海上电潜泵频率优化策略研究与应用

程强 贾学志 苟磊磊

摘要：随着变频驱动的广泛应用，通过优化频率范围达到最佳产液量的探索将会得到更多的重视。目前，变频驱动主要分为两种方式：一种是“低压变频器→升压变压器→井口接线箱→井下电潜泵”方式;另一种是“高压变频器→井口接线箱→井下电潜泵”方式。而本文讨论的是对于第一种方式，如何通过最大频率的优化，计算出低压变频器参数及升压变压器档位，从而使变频器和变压器容量发挥最大效用。

关键词：电潜泵;变频器;变压器容量;最大频率优化

1 电潜泵变频器和升压变压器驱动应用现状

在电潜泵地面设备选型时，低压变频器和升压变压器额度容量与电潜泵所需容量的匹配设计非常关键，也得到了广泛的重视。但是，由于某些现实条件的制约，地面驱动设备可能对于实际下入油井中的电潜泵来说容量偏小。特别是对于安装空间、供电容量、防护等级等限制因素较多的海上平台，或者设备资源匮乏、采办周期长、地面设备更换困难的海外项目，这种情况更限制了油井产液潜力的发挥。另一方面，即便油井投产初期安装的地面驱动设备与井下电潜泵容量很适合，但随着生产后期可能出现的含水上升、产液需求增大、气量减少、井下压力衰减等因素的影响，使得修井检泵时需要更大扬程或排量的电潜泵。因此，同样也会导致地面驱动设备容量相对不足的问题。下面将讨论遇到上述问题时，如何通过优化设置来挖掘地面驱动设备的剩余潜力，实现电潜泵转速、排量和扬程的最大化和扩大频率可调范围。目前，常用的低压变频器和升压变压器的设置方法是，通过调节变频器的压频比（V/F）和变压器的变比（Ratio）来提供给井下电机足够的电压。对于井下电机需要的某一额定电压，可以通过提高压频比并降低变比的方式，或者通过降低压频比并提高变比的方式来实现。实际生产应用中，如果地面设备容量不足时，导致地面设备容量浪费的直接原因有以下2种：

（1）如上述“例一”所示，压频比偏高（10V/Hz），相应的变比偏低（4.8）。而实际变频器能输出的电压最高400V，导致变频器在尚未达到50Hz（本例中仅在40Hz）时就已经达到电压输出上限400V，此设置在低于40Hz下能提供足够的电压给井下电机，但是变频器只能运行到40Hz（400/10），而因电压限制无法提频到额定频率50Hz。而变频器电流还有较大提升空间（当前频率下输出电流<=额定电流35A*变比4.8=168A<变频器额定输出电流上限200A）。出现这种情况的主要原因有：计算时低估了最大频率，导致压频比和变比设置不合理;或者电机负载率随着井况变化而降低，运行在轻载状态，导致原设定的最大频率低于当前新井况实际能达到的最大频率。

（2）如上述“例三”所示，压频比偏低（6V/Hz），相应的变比偏高。此种情况下变频器在50Hz输出电压300V时，变压器输出电压理论上能达到50Hz额定电压2400V（300*8），并且可以继续提频到 66.7Hz，直到变频器输出电压达到400V。但是由于变比偏大，变频器能输出的最大电流为200A，则井下电机的电流被限定在25A（200A/8），从而导致变频器的频率在未达到50Hz时的某一个频率点就被电流限制住了。变频器已经达到电流输出上限（变频器额定电流上限200A/8=25A<电机额定电流35A），此时，变频器电流的限制使输出电压低于300V，更无法达到400V的变频器额定输出电压上限。因此，变频器在电压方面尚有较大提升空间。出现这种情况的主要原因有：计算时高估了最大频率;或者电机随井况变为重载工作状态。而相比之下，上述“例二”的设置则更为合理，更接近地面驱动设备利用率最大化，频率调节范围也更符合实际情况。如何准确快捷地找到这个最佳设定点是下文将解决的问题。

2 提高地面设备容量利用率的最大频率优化

2.1 根据电机额定输出功率和泵消耗功率的匹配关系计算最大频率

如图1所示，根据电机功率P和泵轴功率N（又称“制动功率”）之间的匹配关系来计算最大频率。由于电机功率与电机转速（亦即频率）呈正比例关系，而泵轴功率与泵的转速（亦即频率）呈指数关系 [2]。两条曲线在a点处相交，此时：当频率f=fa，有P=N，此时电机提供的额定功率能刚好满足泵所需的轴功率，此时的频率fa即为电机在不过载的情况下能拖动泵运转到的最大频率。一旦频率f>fa，就有N>P，则说明电机功率已经低于泵轴功率，开始出现电

根据最大频率公式可以算出最大频率fa。但是这个最大频率并不一定适用于现有的地面驱动设备。仍以第一部分的假设为例，根据压频比定义可知，V/F=400V/fa。当fa较大时压频比反而低，需要设置更高的档位变比，容易出现“例三”的问题;而当fa较小时压频比反而高;需要设置较低的档位变比，容易出现“例一”的问题。根据地面驱动设备的实际可用容量限制条件，修正最大频率需要在初次参数设置计算时进行一次预测性修正，在生产过程中有必要调整时还可以进行再修正。主要是通过“经验值估算法”和“软件模拟估算法”来获得修正参数。不论用哪种方法，都需要首先确定地面驱动设备的实际可用容量。由于变频器和变压器在选型时可能存在不匹配的问题，因此需要对实际额定容量进行计算和确定。对于变频器额定输出电压和电流同时或部分不等于变压器额定输入电压和电流的情况，应取电压或电流中的较小值来计算容量。如果变频器额定输出电压和电流分别等于变压器额定输入电压和电流，两者则具有相同的容量。

2.2 根据实际运行过程中出现的泵的消耗功率随井况发生的变化，修正最大频率对于井下井况发生变化，导致泵的消耗功率改变的情况，也可以使用上述的“经验值估算法”和“软件模拟估算法”来获得修正参数。

3 结束语

随着变频器成本的下降和变频调产的优越性逐步得到国内外各油田的认可和重视，油井“一对一”型变频驱动方式正在得到广泛的推广和应用，有逐步取代工频柜和“一变多控系统”的趋势。针对电潜泵“一对一”低压变频器设置不合理而导致变频器容量浪费，进而导致无法实现产量最大化的问题，进行探讨和研究。给出了一个具有可操作性的优化方法，为电潜泵提供更合理的频率调整范围，进而优化电潜泵采油井的生产状况。

参考文献

[1] 董振刚，庞向东，刘军，梅思杰 . 电动潜油泵变频配套 设 计 方 法 Method for frequency-converting matching ofESP [J]，石油機械 2014 年，第 29 卷，第 12 期 .

[2] 董振刚，张铭钧，张雄，庞向东 . 潜油电泵合理选配工艺研究 [J]，石油学报，2016 年，第 29 卷，第 1 期 .

（作者单位：海洋采油厂）