潛油電泵變頻器低頻解卡功能的分析及應用

蘇 廷

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津300459)

1 潛油電泵卡泵故障分析

1.1 卡泵原因分析

潛油電泵電機為三相鼠籠式異步電動機，帶動多級離心泵旋轉，將井下油水液體提升至地面流程，潛油電泵卡泵是影響電泵使用壽命和油井生產時效的主要原因之一。潛油電泵在正常運行時，發生卡泵的原因有以下幾種：

①由于井液中含有泥砂，泥砂卡住泵輪導致電機過載停泵。

②在修井過程中，異物落入井筒中，在生產過程中被吸入泵內造成卡泵現象。

③對于井液比較粘稠的油井，當停井一段時間后，由于井溫下降，泵的葉輪與導輪之間充滿粘稠的液體介質，處于一種膠著狀態，當啟泵時易發生卡泵現象[1]。

④容易結垢或者結蠟的油井發生的卡泵現象。

1.2 卡泵故障判斷

是否發生卡泵可以通過電流卡片進行判斷。電流卡片可以直接反映電泵的運行狀態。如圖1 所示，在正常運行的情況下，電流記錄儀顯示的是一條光滑對稱的曲線。當泵在含有雜質的井液中運行時，電流會發生突然的波動，過一段時間又恢復正常。電流波動的原因是由于井液中含有松散的泥砂或碎屑，或者葉導輪磨損造成輕微卡泵等，嚴重時會造成過載停機或卡泵。卡泵時反映在電流卡片上的電流逐漸升高或者突然升高，一旦達到過載電流整定值將導致機組過載停機。

圖1 電泵在含有雜質的井液中和過載停泵時的電流曲線Fig.1 Current curve of electric pump in well fluids containing impurities and during overload stop

1.3 解卡方法

發生卡泵時，通常的做法是采取工藝解卡，即采取正擠的方式進行洗井，清除砂堵或者粘稠的井液，將泵腔清洗干凈后進行試啟泵。如啟泵失敗，則需要采用電氣解卡，通常有以下方法。

①電機反轉解卡：主要通過調整電泵兩相電源使潛油電泵反向運轉，嘗試反轉解卡。

②變頻換工頻解卡：將電泵電源由變頻柜改接到工頻柜，適當延長過載值，由工頻柜多次沖擊解卡。

③變頻器低頻解卡：此方法近幾年在海上采油平臺應用較多，主要是通過提高低頻時電機轉矩來實現解卡的功能。

④若以上方法都不可行，則需考慮修井檢泵作業解卡。

2 低頻解卡原理分析

現有的油井變頻器通常采用恒壓頻比的控制方式進行頻率調節。恒壓頻控制可保持最大轉矩為恒值，是轉速開環控制，無需速度傳感器，其控制電路簡單，負載可以是通用標準異步電動機，所以通用性強，經濟性好，是目前通用變頻器產品中使用較多的一種控制方式。

2.1 變頻調速的基本原理

異步電動機的轉速n 與定子供電頻率之間有以下關系：

式中：n為電機的轉速；n0為同步轉速；f為供電頻率；P為極對數；s為轉差率。

由式(1)可以看出，當改變定子的供電頻率時，就可以改變電機的轉速，從而實現異步電機的速度調節，這是變頻調速的基本原理。

2.2 恒壓頻比控制方式的原理

在進行電機調速時，需要考慮的一個問題是如何保持電機的帶負載能力不變，即保持電機的電磁轉矩不變。

式中：T為電機的電磁轉矩；CM為常數；Φm為每極的磁通量；I2為轉子電流；cosφ2為功率因數。

由式(2)可以看出，電動機在變頻調速過程中，在轉子電流為額定的條件下，磁通Φm保持不變，那么電動機的輸出轉矩也是恒定的，即變頻調速前后，輸出轉矩不變，可實現恒轉矩調速。

三相異步電動機定子每相繞組的感應電動勢的有效值為：

式中：E1為定子每相繞組中感應電動勢；f1為定子頻率；N1為定子相繞組有效匝數；kw1為繞組系數；Φm為每極磁通量。

由式(3)可見，Φm的值是由E1和f1共同決定的，要保持Φm不變，在改變頻率的同時，必須按比例改變感應電動勢，使E1/f1為恒值，即E1/f1＝C，這就要求對感應電動勢和頻率進行協調控制。然而，由于感應電動勢難以直接控制，保持E1/f1為恒值只是一種理想的控制方法。當忽略定子漏抗壓降時，可以近似認為定子的相電壓等于感應電動勢。

用易于測量和控制的定子相電壓U1取代電動勢E1，保持U1與頻率f1的比值為恒值就可以近似地維持Φm恒定，從而實現近似的恒磁通調速。這就是恒壓頻比控制或者U/f控制方式的原理，它是開環變頻調速系統常用的控制方式[2]。

2.3 低頻補償

采用U1≈E1，使控制易于實現，但也帶來誤差。

圖2 異步電動機的穩態等效電路圖Fig.2 Stable equivalent circuit diagram of asynchronous motor

由異步電動機的穩態等效電路圖2 可知，U1可分解為定子阻抗壓降及感應電動勢E1，即：

顯然，被忽略掉的定子阻抗壓降在U1中所占比例的大小決定了它的影響程度。

在低頻時U1和E1都較小，定子阻抗壓降所占的比重就比較顯著而不能忽略。這時，需要人為地在低頻段提高定子電壓U1，以便近似地補償定子壓降，使最大電磁轉矩有所增大，實質上是對異步電機電磁轉矩進行補償，增強電動機的帶負載能力。一般變頻器調壓調頻控制方式都有轉矩補償功能，其理論基礎就在于此。

圖3 恒壓頻比控制時變頻調速的機械特性曲線Fig.3 Mechanical characteristic curve of variable frequency speed regulation in constant voltagefrequency ratio control

由圖3 機械特性曲線可見，最大轉矩Temax是隨著f降低而減小。頻率很低時，Temax太小將限制電機的帶載能力，因此采用定子壓降補償，適當地提高電壓U1，可提高電機的帶載能力[3]。

在油田中采用的變頻器低頻解卡功能，利用的就是這個原理。

3 低頻解卡應用實例

通過以下兩個案例可以看出，油井變頻器低頻解卡是一種很好的解卡方式，尤其是現階段普遍使用變頻器而沒有工頻柜。低頻解卡主要是利用低頻時提高電壓補償，提升電機的轉矩，從而解決不是很嚴重的卡泵問題。在遇到類似卡泵問題時可以參考使用。

3.1 貝克休斯低壓變頻器解卡

某油田C6H 井使用的是貝克休斯變頻柜，計量產液量為210 m3/d，產油64 m3/d。因計量產液量下降明顯，初步懷疑吸入口存在堵塞現象，手動停泵以解決堵塞問題，準備再次啟泵時出現卡泵的現象。遇卡及處理過程如下：

①變頻啟泵時發生過載停機導致啟泵失敗，懷疑井下機組遇卡。進行大排量反洗，倒相序反轉解卡失敗。測量機組三相直阻平衡均為5.4 Ω，對地絕緣150 MΩ，電泵機組電氣參數基本正常。

②進行大排量反洗、正洗、反轉解卡都未成功，繼續進行10 m3/h 排量正洗井。

③變頻30 Hz 啟泵依然不成功(頻率上升至8 Hz就過載停泵)，嘗試改變相序反轉解卡仍不成功。

④嘗試低頻率解卡功能，對部分參數進行修改，使用10 Hz 啟泵，成功后逐步提頻至50 Hz。

3.2 華云變頻器解卡

某油田A13 井正常生產產液量20 m3/d，產油3.5 m3/d 左右，該井為Y 型管柱，電泵有單流閥，遇卡及處理過程如下：

①故障停泵，變頻柜掉電，檢查并試運轉變頻柜正常，測量機組三相直阻平衡，對地絕緣正常，電泵電機電氣參數正常。變頻30 Hz 啟泵，頻率上升緩慢，電流居高不下(超過80 A)，初步判斷電泵遇卡。

②大排量洗井，井口返出全部為水，變頻30 Hz啟泵依然不成功(現象還是遇卡)。

③再進行洗井倒相序反轉，變頻30 Hz 啟泵不成功；隨后繼續進行反洗。

④采用低頻10 Hz 方式啟泵成功，運行穩定后提頻至30 Hz 運轉，后續平臺根據返出及電流情況調整至正常運轉頻率。

4 兩種變頻器的參數設置方法

4.1 華云中壓變頻器HYVERT-MV參數設置

天津華云自控股份有限公司HYVERT-MV 系列變頻器是針對油田潛油電泵而設計的中壓變頻調速裝置。該變頻裝置采用V/F 特性曲線控制速度調節，并將V/F 特性曲線分為3 段，可以通過手動設置壓頻比以改變曲線特性。低頻解卡時參數設置如表1所示，對應到電壓頻率曲線如下圖4 所示。

表1 華云變頻器10 Hz低頻解卡參數設置表Tab.1 Parameter setting table of 10 Hz low frequency releasing of locked rotor using Huayun frequency converter

圖4 電壓補償前后的V/F比曲線圖Fig.4 V/F ratio curve before and after voltage compensation

圖4 中，實線為基本的壓頻比曲線，點劃線為修改后的曲線。由圖4 可以看出，采用低頻解卡時，其實就是提高了電壓比率，提高相同頻率下的電壓值，也就是在低頻時進行電壓補償，從而提高電機的轉矩，起到潛油電泵解卡的作用。

4.2 貝克休斯低壓變頻器GCS參數設置

貝克休斯變頻器是針對電潛泵設計的地面控制系統，很多功能都是專門針對電潛泵應用而設計的。它在正常情況下工作于帶有輸出濾波器的脈寬調制(FPWM)模式，而在輸出濾波器出現問題的情況下也可以繼續工作在六步方波模式，并可以實現兩種模式的不停機切換。低頻解卡時參數設置如表2。

表2 貝克休斯變頻器10 Hz低頻解卡參數設置表Tab.2 The parameter setting table of 10 Hz low frequency re-leasing of locked rotor using Baker frequency con-verter

由表2 可以看出，貝克休斯變頻器的低頻解卡功能，主要是提高了同步升壓的值。該值用來控制在啟動頻率基準電壓基礎上的電壓增量，此功能僅用于啟動階段，用來補償啟動時定子阻抗壓降。該值在正常啟動時應該設置為零，只有在啟動困難的時候增加。由于卡泵啟動時電流較大，相應地增加了電流及轉矩的最大限值[4]。

4.3 變頻器參數設置注意事項

①潛油電泵電機依靠液體流動進行冷卻，為了保證電機得到冷卻，最低頻率不能設置得太低(我們采用的一般是10 Hz 進行解卡)，而且在低頻時運轉時間不能過長，以防止電機出現高溫問題。

②由于提高了電壓補償，配套過載電流保護等也需要相應提高。

③機組解卡后，需將參數恢復為原來的值。

5 總 結

潛油電泵在運行過程中可能會出現卡泵故障，近幾年在海上采油平臺通過變頻器低頻啟動提高轉矩的方式進行解卡得到普遍應用。變頻器低頻解卡比使用工頻柜解卡工作量小，特別是在新建平臺沒有配置工頻柜的條件下更為實用。本文通過對電機機械特性曲線、變頻器的參數設置以及低頻解卡實踐等進行研究，分析變頻器低頻解卡的原理以及注意事項，以期低頻解卡功能得到推廣應用，從而減少檢泵次數，節省檢泵費用，并提高海上平臺的石油產量。