潜油电泵变频器低频解卡功能的分析及应用

苏 廷

(中海石油(中国)有限公司天津分公司 天津300459)

1 潜油电泵卡泵故障分析

1.1 卡泵原因分析

潜油电泵电机为三相鼠笼式异步电动机，带动多级离心泵旋转，将井下油水液体提升至地面流程，潜油电泵卡泵是影响电泵使用寿命和油井生产时效的主要原因之一。潜油电泵在正常运行时，发生卡泵的原因有以下几种：

①由于井液中含有泥砂，泥砂卡住泵轮导致电机过载停泵。

②在修井过程中，异物落入井筒中，在生产过程中被吸入泵内造成卡泵现象。

③对于井液比较粘稠的油井，当停井一段时间后，由于井温下降，泵的叶轮与导轮之间充满粘稠的液体介质，处于一种胶着状态，当启泵时易发生卡泵现象[1]。

④容易结垢或者结蜡的油井发生的卡泵现象。

1.2 卡泵故障判断

是否发生卡泵可以通过电流卡片进行判断。电流卡片可以直接反映电泵的运行状态。如图1 所示，在正常运行的情况下，电流记录仪显示的是一条光滑对称的曲线。当泵在含有杂质的井液中运行时，电流会发生突然的波动，过一段时间又恢复正常。电流波动的原因是由于井液中含有松散的泥砂或碎屑，或者叶导轮磨损造成轻微卡泵等，严重时会造成过载停机或卡泵。卡泵时反映在电流卡片上的电流逐渐升高或者突然升高，一旦达到过载电流整定值将导致机组过载停机。

图1 电泵在含有杂质的井液中和过载停泵时的电流曲线Fig.1 Current curve of electric pump in well fluids containing impurities and during overload stop

1.3 解卡方法

发生卡泵时，通常的做法是采取工艺解卡，即采取正挤的方式进行洗井，清除砂堵或者粘稠的井液，将泵腔清洗干净后进行试启泵。如启泵失败，则需要采用电气解卡，通常有以下方法。

①电机反转解卡：主要通过调整电泵两相电源使潜油电泵反向运转，尝试反转解卡。

②变频换工频解卡：将电泵电源由变频柜改接到工频柜，适当延长过载值，由工频柜多次冲击解卡。

③变频器低频解卡：此方法近几年在海上采油平台应用较多，主要是通过提高低频时电机转矩来实现解卡的功能。

④若以上方法都不可行，则需考虑修井检泵作业解卡。

2 低频解卡原理分析

现有的油井变频器通常采用恒压频比的控制方式进行频率调节。恒压频控制可保持最大转矩为恒值，是转速开环控制，无需速度传感器，其控制电路简单，负载可以是通用标准异步电动机，所以通用性强，经济性好，是目前通用变频器产品中使用较多的一种控制方式。

2.1 变频调速的基本原理

异步电动机的转速n 与定子供电频率之间有以下关系：

式中：n为电机的转速；n0为同步转速；f为供电频率；P为极对数；s为转差率。

由式(1)可以看出，当改变定子的供电频率时，就可以改变电机的转速，从而实现异步电机的速度调节，这是变频调速的基本原理。

2.2 恒压频比控制方式的原理

在进行电机调速时，需要考虑的一个问题是如何保持电机的带负载能力不变，即保持电机的电磁转矩不变。

式中：T为电机的电磁转矩；CM为常数；Φm为每极的磁通量；I2为转子电流；cosφ2为功率因数。

由式(2)可以看出，电动机在变频调速过程中，在转子电流为额定的条件下，磁通Φm保持不变，那么电动机的输出转矩也是恒定的，即变频调速前后，输出转矩不变，可实现恒转矩调速。

三相异步电动机定子每相绕组的感应电动势的有效值为：

式中：E1为定子每相绕组中感应电动势；f1为定子频率；N1为定子相绕组有效匝数；kw1为绕组系数；Φm为每极磁通量。

由式(3)可见，Φm的值是由E1和f1共同决定的，要保持Φm不变，在改变频率的同时，必须按比例改变感应电动势，使E1/f1为恒值，即E1/f1＝C，这就要求对感应电动势和频率进行协调控制。然而，由于感应电动势难以直接控制，保持E1/f1为恒值只是一种理想的控制方法。当忽略定子漏抗压降时，可以近似认为定子的相电压等于感应电动势。

用易于测量和控制的定子相电压U1取代电动势E1，保持U1与频率f1的比值为恒值就可以近似地维持Φm恒定，从而实现近似的恒磁通调速。这就是恒压频比控制或者U/f控制方式的原理，它是开环变频调速系统常用的控制方式[2]。

2.3 低频补偿

采用U1≈E1，使控制易于实现，但也带来误差。

图2 异步电动机的稳态等效电路图Fig.2 Stable equivalent circuit diagram of asynchronous motor

由异步电动机的稳态等效电路图2 可知，U1可分解为定子阻抗压降及感应电动势E1，即：

显然，被忽略掉的定子阻抗压降在U1中所占比例的大小决定了它的影响程度。

在低频时U1和E1都较小，定子阻抗压降所占的比重就比较显著而不能忽略。这时，需要人为地在低频段提高定子电压U1，以便近似地补偿定子压降，使最大电磁转矩有所增大，实质上是对异步电机电磁转矩进行补偿，增强电动机的带负载能力。一般变频器调压调频控制方式都有转矩补偿功能，其理论基础就在于此。

图3 恒压频比控制时变频调速的机械特性曲线Fig.3 Mechanical characteristic curve of variable frequency speed regulation in constant voltagefrequency ratio control

由图3 机械特性曲线可见，最大转矩Temax是随着f降低而减小。频率很低时，Temax太小将限制电机的带载能力，因此采用定子压降补偿，适当地提高电压U1，可提高电机的带载能力[3]。

在油田中采用的变频器低频解卡功能，利用的就是这个原理。

3 低频解卡应用实例

通过以下两个案例可以看出，油井变频器低频解卡是一种很好的解卡方式，尤其是现阶段普遍使用变频器而没有工频柜。低频解卡主要是利用低频时提高电压补偿，提升电机的转矩，从而解决不是很严重的卡泵问题。在遇到类似卡泵问题时可以参考使用。

3.1 贝克休斯低压变频器解卡

某油田C6H 井使用的是贝克休斯变频柜，计量产液量为210 m3/d，产油64 m3/d。因计量产液量下降明显，初步怀疑吸入口存在堵塞现象，手动停泵以解决堵塞问题，准备再次启泵时出现卡泵的现象。遇卡及处理过程如下：

①变频启泵时发生过载停机导致启泵失败，怀疑井下机组遇卡。进行大排量反洗，倒相序反转解卡失败。测量机组三相直阻平衡均为5.4 Ω，对地绝缘150 MΩ，电泵机组电气参数基本正常。

②进行大排量反洗、正洗、反转解卡都未成功，继续进行10 m3/h 排量正洗井。

③变频30 Hz 启泵依然不成功(频率上升至8 Hz就过载停泵)，尝试改变相序反转解卡仍不成功。

④尝试低频率解卡功能，对部分参数进行修改，使用10 Hz 启泵，成功后逐步提频至50 Hz。

3.2 华云变频器解卡

某油田A13 井正常生产产液量20 m3/d，产油3.5 m3/d 左右，该井为Y 型管柱，电泵有单流阀，遇卡及处理过程如下：

①故障停泵，变频柜掉电，检查并试运转变频柜正常，测量机组三相直阻平衡，对地绝缘正常，电泵电机电气参数正常。变频30 Hz 启泵，频率上升缓慢，电流居高不下(超过80 A)，初步判断电泵遇卡。

②大排量洗井，井口返出全部为水，变频30 Hz启泵依然不成功(现象还是遇卡)。

③再进行洗井倒相序反转，变频30 Hz 启泵不成功；随后继续进行反洗。

④采用低频10 Hz 方式启泵成功，运行稳定后提频至30 Hz 运转，后续平台根据返出及电流情况调整至正常运转频率。

4 两种变频器的参数设置方法

4.1 华云中压变频器HYVERT-MV参数设置

天津华云自控股份有限公司HYVERT-MV 系列变频器是针对油田潜油电泵而设计的中压变频调速装置。该变频装置采用V/F 特性曲线控制速度调节，并将V/F 特性曲线分为3 段，可以通过手动设置压频比以改变曲线特性。低频解卡时参数设置如表1所示，对应到电压频率曲线如下图4 所示。

表1 华云变频器10 Hz低频解卡参数设置表Tab.1 Parameter setting table of 10 Hz low frequency releasing of locked rotor using Huayun frequency converter

图4 电压补偿前后的V/F比曲线图Fig.4 V/F ratio curve before and after voltage compensation

图4 中，实线为基本的压频比曲线，点划线为修改后的曲线。由图4 可以看出，采用低频解卡时，其实就是提高了电压比率，提高相同频率下的电压值，也就是在低频时进行电压补偿，从而提高电机的转矩，起到潜油电泵解卡的作用。

4.2 贝克休斯低压变频器GCS参数设置

贝克休斯变频器是针对电潜泵设计的地面控制系统，很多功能都是专门针对电潜泵应用而设计的。它在正常情况下工作于带有输出滤波器的脉宽调制(FPWM)模式，而在输出滤波器出现问题的情况下也可以继续工作在六步方波模式，并可以实现两种模式的不停机切换。低频解卡时参数设置如表2。

表2 贝克休斯变频器10 Hz低频解卡参数设置表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，贝克休斯变频器的低频解卡功能，主要是提高了同步升压的值。该值用来控制在启动频率基准电压基础上的电压增量，此功能仅用于启动阶段，用来补偿启动时定子阻抗压降。该值在正常启动时应该设置为零，只有在启动困难的时候增加。由于卡泵启动时电流较大，相应地增加了电流及转矩的最大限值[4]。

4.3 变频器参数设置注意事项

①潜油电泵电机依靠液体流动进行冷却，为了保证电机得到冷却，最低频率不能设置得太低(我们采用的一般是10 Hz 进行解卡)，而且在低频时运转时间不能过长，以防止电机出现高温问题。

②由于提高了电压补偿，配套过载电流保护等也需要相应提高。

③机组解卡后，需将参数恢复为原来的值。

5 总 结

潜油电泵在运行过程中可能会出现卡泵故障，近几年在海上采油平台通过变频器低频启动提高转矩的方式进行解卡得到普遍应用。变频器低频解卡比使用工频柜解卡工作量小，特别是在新建平台没有配置工频柜的条件下更为实用。本文通过对电机机械特性曲线、变频器的参数设置以及低频解卡实践等进行研究，分析变频器低频解卡的原理以及注意事项，以期低频解卡功能得到推广应用，从而减少检泵次数，节省检泵费用，并提高海上平台的石油产量。