油氣生產(chǎn)中電潛泵供電控制方案研究

盧勇宗

（美鉆石油鉆采系統(tǒng)（上海）有限公司，上海200941）

0 引言

目前國(guó)內(nèi)的石油生產(chǎn)中由于油井的井口壓力比較低，以及油氣中水的含量占比越來(lái)越高，采用井底電潛泵抽油的方式越來(lái)越多，尤其是海上采油生產(chǎn)作業(yè)。根據(jù)估算，目前國(guó)內(nèi)電潛泵的裝機(jī)數(shù)量應(yīng)不少于5萬(wàn)臺(tái)，所以電潛泵的應(yīng)用非常廣泛。電潛泵的安裝位置一般都選擇在井下1～3 km且要能承受井下高溫、高腐蝕的環(huán)境作用。

隨著電潛泵技術(shù)的不斷更新，為了減少長(zhǎng)距離傳輸所帶來(lái)的線路損耗，通常使用高電壓線路傳輸，一般選擇電壓等級(jí)為660～5 000 V。合理選擇電壓等級(jí)、變壓器容量、海底電纜、電潛泵電機(jī)以及電潛泵調(diào)壓方式，可以提高油氣生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)效率，同時(shí)大量節(jié)省生產(chǎn)能耗，減少故障的發(fā)生。電潛泵的安裝環(huán)境特殊，如果出現(xiàn)故障或井口壓力降低，則需更換新的電機(jī)或更小排量的電潛泵，其維修難度非常大且維修費(fèi)用非常高昂，因?yàn)槊看尉S修都需要打開采油樹從油管中將電潛泵提出來(lái)，所以正確的設(shè)計(jì)方案可以減少故障率，降低維修成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)前電潛泵都是采用復(fù)雜的閉環(huán)控制模式，可根據(jù)井下油氣壓力、溫度等自動(dòng)調(diào)整電網(wǎng)頻率，從而調(diào)整電潛泵的電機(jī)轉(zhuǎn)速，并實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)電壓、電流、功率等參數(shù)。

海上平臺(tái)工作用電都是由船用發(fā)電機(jī)發(fā)出的，受其電力容量小的限制，啟動(dòng)方式的選擇就變得很重要，如果直接啟動(dòng)對(duì)船電的影響將非常大，因?yàn)槠脚_(tái)控制的井口數(shù)量眾多，在同時(shí)運(yùn)行的情況下本身負(fù)荷大，直接啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)電流大，會(huì)拉低電網(wǎng)電壓，影響其他設(shè)備正常運(yùn)行，所以要盡量減小電潛泵的啟動(dòng)對(duì)系統(tǒng)造成的沖擊以及產(chǎn)生的諧波影響。

1 系統(tǒng)介紹

南海某平臺(tái)擴(kuò)建，新增加4套電潛泵及其配套設(shè)備，需采購(gòu)4套相應(yīng)的電力傳輸及控制系統(tǒng)，所提供設(shè)備需滿足海洋環(huán)境需求，設(shè)計(jì)壽命需滿20年，設(shè)置井號(hào)分別為X4、X5、X6、X9，電潛泵的電機(jī)電壓等級(jí)1 140 V/50 Hz，功率80 kW（三相異步交流電機(jī)）；供電電源電壓為船用機(jī)組電壓，電壓等級(jí)400 V/50 Hz，需具備短路、缺項(xiàng)、過(guò)壓、欠壓、過(guò)載保護(hù)、絕緣監(jiān)測(cè)等功能，電源線路長(zhǎng)度按照水面距離平臺(tái)操作控制間100 m、水下300 m、井下2 000 m計(jì)算，其余按照國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)已有設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)給出最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

2 系統(tǒng)主要元件構(gòu)成

根據(jù)國(guó)內(nèi)油氣生產(chǎn)電潛泵控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及本項(xiàng)目要求，結(jié)合最新應(yīng)用技術(shù)，本項(xiàng)目選用變頻調(diào)壓的方式給電潛泵提供動(dòng)力。過(guò)去舊的降壓?jiǎn)?dòng)或者全壓?jiǎn)?dòng)方式，由于長(zhǎng)距離線路傳輸，啟動(dòng)電流大，線路能耗大，同時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊也大，需要大容量的電網(wǎng)才能帶動(dòng)起來(lái)，然而平臺(tái)船電的容量有限，所以變頻啟動(dòng)是目前電潛泵最主要的供電方式，用戶在操作室可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到井底層油氣的壓力、溫度以及腐蝕等狀況，可根據(jù)生產(chǎn)需要，通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器頻率從而調(diào)節(jié)電潛泵的轉(zhuǎn)速，以調(diào)節(jié)采油井生產(chǎn)的產(chǎn)量，以最有利于能源節(jié)約及地質(zhì)環(huán)境保護(hù)的方式進(jìn)行生產(chǎn)。系統(tǒng)主要包含變頻器及與變頻器相配套的正弦交流濾波器、升壓變壓器、海纜、電潛泵、其他配套控制系統(tǒng)等部分，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)主要元件構(gòu)成

3 系統(tǒng)選型計(jì)算及參數(shù)確定

3.1 海纜的選型計(jì)算

海纜要根據(jù)電力傳輸?shù)淖畲箅妷骸⒆畲箅娏饕约半娏魉偷膿p耗及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行選擇。電機(jī)電壓1 140 V，功率80 kW，則：

根據(jù)以上公式求得Ie=47.7 A（取異步電機(jī)功率因數(shù)cos φ=0.85）。

根據(jù)額定電流，所選取電纜截面應(yīng)至少大于10 mm2才能滿足導(dǎo)體載流要求?？蛇x范圍內(nèi)海纜參數(shù)如表1所示。

線路壓降公式：

由電機(jī)參數(shù)可以得到Q=49.5 kVA，電纜總長(zhǎng)2.4 km，計(jì)算10 mm2電纜R=5.46 Ω，L=0.6 Ω，代入上述公式得到ΔU10=833 V。

同理計(jì)算出16 mm2電纜壓降為ΔU16=471 V，25 mm2電纜壓降為ΔU25=278 V，35 mm2電纜壓降為ΔU35=184 V。由此可以看出，ΔU10和ΔU16壓降較大，而ΔU35電纜壓降不大，但價(jià)格卻高出很多，所以根據(jù)功率損耗選用經(jīng)濟(jì)效益最大的方案，選取6 kV、3×25 mm2電纜作為供電電纜符合這一要求。

表1 可選范圍內(nèi)海纜參數(shù)

系統(tǒng)主要部件連接示意圖如圖2所示。

圖2 主要部件連接示意圖

3.2 防爆接線盒的選擇

防爆接線盒的選型需要滿足輸送電壓等級(jí)要求，起始段電壓U1=U2+ΔU=1 140+278=1 418 V，選用額定電壓等級(jí)為2 000 V（大于1.2倍的額定電壓）的接線盒符合要求，同時(shí)為適用于海洋環(huán)境，材料選用316L，防爆等級(jí)為Ex"dIIBT4。

3.3 升壓變壓器選型計(jì)算

要選擇變壓器，首先要了解變壓器的幾個(gè)參數(shù)：

（1）變壓器變比。一次繞組端壓力為母線電壓400 V，二次繞組端電壓應(yīng)大于1 418 V，變壓器電壓應(yīng)大于線路電壓5%左右，所以本項(xiàng)目可選用400/1 500變比的變壓器。

（2）變壓器功率。根據(jù)選定的電力電纜參數(shù)，本項(xiàng)目可以計(jì)算出線路功率損耗：

將電纜參數(shù)代入得到Sloss=22.9 kVA，電機(jī)視在功率Sm=P/cos φ=94.1 kVA，由此得出變壓器的功率應(yīng)不小于（22.9+94.1）/0.9=130 kVA，故選用變壓器容量為160 kVA。考慮到變壓器使用的工作環(huán)境為海洋環(huán)境，宜選用干式環(huán)氧樹脂澆注船用變壓器，防護(hù)等級(jí)IP23，強(qiáng)制風(fēng)冷，帶有多個(gè)抽頭，可以有載調(diào)壓。

圖3 系統(tǒng)仿真圖

3.4 變頻器的選型計(jì)算

選擇使用變頻器控制電機(jī)的啟停，是目前最主要的電潛泵控制方案，其對(duì)電網(wǎng)的影響最小，既滿足電潛泵電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求，又可以起到實(shí)時(shí)產(chǎn)量調(diào)節(jié)作用，有效提高能源使用效率，達(dá)到節(jié)能減排的目的。變頻器出口電壓等級(jí)為400×（1±10%）V，視在功率＞130 kVA，計(jì)算得到額定電流Ie=130/（0.4×1.73）≈187.9 A，額定功率P=130×0.85=110.5 kW，根據(jù)施耐德變頻器選型手冊(cè)，可選擇ATV61HC13N4型變頻器，其額定功率Pe=132 kW，Ie=239 A，符合系統(tǒng)要求，其最大可持續(xù)工作電流110%Ie。變頻器的使用會(huì)帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題，即多次諧波帶來(lái)的高電壓。變頻器電子元件的高頻率開關(guān)作用，導(dǎo)致dU/dt的電壓突變以及大量諧波的產(chǎn)生。這些作用諧波容易對(duì)下游設(shè)備的電壓絕緣造成破壞，因此需要提高系統(tǒng)的絕緣要求。此外，其容易使電機(jī)端電壓升高、噪聲增大、發(fā)熱量增大甚至繞組燒毀。為了降低電壓諧波的作用，必須在變頻器的出口加裝電抗器或正弦交流濾波器。而電抗器不能使用在長(zhǎng)距離線路中，所以正弦交流濾波器是合適的選擇，其工作電壓等級(jí)為400×（1±10%）V，工作電流I＞239 A，根據(jù)選型手冊(cè)，可選擇VW3A5208正弦交流濾波器，符合現(xiàn)場(chǎng)使用要求。以上為本項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案主要元件的計(jì)算和選擇過(guò)程，以供同行研究討論。

4 仿真驗(yàn)證

根據(jù)以上主要元件參數(shù)進(jìn)行Simulink Power System仿真，仿真圖如圖3所示。

給定固定轉(zhuǎn)矩500 Nm，頻率16～50 Hz，調(diào)節(jié)得到示波器圖形如圖4、圖5、圖6所示。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)仿真可以看出，在轉(zhuǎn)矩不變的情況下，變頻器啟動(dòng)頻率設(shè)定為16～50 Hz線性遞增，電機(jī)轉(zhuǎn)速由慢到快，最后達(dá)到工頻50 Hz的1 490 r/min，符合電機(jī)變頻啟動(dòng)特征，電潛泵啟動(dòng)力矩大于額定運(yùn)行力矩，啟動(dòng)電流在變頻過(guò)程中約為額定電流的2倍，不會(huì)因?yàn)殡娏鬟^(guò)大對(duì)電網(wǎng)造成沖擊，完全符合用戶啟動(dòng)控制要求。

圖4 定子電流圖

圖5 磁力矩圖

圖6 轉(zhuǎn)速圖