矢量變頻器在油井解卡中的成功應(yīng)用

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。