油气生产中电潜泵供电控制方案研究

卢勇宗

（美钻石油钻采系统（上海）有限公司，上海200941）

0 引言

目前国内的石油生产中由于油井的井口压力比较低，以及油气中水的含量占比越来越高，采用井底电潜泵抽油的方式越来越多，尤其是海上采油生产作业。根据估算，目前国内电潜泵的装机数量应不少于5万台，所以电潜泵的应用非常广泛。电潜泵的安装位置一般都选择在井下1～3 km且要能承受井下高温、高腐蚀的环境作用。

随着电潜泵技术的不断更新，为了减少长距离传输所带来的线路损耗，通常使用高电压线路传输，一般选择电压等级为660～5 000 V。合理选择电压等级、变压器容量、海底电缆、电潜泵电机以及电潜泵调压方式，可以提高油气生产系统的生产效率，同时大量节省生产能耗，减少故障的发生。电潜泵的安装环境特殊，如果出现故障或井口压力降低，则需更换新的电机或更小排量的电潜泵，其维修难度非常大且维修费用非常高昂，因为每次维修都需要打开采油树从油管中将电潜泵提出来，所以正确的设计方案可以减少故障率，降低维修成本，提高经济效益。当前电潜泵都是采用复杂的闭环控制模式，可根据井下油气压力、温度等自动调整电网频率，从而调整电潜泵的电机转速，并实时监控系统电压、电流、功率等参数。

海上平台工作用电都是由船用发电机发出的，受其电力容量小的限制，启动方式的选择就变得很重要，如果直接启动对船电的影响将非常大，因为平台控制的井口数量众多，在同时运行的情况下本身负荷大，直接启动时启动电流大，会拉低电网电压，影响其他设备正常运行，所以要尽量减小电潜泵的启动对系统造成的冲击以及产生的谐波影响。

1 系统介绍

南海某平台扩建，新增加4套电潜泵及其配套设备，需采购4套相应的电力传输及控制系统，所提供设备需满足海洋环境需求，设计寿命需满20年，设置井号分别为X4、X5、X6、X9，电潜泵的电机电压等级1 140 V/50 Hz，功率80 kW（三相异步交流电机）；供电电源电压为船用机组电压，电压等级400 V/50 Hz，需具备短路、缺项、过压、欠压、过载保护、绝缘监测等功能，电源线路长度按照水面距离平台操作控制间100 m、水下300 m、井下2 000 m计算，其余按照国家相关标准根据已有设计经验给出最优设计方案。

2 系统主要元件构成

根据国内油气生产电潜泵控制系统的设计经验以及本项目要求，结合最新应用技术，本项目选用变频调压的方式给电潜泵提供动力。过去旧的降压启动或者全压启动方式，由于长距离线路传输，启动电流大，线路能耗大，同时对电网的冲击也大，需要大容量的电网才能带动起来，然而平台船电的容量有限，所以变频启动是目前电潜泵最主要的供电方式，用户在操作室可以实时监测到井底层油气的压力、温度以及腐蚀等状况，可根据生产需要，通过调节变频器频率从而调节电潜泵的转速，以调节采油井生产的产量，以最有利于能源节约及地质环境保护的方式进行生产。系统主要包含变频器及与变频器相配套的正弦交流滤波器、升压变压器、海缆、电潜泵、其他配套控制系统等部分，如图1所示。

图1 系统主要元件构成

3 系统选型计算及参数确定

3.1 海缆的选型计算

海缆要根据电力传输的最大电压、最大电流以及电力传送的损耗及经济性进行选择。电机电压1 140 V，功率80 kW，则：

根据以上公式求得Ie=47.7 A（取异步电机功率因数cos φ=0.85）。

根据额定电流，所选取电缆截面应至少大于10 mm2才能满足导体载流要求。可选范围内海缆参数如表1所示。

线路压降公式：

由电机参数可以得到Q=49.5 kVA，电缆总长2.4 km，计算10 mm2电缆R=5.46 Ω，L=0.6 Ω，代入上述公式得到ΔU10=833 V。

同理计算出16 mm2电缆压降为ΔU16=471 V，25 mm2电缆压降为ΔU25=278 V，35 mm2电缆压降为ΔU35=184 V。由此可以看出，ΔU10和ΔU16压降较大，而ΔU35电缆压降不大，但价格却高出很多，所以根据功率损耗选用经济效益最大的方案，选取6 kV、3×25 mm2电缆作为供电电缆符合这一要求。

表1 可选范围内海缆参数

系统主要部件连接示意图如图2所示。

图2 主要部件连接示意图

3.2 防爆接线盒的选择

防爆接线盒的选型需要满足输送电压等级要求，起始段电压U1=U2+ΔU=1 140+278=1 418 V，选用额定电压等级为2 000 V（大于1.2倍的额定电压）的接线盒符合要求，同时为适用于海洋环境，材料选用316L，防爆等级为Ex"dIIBT4。

3.3 升压变压器选型计算

要选择变压器，首先要了解变压器的几个参数：

（1）变压器变比。一次绕组端压力为母线电压400 V，二次绕组端电压应大于1 418 V，变压器电压应大于线路电压5%左右，所以本项目可选用400/1 500变比的变压器。

（2）变压器功率。根据选定的电力电缆参数，本项目可以计算出线路功率损耗：

将电缆参数代入得到Sloss=22.9 kVA，电机视在功率Sm=P/cos φ=94.1 kVA，由此得出变压器的功率应不小于（22.9+94.1）/0.9=130 kVA，故选用变压器容量为160 kVA。考虑到变压器使用的工作环境为海洋环境，宜选用干式环氧树脂浇注船用变压器，防护等级IP23，强制风冷，带有多个抽头，可以有载调压。

图3 系统仿真图

3.4 变频器的选型计算

选择使用变频器控制电机的启停，是目前最主要的电潜泵控制方案，其对电网的影响最小，既满足电潜泵电机启动转矩要求，又可以起到实时产量调节作用，有效提高能源使用效率，达到节能减排的目的。变频器出口电压等级为400×（1±10%）V，视在功率＞130 kVA，计算得到额定电流Ie=130/（0.4×1.73）≈187.9 A，额定功率P=130×0.85=110.5 kW，根据施耐德变频器选型手册，可选择ATV61HC13N4型变频器，其额定功率Pe=132 kW，Ie=239 A，符合系统要求，其最大可持续工作电流110%Ie。变频器的使用会带来一个问题，即多次谐波带来的高电压。变频器电子元件的高频率开关作用，导致dU/dt的电压突变以及大量谐波的产生。这些作用谐波容易对下游设备的电压绝缘造成破坏，因此需要提高系统的绝缘要求。此外，其容易使电机端电压升高、噪声增大、发热量增大甚至绕组烧毁。为了降低电压谐波的作用，必须在变频器的出口加装电抗器或正弦交流滤波器。而电抗器不能使用在长距离线路中，所以正弦交流滤波器是合适的选择，其工作电压等级为400×（1±10%）V，工作电流I＞239 A，根据选型手册，可选择VW3A5208正弦交流滤波器，符合现场使用要求。以上为本项目设计方案主要元件的计算和选择过程，以供同行研究讨论。

4 仿真验证

根据以上主要元件参数进行Simulink Power System仿真，仿真图如图3所示。

给定固定转矩500 Nm，频率16～50 Hz，调节得到示波器图形如图4、图5、图6所示。

5 结语

通过仿真可以看出，在转矩不变的情况下，变频器启动频率设定为16～50 Hz线性递增，电机转速由慢到快，最后达到工频50 Hz的1 490 r/min，符合电机变频启动特征，电潜泵启动力矩大于额定运行力矩，启动电流在变频过程中约为额定电流的2倍，不会因为电流过大对电网造成冲击，完全符合用户启动控制要求。

图4 定子电流图

图5 磁力矩图

图6 转速图