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      矢量變頻器在油井解卡中的成功應(yīng)用

      2018-08-28 09:29:06陳永強張德生
      天津科技 2018年8期
      關(guān)鍵詞:解卡電泵油井

      陳永強,張德生

      (中海石油(中國)有限公司天津分公司遼東作業(yè)公司 天津300457)

      0 引 言

      油井是海上采油平臺的核心,大多是通過潛油電泵機組從海底千余米的地層內(nèi)將石油開采上來。但是油井電泵在工作過程中出現(xiàn)井下電泵卡阻時,傳統(tǒng)方式大都是先通過洗井再使用工頻直接啟泵方式解卡。目前海上采油平臺普遍使用變頻電泵柜,不再配置工頻潛油電泵柜,如果地面解卡無效,就要進行提泵大修了,經(jīng)濟上損失大,油井產(chǎn)量受到影響。矢量控制的變頻器在低頻運行時,能夠為電機提供恒定的大轉(zhuǎn)矩輸出,為電泵解卡提供了理論支持。但由于井下情況復(fù)雜且無法直接觀察,如何運用矢量控制變頻器,低頻解卡是現(xiàn)場技術(shù)人員需要解決的問題。

      1 電泵卡阻故障處理

      1.1 故障現(xiàn)象及設(shè)備參數(shù)

      現(xiàn)場技術(shù)人員查看報警發(fā)現(xiàn)某油井故障停泵,顯示機組過載,測試井下電機絕緣直阻三相6.4,Ω平衡,絕緣12,MΩ,初步判斷井下電機工況良好,油井電機及變壓器參數(shù)見表1。進行試啟泵,再次過載停泵,測量絕緣直阻未變,進而判斷井下電泵有異物卡阻,導(dǎo)致電泵不能正常轉(zhuǎn)動,使電流過高過載停泵。

      表1 油井電機及變壓器參數(shù)Tab.1 Oil well motor and transformer parameters

      1.2 故障處理過程

      在通過洗井解卡無效的情況下,現(xiàn)場技術(shù)人員決定采用低頻解卡的方案。根據(jù)廠家提供的操作說明將變頻器初始電壓設(shè)置到 10%,,并嘗試以 10,Hz啟泵進行低頻解卡。變頻器啟動后運行電流39,A,電壓261,V,待電泵運行穩(wěn)定后緩慢提頻。

      每 10,min調(diào)節(jié)一次頻率,頻率最大調(diào)到 13,Hz,電流 50,A左右。過載設(shè)定值為 52,A,所以沒有繼續(xù)往上調(diào)頻。在持續(xù)的近 3,h內(nèi),變頻器在 10~13,Hz運行,但是現(xiàn)場顯示電流依然沒有下降的趨勢,始終保持在 10,Hz時 39,A,11,Hz時 42,A,13,Hz時 50,A左右。油井其他參數(shù)未發(fā)生變化,卡阻現(xiàn)象并未得到解決,井底電泵只是在持續(xù)通電發(fā)熱的狀態(tài)。電機額定電流 43.5,A,由于無法觀察電機的運行溫度,繼續(xù)低頻解卡可能會導(dǎo)致電機過熱損壞電機,所以沒有繼續(xù)進行解卡。

      次日,技術(shù)人員嘗試著將初始電壓提到 20%,,再次以 10,Hz啟泵運行。在 20,min之內(nèi)將頻率調(diào)整到13,Hz(考慮到此時電流 50,A,電壓 325,V,過載電流值為 52,A,在無法確定井下電機溫度的情況下,沒有繼續(xù)升頻),在該頻率下運轉(zhuǎn)了 60,min后,電流突然下降至 20,A,技術(shù)人員開始逐步提頻,20,Hz、30,Hz、40,Hz、50,Hz,電流始終無較大的變化,井口開始有產(chǎn)出,解卡成功。

      2 低頻解卡的理論分析

      通過起初解卡失敗現(xiàn)象分析,失敗的原因還是電機提供的啟動轉(zhuǎn)矩和持續(xù)轉(zhuǎn)矩過低,達不到解卡要求。要解卡必須提高電機的啟動轉(zhuǎn)矩和持續(xù)轉(zhuǎn)矩。提高電機的啟動轉(zhuǎn)矩和持續(xù)轉(zhuǎn)矩,必須對矢量控制的變頻器在低頻運行時提供恒定的大轉(zhuǎn)矩輸出的原理進行分析,方能找到解決方案。

      2.1 運用矢量控制變頻器解卡的原理

      矢量控制的基本原理是將交流電機模擬成直流電機來控制,通過測量和控制異步電動機定子電流,根據(jù)磁場定向原理,分別對異步電動機的定子電流進行矢量分解,對勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進行控制,從而達到控制異步電動機轉(zhuǎn)矩的目的。具體是將異步電動機的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的電流分量(勵磁電流)和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量(轉(zhuǎn)矩電流),并分別加以控制,同時控制兩分量間的幅值和相位,即控制定子電流矢量,達到控制電機感應(yīng)電動勢的目的,使變頻率調(diào)速電機保持磁通恒定,提供恒定的大轉(zhuǎn)矩輸出。

      2.2 解卡失敗的理論分析

      式中:E1表示電機定子感應(yīng)電動勢,f1表示電源頻率,mΦ表示磁通,N1表示定子繞組匝數(shù),C為常數(shù)。

      由公式可知,要保持mΦ不變,當頻率f1從額定值向下調(diào)節(jié)時,必須降低E1。然而,繞組中的E1感應(yīng)電動勢是難以直接檢測和直接控制的,當電機電動勢值較高時,可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降,而認為定子繞組電壓 U1≈E1。低頻時,U1初始電壓和 E1都比較小,定子阻抗壓降就比較顯著,不能被忽略。這時,一般需要人為地把電壓 U1抬高一些,以便近似地補償定子壓降,使氣隙磁通基本保持不變,如圖1所示。

      圖1 恒壓頻比控制特性Fig.1 Constant voltage ratio control characteristics

      其中,Ⅰ為 U1/f1=C時的電壓頻率關(guān)系;Ⅱ為有電壓補償時(近似E1/f1=C)的電壓、頻率關(guān)系。

      低頻解卡即是電機在低頻狀態(tài)下的工況,在廠家說明中要求初始電壓提升設(shè)置到 10%。但初始電壓提升設(shè)置到 10%,是否能補償潛油電機的定子阻抗壓降,需要深入分析。

      采油平臺上的油井供配電一般形式是:400,V低壓盤給變頻器供電,經(jīng)過變頻器調(diào)節(jié)之后再輸送給變壓器升壓,繼而通過千米以上的井下電纜輸送到井底電泵。長達數(shù)千米的井下電纜就是潛油電泵配電與地面電機配電的最大差別。受使用環(huán)境的限制,井下電纜阻抗較大,產(chǎn)生的壓降大,為保障潛油電泵機組正常運行,通常在投用前為補償電纜壓降,會在升壓變壓器上調(diào)高一定的電壓。

      經(jīng)查詢相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)該油井電泵電纜長達2,285,m,電機在安裝前的直流電阻三相 1.3,Ω平衡,而安裝后地面測量的直流電阻三相 6.4,Ω平衡。由此可見,機組電纜的阻抗遠大于機組自身的阻抗,因此電纜產(chǎn)生的壓降遠大于定子繞組阻抗壓降。

      在低頻啟動時,電機定子的電壓雖然低,但電機卡阻時電流仍會很高。該井電泵在初始電壓提升設(shè)置到 10%,,10,Hz啟泵后運行電流 39,A,已接近額定值。在此情況下,定子阻抗和電纜阻抗產(chǎn)生的壓降很大,由于頻率低,忽略感抗,定子阻抗和電纜阻抗等效為其直阻 6.4,Ω,電纜的直阻為 5.1,Ω,電纜阻抗產(chǎn)生的壓降可以近似計算5.1×39,A=200,V。

      變頻率在10,Hz的情況下,通過U/f1=C計算油井變壓器輸出的電壓為 250,V,可近似計算潛油電機定子繞組的端電壓為 U1為 50,V,遠低于理論上應(yīng)該達到的 200,V。在此情況下,不能認為定子相電壓 U1就是變頻器輸出的電壓。根據(jù)式(1)可知,在此情況電機產(chǎn)生的磁通遠小于我們所希望的磁通,因此在此情況下E1和Φ都很小。

      三相異步電動機的轉(zhuǎn)矩公式:

      式中:X2/r2是轉(zhuǎn)子的電抗和電阻。磁通 Φ、轉(zhuǎn)子電流I2、轉(zhuǎn)子功率因數(shù) c os?2都是轉(zhuǎn)差率 s的函數(shù),但由于堵轉(zhuǎn) s=1,因此 Φ、I2、c o s?2都是常數(shù)。

      在此情況下,根據(jù)式(2),潛油電機提供的轉(zhuǎn)矩遠小于我們所認為的轉(zhuǎn)矩。

      2.3 二次解卡的實踐

      根據(jù)上述分析,如何在低頻下補償電纜壓降,提高潛油電機端電壓、提高轉(zhuǎn)矩,是解卡的關(guān)鍵。在第二次解卡時嘗試著將初始電壓提到 20%,。再次以10,Hz啟泵運行,短時間內(nèi)解卡,將頻率調(diào)整到13,Hz(此時電流 50,A,電壓 325,V),以提高電機定子繞組的端電壓U1,達到增大電機提供轉(zhuǎn)矩的目的。由于該電機額定電流 43.5,A、過載電流值設(shè)定為 52,A(為額定的1.2倍左右),頻率繼續(xù)升高,電流就超過過載電流值,且無法監(jiān)控電機運行的溫度,為防止電機燒毀,沒有再提高頻率。在13,Hz下運行了60,min后,電流突然下降至 20,A,并逐步提頻至 50,Hz,電流26,A,井口有產(chǎn)出,解卡成功。

      3 總 結(jié)

      通過上述理論分析和實踐可知,對于矢量控制變頻器實現(xiàn)油井電泵解卡,需要解決是如何補償油井電纜產(chǎn)生的壓降問題,這不同于地面三相異步電動機的控制。補償油井電纜產(chǎn)生的壓降方法有2個:

      ①提高變頻器啟動的初始電壓,能夠顯著提高電機的啟動轉(zhuǎn)矩,在今后解決類似問題時,可以嘗試將變頻器啟動的初始電壓設(shè)定到更高。

      ②在電機可以承受的前提下,盡可能提高變頻器的頻率,盡量減小電纜阻抗和定子繞組的漏磁阻抗壓降,以提高電泵輸出轉(zhuǎn)矩。

      此次油井電泵解卡在給油田帶來較好經(jīng)濟效益的同時,也為今后解決類似問題提供了值得借鑒的經(jīng)驗。

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