海上電潛泵頻率優(yōu)化策略研究與應(yīng)用

程強(qiáng) 賈學(xué)志 茍磊磊

摘要：隨著變頻驅(qū)動(dòng)的廣泛應(yīng)用，通過(guò)優(yōu)化頻率范圍達(dá)到最佳產(chǎn)液量的探索將會(huì)得到更多的重視。目前，變頻驅(qū)動(dòng)主要分為兩種方式：一種是“低壓變頻器→升壓變壓器→井口接線箱→井下電潛泵”方式;另一種是“高壓變頻器→井口接線箱→井下電潛泵”方式。而本文討論的是對(duì)于第一種方式，如何通過(guò)最大頻率的優(yōu)化，計(jì)算出低壓變頻器參數(shù)及升壓變壓器檔位，從而使變頻器和變壓器容量發(fā)揮最大效用。

關(guān)鍵詞：電潛泵;變頻器;變壓器容量;最大頻率優(yōu)化

1 電潛泵變頻器和升壓變壓器驅(qū)動(dòng)應(yīng)用現(xiàn)狀

在電潛泵地面設(shè)備選型時(shí)，低壓變頻器和升壓變壓器額度容量與電潛泵所需容量的匹配設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵，也得到了廣泛的重視。但是，由于某些現(xiàn)實(shí)條件的制約，地面驅(qū)動(dòng)設(shè)備可能對(duì)于實(shí)際下入油井中的電潛泵來(lái)說(shuō)容量偏小。特別是對(duì)于安裝空間、供電容量、防護(hù)等級(jí)等限制因素較多的海上平臺(tái)，或者設(shè)備資源匱乏、采辦周期長(zhǎng)、地面設(shè)備更換困難的海外項(xiàng)目，這種情況更限制了油井產(chǎn)液潛力的發(fā)揮。另一方面，即便油井投產(chǎn)初期安裝的地面驅(qū)動(dòng)設(shè)備與井下電潛泵容量很適合，但隨著生產(chǎn)后期可能出現(xiàn)的含水上升、產(chǎn)液需求增大、氣量減少、井下壓力衰減等因素的影響，使得修井檢泵時(shí)需要更大揚(yáng)程或排量的電潛泵。因此，同樣也會(huì)導(dǎo)致地面驅(qū)動(dòng)設(shè)備容量相對(duì)不足的問(wèn)題。下面將討論遇到上述問(wèn)題時(shí)，如何通過(guò)優(yōu)化設(shè)置來(lái)挖掘地面驅(qū)動(dòng)設(shè)備的剩余潛力，實(shí)現(xiàn)電潛泵轉(zhuǎn)速、排量和揚(yáng)程的最大化和擴(kuò)大頻率可調(diào)范圍。目前，常用的低壓變頻器和升壓變壓器的設(shè)置方法是，通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器的壓頻比（V/F）和變壓器的變比（Ratio）來(lái)提供給井下電機(jī)足夠的電壓。對(duì)于井下電機(jī)需要的某一額定電壓，可以通過(guò)提高壓頻比并降低變比的方式，或者通過(guò)降低壓頻比并提高變比的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，如果地面設(shè)備容量不足時(shí)，導(dǎo)致地面設(shè)備容量浪費(fèi)的直接原因有以下2種：

（1）如上述“例一”所示，壓頻比偏高（10V/Hz），相應(yīng)的變比偏低（4.8）。而實(shí)際變頻器能輸出的電壓最高400V，導(dǎo)致變頻器在尚未達(dá)到50Hz（本例中僅在40Hz）時(shí)就已經(jīng)達(dá)到電壓輸出上限400V，此設(shè)置在低于40Hz下能提供足夠的電壓給井下電機(jī)，但是變頻器只能運(yùn)行到40Hz（400/10），而因電壓限制無(wú)法提頻到額定頻率50Hz。而變頻器電流還有較大提升空間（當(dāng)前頻率下輸出電流<=額定電流35A*變比4.8=168A<變頻器額定輸出電流上限200A）。出現(xiàn)這種情況的主要原因有：計(jì)算時(shí)低估了最大頻率，導(dǎo)致壓頻比和變比設(shè)置不合理;或者電機(jī)負(fù)載率隨著井況變化而降低，運(yùn)行在輕載狀態(tài)，導(dǎo)致原設(shè)定的最大頻率低于當(dāng)前新井況實(shí)際能達(dá)到的最大頻率。

（2）如上述“例三”所示，壓頻比偏低（6V/Hz），相應(yīng)的變比偏高。此種情況下變頻器在50Hz輸出電壓300V時(shí)，變壓器輸出電壓理論上能達(dá)到50Hz額定電壓2400V（300*8），并且可以繼續(xù)提頻到 66.7Hz，直到變頻器輸出電壓達(dá)到400V。但是由于變比偏大，變頻器能輸出的最大電流為200A，則井下電機(jī)的電流被限定在25A（200A/8），從而導(dǎo)致變頻器的頻率在未達(dá)到50Hz時(shí)的某一個(gè)頻率點(diǎn)就被電流限制住了。變頻器已經(jīng)達(dá)到電流輸出上限（變頻器額定電流上限200A/8=25A<電機(jī)額定電流35A），此時(shí)，變頻器電流的限制使輸出電壓低于300V，更無(wú)法達(dá)到400V的變頻器額定輸出電壓上限。因此，變頻器在電壓方面尚有較大提升空間。出現(xiàn)這種情況的主要原因有：計(jì)算時(shí)高估了最大頻率;或者電機(jī)隨井況變?yōu)橹剌d工作狀態(tài)。而相比之下，上述“例二”的設(shè)置則更為合理，更接近地面驅(qū)動(dòng)設(shè)備利用率最大化，頻率調(diào)節(jié)范圍也更符合實(shí)際情況。如何準(zhǔn)確快捷地找到這個(gè)最佳設(shè)定點(diǎn)是下文將解決的問(wèn)題。

2 提高地面設(shè)備容量利用率的最大頻率優(yōu)化

2.1 根據(jù)電機(jī)額定輸出功率和泵消耗功率的匹配關(guān)系計(jì)算最大頻率

如圖1所示，根據(jù)電機(jī)功率P和泵軸功率N（又稱(chēng)“制動(dòng)功率”）之間的匹配關(guān)系來(lái)計(jì)算最大頻率。由于電機(jī)功率與電機(jī)轉(zhuǎn)速（亦即頻率）呈正比例關(guān)系，而泵軸功率與泵的轉(zhuǎn)速（亦即頻率）呈指數(shù)關(guān)系 [2]。兩條曲線在a點(diǎn)處相交，此時(shí)：當(dāng)頻率f=fa，有P=N，此時(shí)電機(jī)提供的額定功率能剛好滿足泵所需的軸功率，此時(shí)的頻率fa即為電機(jī)在不過(guò)載的情況下能拖動(dòng)泵運(yùn)轉(zhuǎn)到的最大頻率。一旦頻率f>fa，就有N>P，則說(shuō)明電機(jī)功率已經(jīng)低于泵軸功率，開(kāi)始出現(xiàn)電

根據(jù)最大頻率公式可以算出最大頻率fa。但是這個(gè)最大頻率并不一定適用于現(xiàn)有的地面驅(qū)動(dòng)設(shè)備。仍以第一部分的假設(shè)為例，根據(jù)壓頻比定義可知，V/F=400V/fa。當(dāng)fa較大時(shí)壓頻比反而低，需要設(shè)置更高的檔位變比，容易出現(xiàn)“例三”的問(wèn)題;而當(dāng)fa較小時(shí)壓頻比反而高;需要設(shè)置較低的檔位變比，容易出現(xiàn)“例一”的問(wèn)題。根據(jù)地面驅(qū)動(dòng)設(shè)備的實(shí)際可用容量限制條件，修正最大頻率需要在初次參數(shù)設(shè)置計(jì)算時(shí)進(jìn)行一次預(yù)測(cè)性修正，在生產(chǎn)過(guò)程中有必要調(diào)整時(shí)還可以進(jìn)行再修正。主要是通過(guò)“經(jīng)驗(yàn)值估算法”和“軟件模擬估算法”來(lái)獲得修正參數(shù)。不論用哪種方法，都需要首先確定地面驅(qū)動(dòng)設(shè)備的實(shí)際可用容量。由于變頻器和變壓器在選型時(shí)可能存在不匹配的問(wèn)題，因此需要對(duì)實(shí)際額定容量進(jìn)行計(jì)算和確定。對(duì)于變頻器額定輸出電壓和電流同時(shí)或部分不等于變壓器額定輸入電壓和電流的情況，應(yīng)取電壓或電流中的較小值來(lái)計(jì)算容量。如果變頻器額定輸出電壓和電流分別等于變壓器額定輸入電壓和電流，兩者則具有相同的容量。

2.2 根據(jù)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的泵的消耗功率隨井況發(fā)生的變化，修正最大頻率對(duì)于井下井況發(fā)生變化，導(dǎo)致泵的消耗功率改變的情況，也可以使用上述的“經(jīng)驗(yàn)值估算法”和“軟件模擬估算法”來(lái)獲得修正參數(shù)。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著變頻器成本的下降和變頻調(diào)產(chǎn)的優(yōu)越性逐步得到國(guó)內(nèi)外各油田的認(rèn)可和重視，油井“一對(duì)一”型變頻驅(qū)動(dòng)方式正在得到廣泛的推廣和應(yīng)用，有逐步取代工頻柜和“一變多控系統(tǒng)”的趨勢(shì)。針對(duì)電潛泵“一對(duì)一”低壓變頻器設(shè)置不合理而導(dǎo)致變頻器容量浪費(fèi)，進(jìn)而導(dǎo)致無(wú)法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量最大化的問(wèn)題，進(jìn)行探討和研究。給出了一個(gè)具有可操作性的優(yōu)化方法，為電潛泵提供更合理的頻率調(diào)整范圍，進(jìn)而優(yōu)化電潛泵采油井的生產(chǎn)狀況。

參考文獻(xiàn)

[1] 董振剛，龐向東，劉軍，梅思杰 . 電動(dòng)潛油泵變頻配套 設(shè) 計(jì) 方 法 Method for frequency-converting matching ofESP [J]，石油機(jī)械 2014 年，第 29 卷，第 12 期 .

[2] 董振剛，張銘鈞，張雄，龐向東 . 潛油電泵合理選配工藝研究 [J]，石油學(xué)報(bào)，2016 年，第 29 卷，第 1 期 .

（作者單位：海洋采油廠）