潛油電泵啟動(dòng)運(yùn)行探析

王 立

（中海石油（中國(guó)）有限公司湛江分公司，廣東湛江 524057）

0 引言

海上石油開(kāi)采主要是在石油開(kāi)采平臺(tái)進(jìn)行作業(yè)，除少數(shù)自噴井以外，大部分都是使用潛油電泵進(jìn)行作業(yè)。油田的產(chǎn)量多少和潛油電泵的運(yùn)行時(shí)間直接相關(guān)，潛油電泵的每次修井作業(yè)都需要更換電纜、更換潛油電泵以及設(shè)備和人員等方面的花費(fèi)少則300 多萬(wàn)元，影響著油田的生產(chǎn)成本和效益。

潛油電泵電機(jī)位于油管的底部，在海平面下約1200 m，通過(guò)動(dòng)力電纜連接到地面，由于地層下方溫度高，壓力高，電潛泵實(shí)際運(yùn)行工況十分惡劣，現(xiàn)在潛油電泵平均使用壽命約3 a，針對(duì)不同電潛泵井的差異性合理的使用和維護(hù)采油設(shè)備，對(duì)于延長(zhǎng)電潛泵的服役時(shí)間，降低修井成本收益明顯。潛油電泵服役時(shí)間的長(zhǎng)短取決于前期設(shè)備、材料的選擇質(zhì)量、安裝、施工質(zhì)量以及運(yùn)行過(guò)程中的精確維護(hù)，本部分內(nèi)容主要針對(duì)潛油電泵在使用過(guò)程中存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，以提高設(shè)備的使用壽命。

1 故障原因分析

（1）電氣故障。動(dòng)力電纜擊穿、電機(jī)損壞。

（2）機(jī)械故障。電機(jī)和泵之間鎖緊裝置螺栓斷裂，造成電機(jī)脫開(kāi)泵空轉(zhuǎn)以及泵卡死，無(wú)法運(yùn)行。

經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，電纜絕緣擊穿、電機(jī)損壞等電氣故障占到故障總量的近80%，不管是設(shè)備材料質(zhì)量、施工質(zhì)量還是電源質(zhì)量的隱性問(wèn)題，最終大部分是以電氣故障的形式表現(xiàn)出來(lái)。因油井出砂以及其他原因造成電機(jī)啟動(dòng)阻力增大，進(jìn)而影響到電機(jī)的順利啟動(dòng)，造成啟動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)，就會(huì)加速絕緣老化，縮短設(shè)備使用壽命。一旦造成啟動(dòng)困難，合理的電氣運(yùn)行參數(shù)設(shè)定就顯得很有必要。

2 工頻電泵井電氣參數(shù)確定

海上采油平臺(tái)潛油電泵系統(tǒng)通過(guò)動(dòng)力電纜把交流電能輸送給潛油電機(jī)，然后把電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能帶動(dòng)多級(jí)離心泵旋轉(zhuǎn)，使油井中井液舉升到地面，輸送到處理裝置進(jìn)行處理。工頻井潛油電泵的400 V 電源經(jīng)過(guò)動(dòng)力變壓器升壓以后供電給井下潛油電機(jī)，潛油電泵系統(tǒng)得到啟動(dòng)命令后，高壓接觸器吸合，電機(jī)全壓?jiǎn)?dòng)。潛油電泵供電流程是低壓配電抽屜柜→動(dòng)力變壓器→電潛泵控制柜→潛油電纜→電潛泵電機(jī)。潛油電泵電源參數(shù)的設(shè)定是根據(jù)油井溫度、負(fù)載電流和壓降要求確定潛油電纜的規(guī)格，然后確定變壓器輸出端電壓。示例如下：潛油電機(jī)額定功率43.875 kW，額定電壓945 V，額定電流39 A，電纜規(guī)格為AWG4#，泵掛深度1200 m，井溫66 ℃。通過(guò)查找電纜手冊(cè)，標(biāo)準(zhǔn)溫度下電纜壓降為17 V/305 m，1200 m 潛油電纜電纜壓降為1200×17/305=66.8 V。查表，66 ℃電阻溫度修正系數(shù)為1.176，電纜壓降為1.176×66.6=78.6 V，地面電壓為78.6+945=1023.6 V。此時(shí)電潛泵變壓器輸出端在50 Hz 工頻狀態(tài)運(yùn)行時(shí)應(yīng)該約為1023.6 V。

3 電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程分析

3.1 啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩

電機(jī)啟動(dòng)是一個(gè)短暫的過(guò)程，電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，其電機(jī)端電壓應(yīng)能保證被拖動(dòng)機(jī)械要求的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，即啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩要大于阻轉(zhuǎn)矩，并應(yīng)留有一定余量，以保證電機(jī)的順利啟動(dòng)。相關(guān)公式如下。

式中 Ms——啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，N·m

U1——定子相電壓，V

m1——相數(shù)

r1——定子相電阻，Ω

ωs——同步角速度，1/s

由該異步電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩公式可知，電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的大小只與電機(jī)端電壓和電機(jī)固有特性有關(guān)，如果電源不發(fā)生變化，電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩是固定不變的，且與電機(jī)端電壓平方成正比例變化。以上是工頻啟動(dòng)時(shí)電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與相關(guān)參數(shù)的變化關(guān)系。

3.2 啟動(dòng)電流

在異步電機(jī)啟動(dòng)的過(guò)程中，啟動(dòng)電流是一個(gè)不斷變化的量。電機(jī)在整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程中，只有電機(jī)轉(zhuǎn)速接近額定轉(zhuǎn)速時(shí)運(yùn)行電流才會(huì)出現(xiàn)明顯的下降。電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間和負(fù)載大小直接相關(guān)，隨著啟動(dòng)負(fù)載的逐漸增大，所需時(shí)間也在逐漸延長(zhǎng)，電纜和繞組上發(fā)熱更多。影響最直接的就是電機(jī)和電纜上的絕緣材料的壽命大幅度減少，潛油電泵過(guò)早損壞。

3.3 電機(jī)端電壓

電機(jī)啟動(dòng)時(shí)造成的配電系統(tǒng)電壓降落暫不考慮，由于長(zhǎng)距離動(dòng)力電纜的存在，啟動(dòng)過(guò)程中的壓降就無(wú)法忽略。在電機(jī)啟動(dòng)的過(guò)程中，啟動(dòng)電流按5 倍的額定電流計(jì)算，升壓變壓器在此過(guò)程中電壓降低可以忽略不計(jì)，電纜壓降就是原電壓降的5 倍，此時(shí)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為[（1023.6-5×78.6）/945]2≈0.445 倍的額定電壓下的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。如果電潛泵是輕負(fù)荷啟動(dòng)，對(duì)電潛泵的正常啟動(dòng)不會(huì)造成明顯的影響，如果油井出砂出現(xiàn)卡泵的情況，需要較大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的情況下，此時(shí)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩就降低較多。

4 變頻電泵井

變頻調(diào)速是一種交流電機(jī)最理想的調(diào)速方法之一?，F(xiàn)在隨著變頻控制技術(shù)越來(lái)越成熟和功能的越來(lái)越完善，變頻調(diào)速技術(shù)所帶來(lái)的便利性和經(jīng)濟(jì)性也使油田現(xiàn)場(chǎng)使用變頻器控制的變頻井在逐年增多。變頻電泵井的供電流程是低壓配電抽屜柜→變頻控制柜→動(dòng)力變壓器→潛油電纜→電潛泵電機(jī)。潛油電泵地面電壓的確定是以工頻電壓為基礎(chǔ)，與工頻電潛泵計(jì)算方法一樣。潛油電泵使用變頻器控制能夠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況通過(guò)改變變頻器的輸出頻率來(lái)相應(yīng)地調(diào)整潛油電泵的產(chǎn)液量，對(duì)產(chǎn)量的控制也更容易操作。

變頻器在基頻以下變頻運(yùn)行時(shí)，由定子繞組電動(dòng)勢(shì)公式U1≈E1=4.44K1N1f1Φ，得到φ=KφU1/f1，為防止磁路過(guò)飽和，造成電機(jī)鐵損發(fā)熱增多，在輸出頻率降低的同時(shí)輸出電壓進(jìn)行同步降低，使總磁通量保持基本一致。由于異步電機(jī)定子繞組電阻的影響，相關(guān)資料表明，電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中會(huì)存在大概30 V 的電壓降，頻率較高時(shí)影響輕微，在低頻時(shí)就會(huì)明顯影響電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩?，F(xiàn)在的變頻器都可以相應(yīng)的輸出補(bǔ)償?shù)墓δ茉O(shè)置，即在低頻時(shí)使變頻器輸出電壓做相應(yīng)的抬升，以達(dá)到理想的轉(zhuǎn)矩輸出。

變頻器在具體的使用過(guò)程中，可以根據(jù)實(shí)際工況來(lái)合理設(shè)置電機(jī)控制項(xiàng)里面的壓頻比初始啟動(dòng)升壓，以補(bǔ)償初始輸出電壓以增加啟動(dòng)時(shí)的磁通量，不同的運(yùn)行頻率，所需要的補(bǔ)償量也是不同的，提高初始升壓值能夠明顯的增強(qiáng)電機(jī)在低頻時(shí)的帶載能力。如果潛油電泵卡泵需要解卡時(shí)，電流達(dá)到變頻器輸出限幅時(shí)，頻率無(wú)法進(jìn)一步上升，無(wú)法提供足夠的力矩，潛油電泵就無(wú)法成功啟動(dòng)，此時(shí)就需要設(shè)置大小合適的初始電壓U0。

5 總結(jié)

通過(guò)以上分析可知，電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的端電壓是電機(jī)能否啟動(dòng)成功的重要因素，電機(jī)端電壓偏低會(huì)造成啟動(dòng)力矩不足，需要對(duì)電機(jī)電纜的壓降有一個(gè)相對(duì)準(zhǔn)確的設(shè)定，以及啟動(dòng)期間大電流對(duì)電機(jī)端電壓所造成的電壓降影響。使用變頻器啟動(dòng)的潛油電泵，如果考慮低頻啟動(dòng)的狀態(tài)，定子繞組造成的壓降就對(duì)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩造成明顯的影響，合理的設(shè)置啟動(dòng)升壓值，啟動(dòng)時(shí)對(duì)電源的影響小，更能夠獲得較好的啟動(dòng)性能。具體的使用還需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行工況和啟動(dòng)情況，進(jìn)行參數(shù)的逐步調(diào)整。