矢量變頻器在油井解卡中的成功應(yīng)用

陳永強(qiáng)，張德生

(中海石油(中國(guó))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(tái)的核心，大多是通過(guò)潛油電泵機(jī)組從海底千余米的地層內(nèi)將石油開(kāi)采上來(lái)。但是油井電泵在工作過(guò)程中出現(xiàn)井下電泵卡阻時(shí)，傳統(tǒng)方式大都是先通過(guò)洗井再使用工頻直接啟泵方式解卡。目前海上采油平臺(tái)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(wú)效，就要進(jìn)行提泵大修了，經(jīng)濟(jì)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(yùn)行時(shí)，能夠?yàn)殡姍C(jī)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(wú)法直接觀(guān)察，如何運(yùn)用矢量控制變頻器，低頻解卡是現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員需要解決的問(wèn)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(chǎng)技術(shù)人員查看報(bào)警發(fā)現(xiàn)某油井故障停泵，顯示機(jī)組過(guò)載，測(cè)試井下電機(jī)絕緣直阻三相6.4,Ω平衡，絕緣12,MΩ，初步判斷井下電機(jī)工況良好，油井電機(jī)及變壓器參數(shù)見(jiàn)表1。進(jìn)行試啟泵，再次過(guò)載停泵，測(cè)量絕緣直阻未變，進(jìn)而判斷井下電泵有異物卡阻，導(dǎo)致電泵不能正常轉(zhuǎn)動(dòng)，使電流過(guò)高過(guò)載停泵。

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

1.2 故障處理過(guò)程

在通過(guò)洗井解卡無(wú)效的情況下，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員決定采用低頻解卡的方案。根據(jù)廠(chǎng)家提供的操作說(shuō)明將變頻器初始電壓設(shè)置到 10%,，并嘗試以 10,Hz啟泵進(jìn)行低頻解卡。變頻器啟動(dòng)后運(yùn)行電流39,A，電壓261,V，待電泵運(yùn)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(guò)載設(shè)定值為 52,A，所以沒(méi)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(yùn)行，但是現(xiàn)場(chǎng)顯示電流依然沒(méi)有下降的趨勢(shì)，始終保持在 10,Hz時(shí) 39,A，11,Hz時(shí) 42,A，13,Hz時(shí) 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(jī)額定電流 43.5,A，由于無(wú)法觀(guān)察電機(jī)的運(yùn)行溫度，繼續(xù)低頻解卡可能會(huì)導(dǎo)致電機(jī)過(guò)熱損壞電機(jī)，所以沒(méi)有繼續(xù)進(jìn)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(yùn)行。在 20,min之內(nèi)將頻率調(diào)整到13,Hz(考慮到此時(shí)電流 50,A，電壓 325,V，過(guò)載電流值為 52,A，在無(wú)法確定井下電機(jī)溫度的情況下，沒(méi)有繼續(xù)升頻)，在該頻率下運(yùn)轉(zhuǎn)了 60,min后，電流突然下降至 20,A，技術(shù)人員開(kāi)始逐步提頻，20,Hz、30,Hz、40,Hz、50,Hz，電流始終無(wú)較大的變化，井口開(kāi)始有產(chǎn)出，解卡成功。

2 低頻解卡的理論分析

通過(guò)起初解卡失敗現(xiàn)象分析，失敗的原因還是電機(jī)提供的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和持續(xù)轉(zhuǎn)矩過(guò)低，達(dá)不到解卡要求。要解卡必須提高電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和持續(xù)轉(zhuǎn)矩。提高電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和持續(xù)轉(zhuǎn)矩，必須對(duì)矢量控制的變頻器在低頻運(yùn)行時(shí)提供恒定的大轉(zhuǎn)矩輸出的原理進(jìn)行分析，方能找到解決方案。

2.1 運(yùn)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(jī)模擬成直流電機(jī)來(lái)控制，通過(guò)測(cè)量和控制異步電動(dòng)機(jī)定子電流，根據(jù)磁場(chǎng)定向原理，分別對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的定子電流進(jìn)行矢量分解，對(duì)勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。具體是將異步電動(dòng)機(jī)的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流分量(勵(lì)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(shí)控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量，達(dá)到控制電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的目的，使變頻率調(diào)速電機(jī)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(jī)定子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，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(dāng)頻率f1從額定值向下調(diào)節(jié)時(shí)，必須降低E1。然而，繞組中的E1感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是難以直接檢測(cè)和直接控制的，當(dāng)電機(jī)電動(dòng)勢(shì)值較高時(shí)，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認(rèn)為定子繞組電壓 U1≈E1。低頻時(shí)，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(shí)，一般需要人為地把電壓 U1抬高一些，以便近似地補(bǔ)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(shí)的電壓頻率關(guān)系；Ⅱ?yàn)橛须妷貉a(bǔ)償時(shí)(近似E1/f1＝C)的電壓、頻率關(guān)系。

低頻解卡即是電機(jī)在低頻狀態(tài)下的工況，在廠(chǎng)家說(shuō)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(bǔ)償潛油電機(jī)的定子阻抗壓降，需要深入分析。

采油平臺(tái)上的油井供配電一般形式是：400,V低壓盤(pán)給變頻器供電，經(jīng)過(guò)變頻器調(diào)節(jié)之后再輸送給變壓器升壓，繼而通過(guò)千米以上的井下電纜輸送到井底電泵。長(zhǎng)達(dá)數(shù)千米的井下電纜就是潛油電泵配電與地面電機(jī)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(jī)組正常運(yùn)行，通常在投用前為補(bǔ)償電纜壓降，會(huì)在升壓變壓器上調(diào)高一定的電壓。

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

在低頻啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)定子的電壓雖然低，但電機(jī)卡阻時(shí)電流仍會(huì)很高。該井電泵在初始電壓提升設(shè)置到 10%,，10,Hz啟泵后運(yùn)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(jì)算5.1×39,A＝200,V。

變頻率在10,Hz的情況下，通過(guò)U/f1＝C計(jì)算油井變壓器輸出的電壓為 250,V，可近似計(jì)算潛油電機(jī)定子繞組的端電壓為 U1為 50,V，遠(yuǎn)低于理論上應(yīng)該達(dá)到的 200,V。在此情況下，不能認(rèn)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(jī)產(chǎn)生的磁通遠(yuǎn)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(dòng)機(jī)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(jī)提供的轉(zhuǎn)矩遠(yuǎn)小于我們所認(rèn)為的轉(zhuǎn)矩。

2.3 二次解卡的實(shí)踐

根據(jù)上述分析，如何在低頻下補(bǔ)償電纜壓降，提高潛油電機(jī)端電壓、提高轉(zhuǎn)矩，是解卡的關(guān)鍵。在第二次解卡時(shí)嘗試著將初始電壓提到 20%,。再次以10,Hz啟泵運(yùn)行，短時(shí)間內(nèi)解卡，將頻率調(diào)整到13,Hz(此時(shí)電流 50,A，電壓 325,V)，以提高電機(jī)定子繞組的端電壓U1，達(dá)到增大電機(jī)提供轉(zhuǎn)矩的目的。由于該電機(jī)額定電流 43.5,A、過(guò)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(guò)過(guò)載電流值，且無(wú)法監(jiān)控電機(jī)運(yùn)行的溫度，為防止電機(jī)燒毀，沒(méi)有再提高頻率。在13,Hz下運(yùn)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(guò)上述理論分析和實(shí)踐可知，對(duì)于矢量控制變頻器實(shí)現(xiàn)油井電泵解卡，需要解決是如何補(bǔ)償油井電纜產(chǎn)生的壓降問(wèn)題，這不同于地面三相異步電動(dòng)機(jī)的控制。補(bǔ)償油井電纜產(chǎn)生的壓降方法有2個(gè)：

①提高變頻器啟動(dòng)的初始電壓，能夠顯著提高電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，在今后解決類(lèi)似問(wèn)題時(shí)，可以嘗試將變頻器啟動(dòng)的初始電壓設(shè)定到更高。

②在電機(jī)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(lái)較好經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也為今后解決類(lèi)似問(wèn)題提供了值得借鑒的經(jīng)驗(yàn)。