提高潛油電機(jī)質(zhì)量及運(yùn)行可靠性方法研究

滕 達(dá) 宋懿勛 龐玉霞

中國石油大慶油田裝備制造集團(tuán) 力神泵業(yè)技術(shù)研發(fā)中心 （黑龍江 大慶 163311）

潛油電泵采油具有揚(yáng)程高、排量大、費(fèi)材少、節(jié)能等諸多優(yōu)點(diǎn)。 隨著我國各主要油田開發(fā)進(jìn)入高含水后期，潛油電泵在原油高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)中發(fā)揮著越來越重要的作用，各大油田都在大力推廣潛油電泵的應(yīng)用。目前，大慶油田共有電泵井約1700口，平均檢泵周期超過1100天；而在國外，潛油電泵裝機(jī)容量超過了生產(chǎn)現(xiàn)場總裝機(jī)容量的20%[1]。

潛油電機(jī)作為潛油電泵機(jī)組的動力部分,是一種具有獨(dú)特的定轉(zhuǎn)子分段細(xì)長結(jié)構(gòu)的立式三相異步電機(jī)，其性能直接影響著電泵機(jī)組的質(zhì)量和運(yùn)行可靠性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電機(jī)故障占機(jī)組總故障率的40%以上。由于其特殊的結(jié)構(gòu)，需要從設(shè)計(jì)制造、現(xiàn)場運(yùn)行等多個(gè)環(huán)節(jié)考慮，達(dá)到提高潛油電機(jī)質(zhì)量及運(yùn)行可靠性的目的[2]。

1 設(shè)計(jì)制造環(huán)節(jié)的研究

1.1 合理選取電磁參數(shù)取值范圍

在電機(jī)的主要尺寸確定的情況下，線負(fù)荷與氣隙磁通密度決定著電機(jī)的主要性能參數(shù)。對于同一功率和轉(zhuǎn)速的電機(jī)，較高的線負(fù)荷和氣隙磁通密度，可以減少電機(jī)的尺寸，降低鋼材與銅的使用量，減輕重量。但如果將線負(fù)荷和氣隙磁通密度取值過高，就會加大電機(jī)的定轉(zhuǎn)子銅損耗和鐵損耗，可能引起磁路飽和，使電機(jī)過熱，溫升增高。應(yīng)綜合考慮電機(jī)制造與運(yùn)行的各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，并根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)在一定范圍內(nèi)取值。一般來說，如果設(shè)計(jì)的潛油電機(jī)定子電流密度在5～8.5A/mm2之間，氣隙磁通密度不超過0.8T，則方案的電磁設(shè)計(jì)是在合理的范圍之內(nèi)。

電機(jī)定轉(zhuǎn)子之間氣隙選擇的大，磁阻大，所需要電機(jī)的勵(lì)磁電流大，電機(jī)的功率因數(shù)降低，并且會降低電機(jī)內(nèi)部潤滑油的循環(huán)速度，影響散熱。但較大的氣隙可使諧波磁場減弱，電機(jī)的附加損耗降低，對電機(jī)零部件的同軸度及裝配精度的要求降低；而如果電機(jī)定轉(zhuǎn)子之間氣隙選擇過小，會增加電機(jī)加工制造的難度，定轉(zhuǎn)子之間發(fā)生掃膛的機(jī)率也會增加，掃膛很容易使電機(jī)發(fā)熱燒毀，并且附加損耗增加而使電機(jī)效率降低。因此根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，潛油電機(jī)氣隙值一般選在0.4～1mm之間。

1.2 采用新型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高溫下電機(jī)內(nèi)部的部件，主要是定轉(zhuǎn)子會受熱膨脹，包括徑向和軸向膨脹，導(dǎo)致定子硅鋼片和轉(zhuǎn)子節(jié)尺寸發(fā)生變化。并且由于不同材料的熱膨脹系數(shù)不同，定轉(zhuǎn)子的膨脹速度也不一致。徑向膨脹會造成氣間的不均勻，通過適當(dāng)選取氣隙值基本可以消除此種影響。軸向膨脹會造成定轉(zhuǎn)子對正的問題，可以采用新型的分節(jié)定位的方法，在每節(jié)轉(zhuǎn)子前后各裝1個(gè)限位卡簧，2個(gè)卡簧之間預(yù)留足夠的軸向膨脹間隙，同時(shí)定子節(jié)長度同卡簧長度一致，防止間隙過小導(dǎo)致定轉(zhuǎn)子錯(cuò)位，產(chǎn)生軸向力引起電機(jī)轉(zhuǎn)子上竄。

在電機(jī)尾部引線連接處可選用新型的星點(diǎn)結(jié)構(gòu)，采用氟橡膠澆注的銅環(huán)，取代以往的引線焊接工藝，可提高可靠性，增強(qiáng)絕緣強(qiáng)度，并且安裝和拆卸都極為方便。同時(shí)，可在電機(jī)底部安裝新型的電機(jī)油濾網(wǎng)取代以往的磁鐵塊過濾方式，此種電機(jī)油濾網(wǎng)不但可以吸附電機(jī)油中的鐵材料，還可以吸附磁鐵塊所無法吸附的銅屑和其他非金屬雜質(zhì)，從而保證電機(jī)內(nèi)各個(gè)摩擦副長期可靠的運(yùn)轉(zhuǎn)。新型的星點(diǎn)和電機(jī)油濾網(wǎng)如圖1所示。

以上的新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在力神泵業(yè)公司的188系列電機(jī)中已經(jīng)采用，應(yīng)用效果很好，可根據(jù)成功的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和潛油電機(jī)通用化的設(shè)計(jì)思想，將其移植到95小直徑和114、138、143等系列電機(jī)的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)中。

1.3 強(qiáng)化生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的管控

潛油電機(jī)的生產(chǎn)制造是一系列復(fù)雜的工藝過程，包括定轉(zhuǎn)子鐵芯沖片制造、定子繞組制造、定子殼體制造、定子鐵芯壓裝、定子繞組嵌裝、定子繞組絕緣處理、轉(zhuǎn)子組裝及外圓加工、定子校直、電機(jī)軸校直、電機(jī)組裝、出廠測試等主要過程。每一個(gè)過程都需要嚴(yán)格按照工藝文件執(zhí)行，以保證達(dá)到技術(shù)要求。

在設(shè)計(jì)合理的情況下，生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的水平極大的影響著潛油電機(jī)的整機(jī)質(zhì)量。例如，提高硅鋼片的沖疊工藝水平，可有效的降低鐵耗；提高零部件的加工精度和整機(jī)的裝配質(zhì)量,減少摩擦系數(shù),可降低電機(jī)的機(jī)械損耗；保證電機(jī)零部件的同軸度和直線度可減少掃膛的發(fā)生；在定子繞組嵌裝過程中，繞組兩端對稱，端部長度符合規(guī)定，可保證足夠的裝配尺寸和三相繞組直流電阻之間的平衡；正確組裝電機(jī)頭部的止推軸承可減少動塊與靜塊之間的摩擦損耗；通過加調(diào)整墊片使扶正軸承銅套和軸上的通孔對齊，可以保證潤滑油對扶正軸承摩擦副的潤滑作用等[3-4]。

由于潛油電機(jī)的生產(chǎn)制造過程涉及工序多，質(zhì)量控制點(diǎn)多，更需要制定合理的質(zhì)量控制方案，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

可采取的質(zhì)量管控的具體措施包括:

（1）加強(qiáng)對供應(yīng)商的質(zhì)量控制，強(qiáng)化對供方的質(zhì)量審核。

（2）對所有原材料和零部件按照其對最終產(chǎn)品質(zhì)量的影響程度分類。根據(jù)質(zhì)量重要度編制抽樣檢驗(yàn)方案，按此參數(shù)抽樣方案及相關(guān)技術(shù)文件要求進(jìn)行檢驗(yàn)，判定合格與否。

（3）利用合格原材料和零部件，按照技術(shù)文件進(jìn)行產(chǎn)品制造，并在相應(yīng)的質(zhì)量控制點(diǎn)、停工待檢點(diǎn)進(jìn)行檢驗(yàn)試驗(yàn)。

（4）在產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，都要進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)識別，對安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分類管理。各類風(fēng)險(xiǎn)均采用相應(yīng)的削弱和控制手段，必要時(shí)制定風(fēng)險(xiǎn)預(yù)案。

（5）在產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)過程中應(yīng)編制相應(yīng)的質(zhì)量記錄，以備質(zhì)量問題的統(tǒng)計(jì)分析。

（6）在產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的過程中充分利用故障模式及影響分析。

（7）做好質(zhì)量問題解決的跟蹤工作，對質(zhì)量改進(jìn)的效果進(jìn)行驗(yàn)證，并要形成長效機(jī)制。

通過以上的措施，可以實(shí)現(xiàn)對潛油電機(jī)生產(chǎn)制造質(zhì)量的有效控制。

2 現(xiàn)場運(yùn)行環(huán)節(jié)的研究

2.1 適當(dāng)調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)行電壓

經(jīng)過電磁計(jì)算、溫升計(jì)算得出的電機(jī)銘牌數(shù)據(jù)為電機(jī)額定運(yùn)行方式下的數(shù)據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用中，由于負(fù)載和供電電壓的變化，電機(jī)工作在允許運(yùn)行方式下，電機(jī)的實(shí)際電壓與額定電壓偏差不超過10%。

電機(jī)輸出功率為:

其中:P2—電機(jī)輸出功率，kW；U1—電機(jī)端電壓，v；I1—定子繞組電流，A； cosφ—功率因數(shù)，η—電機(jī)效率。

P2主要由負(fù)載決定，I1為勵(lì)磁電流分量與定子側(cè)負(fù)載電流分量的矢量合成，勵(lì)磁電流隨所加端電壓的增加而增加，負(fù)載電流主要由實(shí)際產(chǎn)量決定。由于電機(jī)為阻感性負(fù)載，適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)運(yùn)行電壓，可以使cosφ提高。同時(shí),降低I1并維持P2基本不變。

由于油田現(xiàn)場存在“大馬拉小車”現(xiàn)象，部分電泵井的產(chǎn)液量低于機(jī)組的額定產(chǎn)量較多，電機(jī)實(shí)際工作點(diǎn)與額定工作點(diǎn)偏差較大。這種情況下往往功率因數(shù)cosφ較低（對于114系列電機(jī)，正常運(yùn)行時(shí)，值應(yīng)在0.78～0.85之間），電機(jī)定子繞組電流I1中的勵(lì)磁電流分量相對于負(fù)載電流分量過大。對于此種情況，適當(dāng)降低一些勵(lì)磁電流（降低了主磁通）也可以帶動負(fù)載。此時(shí)可適當(dāng)調(diào)整電泵機(jī)組變壓器檔位降低機(jī)端電壓（一般降低一檔，約50～90V），減少部分勵(lì)磁電流，可以使定子電流降低，同時(shí)產(chǎn)量基本不變。

電機(jī)定子銅耗為:

其中:Pcu1—定子銅耗，kW；r1—定子繞組電阻，Ω。

減少定子繞組電流可以減小電機(jī)的銅耗。同時(shí)由于勵(lì)磁電流的減小，電機(jī)主磁通減小，空載時(shí)定子齒磁通密度Bt10、軛磁通密度Bj10減小，則鐵心材料的單位體積損耗減小，電機(jī)的基本鐵耗也會降低。減小定子繞組銅耗和基本鐵耗可使電機(jī)發(fā)熱量降低，延長機(jī)組壽命，同時(shí)起到節(jié)能的作用。

另一種情況是在機(jī)組額定產(chǎn)量的情況下，電機(jī)的功率因數(shù)cosφ也較低，這主要是由于電網(wǎng)電壓波動較大，電纜壓降的影響等原因造成的。此時(shí)也可以適當(dāng)降低電機(jī)的運(yùn)行電壓，降低偏高的勵(lì)磁電流，從而定子電流也會降低，產(chǎn)量基本保持不變。

以2012年大慶油田采油二廠調(diào)整部分電泵井的運(yùn)行電壓、降低運(yùn)行電流的經(jīng)驗(yàn)為例。所選機(jī)組對地絕緣電阻均大于500MΩ，電泵井調(diào)整前后數(shù)據(jù)如表1所示。

從表1中數(shù)據(jù)可見，降壓調(diào)整前后，電機(jī)的定子電流平均下降3A，日耗電降低，功率因數(shù)提高。有2口井產(chǎn)量有所增加，1口井產(chǎn)量略有降低，考慮到現(xiàn)場量油的誤差，可以認(rèn)為產(chǎn)量基本維持不變。

表1 現(xiàn)場部分電泵井調(diào)整運(yùn)行電壓前后數(shù)據(jù)對比

通常情況下調(diào)整機(jī)組運(yùn)行電壓只需要多啟停一次，并非頻繁啟動，對機(jī)組基本不會造成很大的電氣沖擊和機(jī)械沖擊。對于井況較復(fù)雜，尤其是含砂量高的井，則需根據(jù)井況的特點(diǎn)，制定相應(yīng)的調(diào)整策略。

2.2 采取加速電機(jī)散熱的措施

如果油井產(chǎn)液量過低就會導(dǎo)致電機(jī)散熱條件變壞，電機(jī)內(nèi)部溫度急劇升高，造成絕緣耐擊穿強(qiáng)度降低,最終燒毀電機(jī)[5]。根據(jù)美國石油工程師學(xué)會(API)標(biāo)準(zhǔn)，潛油電泵在油井內(nèi)運(yùn)行時(shí)，流經(jīng)電機(jī)表面的液體流速必須大于或等于0.3048m/s。

井液流經(jīng)電機(jī)表面的流速計(jì)算公式如下:

其中:S—井液流經(jīng)電機(jī)表面的流速，m/s；Q—油井產(chǎn)量，m3/d；D—護(hù)罩內(nèi)徑，mm；d—電機(jī)外徑，mm。

潛油電泵的下泵深度必須考慮在這個(gè)深度有足夠的井液流經(jīng)電機(jī)表面，以便把電機(jī)散發(fā)出來的熱量帶走。

對于高溫油井，為加快電機(jī)的散熱，在套管內(nèi)徑允許的情況下，可以在電機(jī)外殼加一層導(dǎo)流罩，縮小電機(jī)外徑與套管之間的環(huán)形空間，增大井液流速。

對于產(chǎn)量在70m3/d以下的油井，可以采用小排量潛油電泵機(jī)組替代抽油機(jī)、螺桿泵等人工舉升設(shè)備。小排量潛油電泵機(jī)組在電機(jī)尾部加裝了散熱裝置，可加速電機(jī)內(nèi)部潤滑油的油路循環(huán)過程，將電機(jī)內(nèi)部熱量通過帶散熱片的散熱裝置殼體快速傳導(dǎo)到井液。

以上2種加速電機(jī)散熱的方式經(jīng)過在國內(nèi)外油田的多年潛油電泵運(yùn)行試驗(yàn)，證明效果良好，可有效降低電機(jī)溫升，提高電機(jī)運(yùn)行可靠性，并且安裝操作簡單，使用成本增加很少，值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

3 結(jié)論

研究總結(jié)了提高潛油電機(jī)質(zhì)量及運(yùn)行可靠性的一些方法。從設(shè)計(jì)的角度來講，需要合理的選取電磁參數(shù)的取值范圍，并可采用新型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；從制造環(huán)節(jié)來看，需要采取有效的質(zhì)量管控措施；而在機(jī)組現(xiàn)場運(yùn)行的過程中，可以采取適當(dāng)調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)行電壓以及加裝電機(jī)導(dǎo)流罩或電機(jī)尾部散熱裝置的方式來降低電機(jī)溫升，延長機(jī)組壽命。為進(jìn)一步研究提高電泵機(jī)組的整體質(zhì)量和運(yùn)行可靠性提供了有效的參考依據(jù)，具有一定的指導(dǎo)意義。

[1]梅思杰,邵永實(shí),劉軍,等.潛油電泵技術(shù)[M].北京:石油工業(yè)出版社，2004.

[2]劉成,孟大偉，徐永明，等.大功率潛油電機(jī)的設(shè)計(jì)及模擬試驗(yàn)樣機(jī)的制造[J].防爆電機(jī)，2008，43(2):8-11.

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[5]鄧輝.基于軟測量技術(shù)的潛油電機(jī)狀態(tài)檢測與故障診斷研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2008.