捷。

5 應用效果

在煤層氣開采應用中，抽油機平度不好的情況，通過制動電阻消耗了反發電電能，在極不平衡的情況下，通過變頻保護程序，對變頻器進行保護停機。改進柜體結構，提高了柜體防護、電阻的散熱性能，延長了電阻使用壽命，也便于控制柜的現場維護。煤層氣變頻控制柜通過3 方面的改進，有效解決了燒毀控制柜的問題。