潛油電泵變頻器低頻解卡功能的分析及應(yīng)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(jī)為三相鼠籠式異步電動機(jī)，帶動多級離心泵旋轉(zhuǎn)，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(chǎn)時效的主要原因之一。潛油電泵在正常運(yùn)行時，發(fā)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(dǎo)致電機(jī)過載停泵。

②在修井過程中，異物落入井筒中，在生產(chǎn)過程中被吸入泵內(nèi)造成卡泵現(xiàn)象。

③對于井液比較粘稠的油井，當(dāng)停井一段時間后，由于井溫下降，泵的葉輪與導(dǎo)輪之間充滿粘稠的液體介質(zhì)，處于一種膠著狀態(tài)，當(dāng)啟泵時易發(fā)生卡泵現(xiàn)象[1]。

④容易結(jié)垢或者結(jié)蠟的油井發(fā)生的卡泵現(xiàn)象。

1.2 卡泵故障判斷

是否發(fā)生卡泵可以通過電流卡片進(jìn)行判斷。電流卡片可以直接反映電泵的運(yùn)行狀態(tài)。如圖1 所示，在正常運(yùn)行的情況下，電流記錄儀顯示的是一條光滑對稱的曲線。當(dāng)泵在含有雜質(zhì)的井液中運(yùn)行時，電流會發(fā)生突然的波動，過一段時間又恢復(fù)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(dǎo)輪磨損造成輕微卡泵等，嚴(yán)重時會造成過載停機(jī)或卡泵?？ū脮r反映在電流卡片上的電流逐漸升高或者突然升高，一旦達(dá)到過載電流整定值將導(dǎo)致機(jī)組過載停機(jī)。

圖1 電泵在含有雜質(zhì)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(fā)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(jìn)行洗井，清除砂堵或者粘稠的井液，將泵腔清洗干凈后進(jìn)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(jī)反轉(zhuǎn)解卡：主要通過調(diào)整電泵兩相電源使?jié)撚碗姳梅聪蜻\(yùn)轉(zhuǎn)，嘗試反轉(zhuǎn)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(dāng)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(yīng)用較多，主要是通過提高低頻時電機(jī)轉(zhuǎn)矩來實(shí)現(xiàn)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(yè)解卡。

2 低頻解卡原理分析

現(xiàn)有的油井變頻器通常采用恒壓頻比的控制方式進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)。恒壓頻控制可保持最大轉(zhuǎn)矩為恒值，是轉(zhuǎn)速開環(huán)控制，無需速度傳感器，其控制電路簡單，負(fù)載可以是通用標(biāo)準(zhǔn)異步電動機(jī)，所以通用性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)性好，是目前通用變頻器產(chǎn)品中使用較多的一種控制方式。

2.1 變頻調(diào)速的基本原理

異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n 與定子供電頻率之間有以下關(guān)系：

式中：n為電機(jī)的轉(zhuǎn)速；n0為同步轉(zhuǎn)速；f為供電頻率；P為極對數(shù)；s為轉(zhuǎn)差率。

由式(1)可以看出，當(dāng)改變定子的供電頻率時，就可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)的速度調(diào)節(jié)，這是變頻調(diào)速的基本原理。

2.2 恒壓頻比控制方式的原理

在進(jìn)行電機(jī)調(diào)速時，需要考慮的一個問題是如何保持電機(jī)的帶負(fù)載能力不變，即保持電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩不變。

式中：T為電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩；CM為常數(shù)；Φm為每極的磁通量；I2為轉(zhuǎn)子電流；cosφ2為功率因數(shù)。

由式(2)可以看出，電動機(jī)在變頻調(diào)速過程中，在轉(zhuǎn)子電流為額定的條件下，磁通Φm保持不變，那么電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩也是恒定的，即變頻調(diào)速前后，輸出轉(zhuǎn)矩不變，可實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。

三相異步電動機(jī)定子每相繞組的感應(yīng)電動勢的有效值為：

式中：E1為定子每相繞組中感應(yīng)電動勢；f1為定子頻率；N1為定子相繞組有效匝數(shù)；kw1為繞組系數(shù)；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(yīng)電動勢，使E1/f1為恒值，即E1/f1＝C，這就要求對感應(yīng)電動勢和頻率進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。然而，由于感應(yīng)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(dāng)忽略定子漏抗壓降時，可以近似認(rèn)為定子的相電壓等于感應(yīng)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(shí)現(xiàn)近似的恒磁通調(diào)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(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)常用的控制方式[2]。

2.3 低頻補(bǔ)償

采用U1≈E1，使控制易于實(shí)現(xiàn)，但也帶來誤差。

圖2 異步電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路圖Fig.2 Stable equivalent circuit diagram of asynchronous motor

由異步電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路圖2 可知，U1可分解為定子阻抗壓降及感應(yīng)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(bǔ)償定子壓降，使最大電磁轉(zhuǎn)矩有所增大，實(shí)質(zhì)上是對異步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行補(bǔ)償，增強(qiáng)電動機(jī)的帶負(fù)載能力。一般變頻器調(diào)壓調(diào)頻控制方式都有轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償功能，其理論基礎(chǔ)就在于此。

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

由圖3 機(jī)械特性曲線可見，最大轉(zhuǎn)矩Temax是隨著f降低而減小。頻率很低時，Temax太小將限制電機(jī)的帶載能力，因此采用定子壓降補(bǔ)償，適當(dāng)?shù)靥岣唠妷篣1，可提高電機(jī)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(yīng)用實(shí)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(xiàn)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(bǔ)償，提升電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，從而解決不是很嚴(yán)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(jì)量產(chǎn)液量為210 m3/d，產(chǎn)油64 m3/d。因計(jì)量產(chǎn)液量下降明顯，初步懷疑吸入口存在堵塞現(xiàn)象，手動停泵以解決堵塞問題，準(zhǔn)備再次啟泵時出現(xiàn)卡泵的現(xiàn)象。遇卡及處理過程如下：

①變頻啟泵時發(fā)生過載停機(jī)導(dǎo)致啟泵失敗，懷疑井下機(jī)組遇卡。進(jìn)行大排量反洗，倒相序反轉(zhuǎn)解卡失敗。測量機(jī)組三相直阻平衡均為5.4 Ω，對地絕緣150 MΩ，電泵機(jī)組電氣參數(shù)基本正常。

②進(jìn)行大排量反洗、正洗、反轉(zhuǎn)解卡都未成功，繼續(xù)進(jìn)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(zhuǎn)解卡仍不成功。

④嘗試低頻率解卡功能，對部分參數(shù)進(jìn)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(chǎn)產(chǎn)液量20 m3/d，產(chǎn)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(yùn)轉(zhuǎn)變頻柜正常，測量機(jī)組三相直阻平衡，對地絕緣正常，電泵電機(jī)電氣參數(shù)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(xiàn)象還是遇卡)。

③再進(jìn)行洗井倒相序反轉(zhuǎn)，變頻30 Hz 啟泵不成功；隨后繼續(xù)進(jìn)行反洗。

④采用低頻10 Hz 方式啟泵成功，運(yùn)行穩(wěn)定后提頻至30 Hz 運(yùn)轉(zhuǎn)，后續(xù)平臺根據(jù)返出及電流情況調(diào)整至正常運(yùn)轉(zhuǎn)頻率。

4 兩種變頻器的參數(shù)設(shè)置方法

4.1 華云中壓變頻器HYVERT-MV參數(shù)設(shè)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(shè)計(jì)的中壓變頻調(diào)速裝置。該變頻裝置采用V/F 特性曲線控制速度調(diào)節(jié)，并將V/F 特性曲線分為3 段，可以通過手動設(shè)置壓頻比以改變曲線特性。低頻解卡時參數(shù)設(shè)置如表1所示，對應(yīng)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(shù)設(shè)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(bǔ)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(shí)線為基本的壓頻比曲線，點(diǎn)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(shí)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(jìn)行電壓補(bǔ)償，從而提高電機(jī)的轉(zhuǎn)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(shù)設(shè)置

貝克休斯變頻器是針對電潛泵設(shè)計(jì)的地面控制系統(tǒng)，很多功能都是專門針對電潛泵應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它在正常情況下工作于帶有輸出濾波器的脈寬調(diào)制(FPWM)模式，而在輸出濾波器出現(xiàn)問題的情況下也可以繼續(xù)工作在六步方波模式，并可以實(shí)現(xiàn)兩種模式的不停機(jī)切換。低頻解卡時參數(shù)設(shè)置如表2。

表2 貝克休斯變頻器10 Hz低頻解卡參數(shù)設(shè)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(zhǔn)電壓基礎(chǔ)上的電壓增量，此功能僅用于啟動階段，用來補(bǔ)償啟動時定子阻抗壓降。該值在正常啟動時應(yīng)該設(shè)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(yīng)地增加了電流及轉(zhuǎn)矩的最大限值[4]。

4.3 變頻器參數(shù)設(shè)置注意事項(xiàng)

①潛油電泵電機(jī)依靠液體流動進(jìn)行冷卻，為了保證電機(jī)得到冷卻，最低頻率不能設(shè)置得太低(我們采用的一般是10 Hz 進(jìn)行解卡)，而且在低頻時運(yùn)轉(zhuǎn)時間不能過長，以防止電機(jī)出現(xiàn)高溫問題。

②由于提高了電壓補(bǔ)償，配套過載電流保護(hù)等也需要相應(yīng)提高。

③機(jī)組解卡后，需將參數(shù)恢復(fù)為原來的值。

5 總 結(jié)

潛油電泵在運(yùn)行過程中可能會出現(xiàn)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(zhuǎn)矩的方式進(jìn)行解卡得到普遍應(yīng)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(shí)用。本文通過對電機(jī)機(jī)械特性曲線、變頻器的參數(shù)設(shè)置以及低頻解卡實(shí)踐等進(jìn)行研究，分析變頻器低頻解卡的原理以及注意事項(xiàng)，以期低頻解卡功能得到推廣應(yīng)用，從而減少檢泵次數(shù)，節(jié)省檢泵費(fèi)用，并提高海上平臺的石油產(chǎn)量。