摘要：油田采油工程中，電潛泵是應(yīng)用較多的采油設(shè)備之一，電潛泵配電裝置設(shè)計(jì)合理與否，對(duì)油井安全生產(chǎn)至關(guān)重要。本文通過對(duì)潛油電泵參數(shù)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行分析，結(jié)合配電設(shè)計(jì)要求，闡述潛油電泵配電設(shè)備電氣參數(shù)的計(jì)算原則，探討配電設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到的一些實(shí)際問題。

關(guān)鍵詞：潛油電泵；配電裝置；變壓器；變頻器；參數(shù)；設(shè)計(jì)

1引言

在實(shí)際應(yīng)用中，如何使油井的產(chǎn)能與潛油電泵機(jī)組相匹配是一項(xiàng)系統(tǒng)工程。潛油電泵機(jī)組選擇，要綜合考慮所舉升的液體性能、井底溫度等諸多因素，使得潛油電泵機(jī)組符合油井的實(shí)際情況，最大限度地發(fā)揮油井的潛能。同時(shí)，油井投產(chǎn)前的地質(zhì)設(shè)計(jì)決定潛油電泵的設(shè)計(jì)與選型，油井的產(chǎn)液量、泵掛深度等因素決定了潛油電泵泵型的選擇，潛油電泵設(shè)備的額定功率、額定電壓等參數(shù)的設(shè)計(jì)會(huì)隨著油井參數(shù)而變化，配電設(shè)備設(shè)計(jì)選型應(yīng)能滿足油井運(yùn)行要求，合理設(shè)計(jì)配電裝置十分重要，否則會(huì)嚴(yán)重影響油井投產(chǎn)及安全運(yùn)行，因此探討潛油電泵配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與選型特點(diǎn)，掌握潛油電泵設(shè)備參數(shù)的計(jì)算規(guī)律尤為重要。

2潛油電泵系統(tǒng)及配電系統(tǒng)組成

潛油電泵系統(tǒng)組成。潛油電泵主要有三個(gè)部分組成。一是井下機(jī)組部分：包括潛油泵、油氣分離器、保護(hù)器、潛油電機(jī)、潛油電纜；二是地面設(shè)備：包括變壓器、控制柜（工頻或變頻控制柜）、接線盒等；三是其他輔助設(shè)備：包括扶正器、井下傳感器、單流閥，泄油閥、井口穿越器等。

配電系統(tǒng)組成。配電系統(tǒng)是只潛油電泵系統(tǒng)中的地面設(shè)備，電潛泵配電系統(tǒng)組成有兩種方案：一種方案是：變壓器將供電系統(tǒng)電壓調(diào)整到井下潛油電泵機(jī)組所需電壓，通過控制柜、接線盒及動(dòng)力電纜提供給井下機(jī)組，組成高高配電方式，見圖1。另一種方案是：通常先由降壓變壓器將供電系統(tǒng)電壓調(diào)整到380V，經(jīng)低壓變頻柜調(diào)頻、再經(jīng)升壓變壓器將電壓調(diào)整到井下機(jī)組所需電壓，經(jīng)接線盒及動(dòng)力電纜提供給井下機(jī)組，組成高低高配電方式，見圖2。

3 潛油電泵配電系統(tǒng)設(shè)備的設(shè)計(jì)選擇

潛油電泵配電設(shè)備容量和電壓是由潛油電泵所需視在功率及電壓來確定的，因此在設(shè)計(jì)選擇配電設(shè)備時(shí)，首先要確定潛油電泵所需功率和電壓。

3.1潛油電泵參數(shù)的計(jì)算

潛油電泵所需功率的確定。油井地質(zhì)設(shè)計(jì)完成后，根據(jù)產(chǎn)能預(yù)測(cè)和總動(dòng)壓頭(總揚(yáng)程)計(jì)算結(jié)果，確定潛油電泵的排量和揚(yáng)程等主要參數(shù)，選擇合適的泵型。當(dāng)多級(jí)離心泵的排量、揚(yáng)程確定之后，通常可由以下兩種方法計(jì)算泵的軸功率[1]。

N=QHρL/8800η （１）

式中：N——泵的軸功率（kW）；

Q——離心泵額定排量（m3/d）；

H——離心泵額定揚(yáng)程（m）；

ρL——井液密度（kg/m3）；

η——泵效（％），由生產(chǎn)廠家提供或從電泵特性曲線中查出。

潛油電機(jī)功率、額定電壓、額定電流等參數(shù)的確定。泵軸功率確定后，從廠家提供的產(chǎn)品系列中選擇合適功率的潛油電機(jī)，潛油電機(jī)功率通常應(yīng)滿足下述公式要求：

Ｐ≥Ｎ＋△N（3）

式中：Ｐ——電機(jī)功率（kW）；

Ｎ——泵的軸功率（kW）；

△N——保護(hù)器、分離器消耗的功率（kW）。

選擇潛油電機(jī)的功率時(shí)，要考慮離心泵負(fù)荷特點(diǎn)，工況負(fù)荷波動(dòng)較大（如反復(fù)啟停的間斷工作，出砂、結(jié)垢等造成的泵負(fù)荷波動(dòng)較大等情況）或有上調(diào)頻率要求時(shí)，在確定潛油電機(jī)功率時(shí)應(yīng)予以考慮。工況負(fù)荷波動(dòng)較大時(shí)，如反復(fù)啟停、油井有出砂、結(jié)垢情況傾向時(shí)，可適當(dāng)增大所選潛油電機(jī)功率，使機(jī)組具有更好的過載能力。

潛油電機(jī)選擇需要校核電機(jī)能否正常啟動(dòng)[2]。電機(jī)電壓需要滿足以下公式：

Um-Uc×K≥ Um×50%（4）

式中：Ｕm——電機(jī)端電壓（工作電壓）（V）；

Ｕc——電纜壓降（V），與電機(jī)電流、電纜型號(hào)、井溫有關(guān)（參見[2]第7頁）；

K——啟動(dòng)電壓降系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)通常取4。

尤其是當(dāng)選擇的電機(jī)功率接近滿載時(shí)，為保證電機(jī)可靠啟動(dòng)，必須滿足（4）式關(guān)系。

選擇潛油電機(jī)功率時(shí)，需從一次性投資和長期運(yùn)行費(fèi)用角度分析，適當(dāng)選擇大功率電機(jī)，通常在負(fù)載率為0．75左右時(shí)電機(jī)效率最高，并且在負(fù)載率為0．5～1．0時(shí)其效率變化很小。因此選用潛油電機(jī)的最佳功率值為潛油電泵機(jī)組所需功率的120％～130％為宜[3]。

潛油電泵所需視在功率的計(jì)算。潛油電泵供電容量應(yīng)能保證潛油電機(jī)在最大負(fù)荷下的順利啟動(dòng)，并能使?jié)撚碗姍C(jī)在井下長期穩(wěn)定運(yùn)行。供電的容量可由下列公式計(jì)算：

S=■（U1+△U）I；（5）

式中：S——視在功率（kVA）；

U1——電機(jī)的額定電壓（kV）；

△U——電纜壓降損失（kA）；

I——電機(jī)的額定電流（A）。

3.2潛油電泵配電設(shè)備電氣參數(shù)的計(jì)算與確定

3.2.1普通潛油電泵機(jī)組地面設(shè)備參數(shù)的確定

變壓器的選擇。可按公式（5）計(jì)算結(jié)果選擇大于計(jì)算結(jié)果容量的變壓器，考慮到運(yùn)行時(shí)的安全性，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)計(jì)算結(jié)果乘以工況系數(shù)1.1～1.2。

工頻控制柜的選擇。根據(jù)電機(jī)的額定電流和變壓器二次端電壓，選用電壓和電流合適的工頻控制柜，常用工頻控制柜電壓為3000 V ，電流為200 A，滿足一般規(guī)格機(jī)組參數(shù)需求。

3.2.2采用中壓變頻器時(shí)潛油電泵機(jī)組地面設(shè)備參數(shù)的確定

中壓變頻器容量的選擇是按照電機(jī)的功率和電流來確定的。首先，計(jì)算出變頻器的最高工作電流。然后，根據(jù)計(jì)算出的電流對(duì)照所給出的變頻器參數(shù)選擇出變頻器的容量和規(guī)格。

可用下述公式進(jìn)行計(jì)算[4]。

U2=U1·f2/f1 （6）

I2=I1·（U2+△U）/U（7）

I2 ≤0.91 I （8）

式中：U1——在額定頻率下電機(jī)的額定電壓，V；

U2——調(diào)到預(yù)定最高頻率時(shí)的電機(jī)工作電壓，V；

I1——在額定頻率下電機(jī)的額定電流，A；

I2——調(diào)到預(yù)定頻率f 時(shí)的變頻器工作電流，A；

I——變頻器額定電流，A；

U——升壓變壓器一次端電壓，V；

△U——電纜壓降損失，V；

f1——額定頻率，Hz；

f2——預(yù)定調(diào)整的最高頻率，Hz。

根據(jù)以上公式，在選擇變頻器時(shí)，其最高運(yùn)行電流不超過額定電流的91％。如果變頻器運(yùn)行環(huán)境溫度低于40℃，才可考慮高于91％ 接近變頻器額定電流運(yùn)行。但當(dāng)運(yùn)行電流低于額定電流的91％，變頻器在60s的時(shí)間內(nèi)，具有額定電流136％的過載能力。

采用中壓變頻器時(shí)，如果變頻器前端沒有濾波器，應(yīng)增大前端的變壓器容量。建議計(jì)算結(jié)果乘以工況系數(shù)1.2～1.3。

3.2.3采用低壓變頻器（高低高方案）時(shí)潛油電泵機(jī)組地面設(shè)備參數(shù)的確定

低壓變頻器容量的確定。采用高低高方案時(shí)，低壓變頻器容量可由下式確定：

P=PM+PML+PCL+PTL=PM/ηM+△U·■·I+■·U1·I·(1-ηT) （9）

式中：P——低壓變頻器所需功率，kW；

PM——電機(jī)額定頻率下的額定功率，kW；

PML——電機(jī)額定頻率下的損耗，kW；

PCL——?jiǎng)恿﹄娎|額定頻率下的損耗，kW；

PTL——變壓器額定頻率下的損耗，kW；

ηM——電機(jī)效率；

△U——電纜壓降損失，V ；

I——電機(jī)額定電流，A；

U1——在額定頻率下變壓器原邊的額定電壓，V；

ηT——變壓器效率；

可按公式（9）計(jì)算結(jié)果選擇合適容量的變頻器。

升壓變壓器容量的確定。變頻柜后端的升壓變壓器設(shè)計(jì)上應(yīng)能適應(yīng)在降頻條件下可靠運(yùn)行。同時(shí)，考慮到運(yùn)行時(shí)的安全性，變頻柜后端的變壓器容量可根據(jù)公式（9）計(jì)算結(jié)果（或變頻器容量）乘以工況系數(shù)1.4～1.5選擇。

變頻前端變壓器容量的確定。變頻前端變壓器容量的確定，可根據(jù)公式（9）計(jì)算結(jié)果（或變頻器容量）乘以工況系數(shù)1.25～1.3選擇前端變壓器容量。

結(jié)論

采油潛油電泵配電裝置的設(shè)計(jì)選擇，首先應(yīng)在油井地質(zhì)設(shè)計(jì)完成后，完成潛油電泵參數(shù)設(shè)計(jì)，根據(jù)已知的潛油電泵工作電壓和泵功率，確定配電裝置的設(shè)計(jì)選擇。

潛油電泵配電裝置設(shè)計(jì)過程是在一定的理論基礎(chǔ)上，經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)產(chǎn)生出來，能夠?yàn)闈撚碗姳门潆娧b置設(shè)計(jì)選擇提供參考依據(jù)。實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)注意本地區(qū)的油井地質(zhì)及采油工況，合理設(shè)計(jì)潛油電泵地面設(shè)備，同時(shí)配電裝置的其它參數(shù)應(yīng)滿足現(xiàn)行國家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求。

本文給出了潛油電泵地面設(shè)備參數(shù)選擇計(jì)算依據(jù)，供參考。

參考文獻(xiàn)

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[3]劉新巖，李瑞云，付明森.\"潛油電機(jī)功率選擇初探\".《石油礦場(chǎng)機(jī)械》，2007年36卷2期 69～72頁

[4]梅思杰，邵永實(shí)，劉軍，師士剛.\"潛油電泵技術(shù)\".北京：石油工業(yè)出版社，2004.