秦世利張俊斌暢元江李 勇張 寧

(1.中海石油(中國)有限公司深圳分公司; 2.中國石油大學(xué)(華東))

流花4-1油田水下電潛泵遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)研究及方案設(shè)計

秦世利1張俊斌1暢元江2李 勇1張 寧1

(1.中海石油(中國)有限公司深圳分公司; 2.中國石油大學(xué)(華東))

流花4-1油田是我國第1個基于深水開發(fā)模式采用水下生產(chǎn)設(shè)施開發(fā)的油田,其電潛泵驅(qū)動電機與變頻器之間的距離長達(dá)15.5 km,給電潛泵遠(yuǎn)程控制提出了挑戰(zhàn)。針對電潛泵遠(yuǎn)程控制帶來的風(fēng)險,開展了流花4-1油田水下電潛泵遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)研究和方案設(shè)計,最終選用PF7000型中壓變頻器控制系統(tǒng)成功解決了水下電潛泵長距離控制所面臨的電機側(cè)電壓值偏離、電壓變化率大、電機絕緣影響和輸出電流諧振影響大等技術(shù)難題,實現(xiàn)了8口井水下雙電潛泵一次性投運成功。遠(yuǎn)距離中壓變頻控制系統(tǒng)在流花4-1油田生產(chǎn)控制中的成功應(yīng)用在國內(nèi)尚屬首次,可為我國海上其他油田水下電潛泵遠(yuǎn)程控制提供借鑒。

流花4-1油田;水下電潛泵;遠(yuǎn)程控制;技術(shù)挑戰(zhàn);中壓變頻器

流花4-1油田水深約260～310 m,是中國海油第1個基于深水開發(fā)模式采用水下生產(chǎn)設(shè)施開發(fā)的油田[1]。該油田的開發(fā)首次在國內(nèi)將遠(yuǎn)距離中壓變頻控制系統(tǒng)應(yīng)用于水下油田的生產(chǎn)控制中,8口生產(chǎn)井的生產(chǎn)用電和控制系統(tǒng)分別通過電纜和臍帶纜依托相距14 km的流花11-1油田“南海挑戰(zhàn)號”實現(xiàn),其變頻器與電潛泵距離長達(dá)15.5 km,刷新了我國電潛泵遠(yuǎn)程控制距離的記錄。

流花4-1油田采用電液控制系統(tǒng)進行水下裝置的遙控操作,動力控制液、控制信號及控制用電是通過1條多通道組合臍帶纜從“南海挑戰(zhàn)號”連接到水下中心管匯附近,并經(jīng)水下臍帶纜終端分配器分配到各井口的水下控制模塊和管匯。該油田的開發(fā)是采用PF7000中壓變頻器完成對8口井電潛泵的遠(yuǎn)程控制,成功解決了電潛泵遠(yuǎn)程控制中電機側(cè)電壓值偏離、電壓變化率大、電機絕緣影響和輸出電流諧振影響大等多項技術(shù)難題,目前已成功投產(chǎn)。實踐證明,流花4-1油田電潛泵遠(yuǎn)程控制技術(shù)的成功實現(xiàn),降低了項目總投資,對于提高油井采收率、增產(chǎn)節(jié)能、降低運行和維修費用、保障電潛泵的正?？煽窟\行都具有重要意義。筆者通過對流花4-1油田電潛泵遠(yuǎn)程控制面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)分析,主要從遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)研究(包括PF7000型中壓變頻器適用性評估和基于MATLAB仿真的可行性驗證)、遠(yuǎn)程控制詳細(xì)設(shè)計等方面詳細(xì)論述了流花4-1深水油田電潛泵遠(yuǎn)程控制技術(shù)解決方案和突破點,旨在為我國海上類似油田開發(fā)電潛泵遠(yuǎn)距離控制提供參考。

1 電潛泵遠(yuǎn)程控制面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

電潛泵遠(yuǎn)程變頻器控制面臨著諸多技術(shù)挑戰(zhàn),包括可靠性要求高、反射波影響大、電壓變化率大、電流諧振危害大、共模電壓影響大和變頻控制系統(tǒng)要求高等。流花4-1油田電潛泵遠(yuǎn)程控制面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)具體表現(xiàn)為:

1)可靠性要求高。海上設(shè)備投入高,維修費用及事故損失巨大,并且一旦產(chǎn)生事故容易對環(huán)境產(chǎn)生較大危害。遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備,如中壓變頻器、電潛泵的高可靠性可以提高設(shè)備利用率與生產(chǎn)能力,對降低運營成本具有重要意義。

流花4-1油田電潛泵遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)位于14 km之外的流花11-1油田“南海挑戰(zhàn)號”上,受水下井口修井作業(yè)成本高的影響,對電潛泵可靠性和運轉(zhuǎn)壽命要求較高,其作業(yè)過程中的風(fēng)險相比常規(guī)電潛泵控制而言更加突出和嚴(yán)重,易造成故障頻繁而使運行和維修成本增加。

2)反射波影響大。反射波是由逆變器和電動機端阻抗與電纜線路阻抗不匹配而產(chǎn)生的,尤其是在長電纜傳輸時電動機側(cè)電壓與反射波疊加有時會導(dǎo)致電機側(cè)電壓值嚴(yán)重偏離。當(dāng)電動機直接啟動時,上電啟動沖擊電流大,分布電感使系統(tǒng)內(nèi)反壓過高,經(jīng)常造成系統(tǒng)多處絕緣損傷,進而導(dǎo)致電動機潛油電纜故障頻繁[2]。

3)電壓變化率大。電力元件的快速開關(guān)動作會使電壓變化率增大。電纜的寄生電容/電感/阻抗在長距離傳輸,特別是水下傳輸時非常大,電壓變化率過大易產(chǎn)生高次諧波,會對電潛泵電動機的絕緣性能和軸承壽命造成不利影響,容易導(dǎo)致電潛泵損壞等現(xiàn)象[3]。

4)電流諧振危害大。水下較長電纜的寄生電容/電感/阻抗可能會形成LCR回路,在某些工作點上形成共振。電網(wǎng)中存在大量諧波源,會產(chǎn)生大量高次諧波電流,增加輸入側(cè)的無功功率,降低變頻設(shè)備的功率因數(shù),影響電潛泵的輸出效率和壽命,并對電網(wǎng)中其他設(shè)備產(chǎn)生干擾危害[4]。

5)共模電壓影響大。整流器和逆變器的開關(guān)動作通常會產(chǎn)生共模電壓[5-6]。如果不對共模電壓加以抑制,將在潛油電機中性點與大地之間形成高電壓。而一般情況下,當(dāng)電機采用平衡的三相電網(wǎng)電壓供電時,其中性點對大地的電壓為零,電機的線路對地電壓等于線路對中點的電壓。如果存在共模電壓,電機線路對地電壓的峰值就會大幅增加,從而導(dǎo)致電機繞組之間的絕緣過早損壞,縮短電機壽命。同時,由于泵工況儀是接在中性點的,該電壓也會導(dǎo)致泵工況儀的損壞。

6)變頻控制系統(tǒng)要求高。流花4-1油田平臺上有許多檢測、數(shù)據(jù)采集等設(shè)備,要求變頻器的干擾盡可能小,而平臺的現(xiàn)場工況要求變頻器所占空間盡可能小、運行效率盡可能高,因此變頻器須降低長距離傳輸引起電壓降過大所導(dǎo)致的電潛泵無法啟動的風(fēng)險,并滿足電潛泵的諸多特殊要求。

2 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)研究

流花4-1油田水下電潛泵遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)總體要求為:高效率、低成本、小的外形尺寸、高可靠性、有效的故障保護、易于安裝、自檢測以及最少的停機檢修時間等。由于是用于電潛泵采油,控制系統(tǒng)不需要具有較高的動態(tài)性能、再生制動或四象限運行能力。

根據(jù)流花4-1油田開發(fā)工程方案,“南海挑戰(zhàn)號”FPS上的發(fā)電機輸出電壓為4.16 k V,因此采用中壓變頻器是首選方案,該方案可在不需要降壓變壓器和升壓變壓器的同時獲得較高的始端電壓,并可避免升壓變壓器對輸出諧波的放大作用。由于標(biāo)量控制的變頻器不能在低頻啟動時輸出高的電壓和扭矩,為了確保所有該油田水下電潛泵能夠正常啟動成功,確定變頻器的控制方式必須有矢量控制。

通過調(diào)研分析,認(rèn)為羅克韋爾Power Flex7000 (簡稱PF7000)型電流源變頻器在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、設(shè)備尺寸、可靠性等方面具有一定優(yōu)勢,并已在其他油田開發(fā)工程項目中得到成功應(yīng)用。流花4-1油田變頻器控制系統(tǒng)擬選用PF7000型中壓變頻器,故對其進行了適用性評估,并采用基于MATLAB/SIMULINK的系統(tǒng)仿真技術(shù)進行了分布式模型仿真可行性驗證。

2.1 PF7000型中壓變頻器適用性評估

1)PF7000型中壓變頻器是電流源型變頻器,集成了特定諧波消除技術(shù),dv/dt輸出非常小(＜10 V/ms),輸出波形近似為正弦波,不會產(chǎn)生反射波和造成電流震蕩,不會發(fā)生電機發(fā)熱和絕緣損傷,對輸出距離無限制,在長距離傳輸中對控制系統(tǒng)的要求相對較低,可以最大限度保證項目的成功。

2)PF7000型中壓變頻器采用脈寬調(diào)制整流技術(shù),再結(jié)合輸入側(cè)隔離變壓器并配合特定諧波消除技術(shù),可以解決輸入側(cè)諧波問題。

3)PF7000型中壓變頻器是真正意義上的“高-高”結(jié)構(gòu)的中壓變頻器,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單,故障點最少,功率器件可靠性高,且電壓和電流設(shè)計裕量高達(dá)3倍,平均無故障時間達(dá)10萬h,是所有中壓變頻器中可靠性最高的。

4)PF7000型中壓變頻器可以根據(jù)用戶需求進行定制硬件和控制界面,也可以根據(jù)需要增加針對電潛泵運行的一些特殊功能。另外,PF7000型中壓變頻器采用矢量控制,具有很高的啟動力矩,可以確保正常啟動電潛泵,也可以用來啟動砂卡泵(或垢卡泵)。

5)PF7000型中壓變頻器具有最小的外形尺寸(標(biāo)準(zhǔn)尺寸為2 800 mm×1 000 mm),且具有最高的系統(tǒng)效率(典型值為96.5%),可以滿足平臺空間及散熱要求。

2.2 基于MATLAB/SIMULINK仿真的可行性驗證

以流花4-1油田實際參數(shù)為基礎(chǔ),采用基于MATLAB/SIMULINK的系統(tǒng)仿真技術(shù)對擬選用的PF7000型中壓變頻器進行了分布式模型仿真可行性驗證,其仿真設(shè)定如下:

1)變頻器電網(wǎng)側(cè)電壓設(shè)定為額定電壓的1.3倍,以補償水下電纜和井下電纜的電壓降;

2)設(shè)定電潛泵的機械負(fù)荷與馬達(dá)轉(zhuǎn)速的平方成正比;

3)變頻器采用無傳感器直接磁場定向矢量控制方式,設(shè)定150%馬達(dá)額定電流作為啟動電流。

分別以電潛泵的額定轉(zhuǎn)速和半額定轉(zhuǎn)速進行仿真分析,其仿真模型電纜數(shù)據(jù)見表1,仿真結(jié)果分別見圖1、2。此外,針對原廠電潛泵控制系統(tǒng)進一步開展了電纜電壓降分析。經(jīng)仿真計算,變頻器輸出電壓5 205 V、輸出電流130.7 A,經(jīng)過海底電纜電壓降(1 206 V)和井下電纜電壓降(15 V)后能夠滿足電機額定電壓3 848 V、額定電流130.7 A需求。

表1 流花4-1油田水下電潛泵仿真模型電纜參數(shù)

圖1 流花4-1油田水下電潛泵額定轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果(3 487 r/min)

圖2 流花4-1油田水下電潛泵半額定轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果(1 744 r/min)

由擬選用PF7000型中壓變頻器仿真計算結(jié)果及電纜電壓降分析結(jié)果可以看出,該型號變頻器能夠完全滿足和支持流花4-1油田15.5 km長距離驅(qū)動。

3 遠(yuǎn)程控制方案設(shè)計

3.1 總體遠(yuǎn)程控制方案

流花4-1油田“南海挑戰(zhàn)號”油井平臺采用獨立的發(fā)電機供電,輸出額定電壓為三相4.16 k V/60 Hz。經(jīng)過詳細(xì)設(shè)計最終采用的系統(tǒng)總體線路結(jié)構(gòu)如圖3所示,變頻器采用的最終結(jié)構(gòu)如圖4所示。

從圖4可以看出,流花4-1油田變頻器采用了隔離變壓器調(diào)整變頻器輸入電壓,使其與電機電壓匹配;整流橋采用了18只對稱門極換向晶閘管,結(jié)構(gòu)非常簡單;變頻器采用共模電抗器平滑輸出電流,消除了共模電壓,免維護;逆變器部分采用18只對稱門極換向晶閘管,實現(xiàn)了與整流部分完全對稱的結(jié)構(gòu);濾波回路采用特定諧波消除技術(shù),保證了正弦波輸出。

圖3 流花4-1油田水下電潛泵遠(yuǎn)程控制總體路線結(jié)構(gòu)圖

圖4 流花4-1油田變頻器最終結(jié)構(gòu)圖

3.2 其他關(guān)鍵問題與解決方案

流花4-1油田水下電潛泵遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)實施過程中還遇到了一些其他技術(shù)問題,其解決方案如下:

1)A1H、A2H、A4H和A6H井的2臺電機功率不同,最終采取的解決方案是:調(diào)整共模電抗器,使其阻抗可以匹配不同的電機;隔離變壓器設(shè)計多組抽頭,保證不同壓降下輸出合適的電壓;調(diào)整變頻器參數(shù),使其可以滿足不同電機驅(qū)動。

2)泵工況儀地面扼流器和顯示器尺寸較大,為了優(yōu)化布置,通過增加單獨的控制柜來安裝這些輔助設(shè)備,導(dǎo)致原方案空間需求變化。解決方案是:重新核算現(xiàn)場安裝空間,調(diào)整設(shè)備布置,使其能夠滿足現(xiàn)場。2012年4月,8臺PF7000型中壓變頻器均安裝到流花4-1平臺。

3)與流花11-1油田變頻器相比,流花4-1油田變頻器沒有“最小轉(zhuǎn)速”模式。為實現(xiàn)該功能,必須切換到遠(yuǎn)程模式,通過可編程控制器給出模擬量信號來實現(xiàn)“最小轉(zhuǎn)速”功能,而這也給電源管理系統(tǒng)級變頻器本地操作帶來了一定的困難,即當(dāng)變頻器切換至本地模式時,電源管理系統(tǒng)“降速命令”無法送達(dá)。最終采取的解決方案是:通過給變頻器增加一塊卡,將電源管理系統(tǒng)“降速命令”的開關(guān)量連接到該卡的輸入端子上,并設(shè)定該端子相應(yīng)的功能即可實現(xiàn)切換至本地模式時“最小轉(zhuǎn)速”功能。

4)流花11-1變頻器可靈活設(shè)定潛在報警規(guī)則,不同頻率下潛在報警點將根據(jù)規(guī)則實時調(diào)整,以方便管理。流花4-1變頻器內(nèi)部只能設(shè)定一組欠載設(shè)定,自身提供的欠載保護不能很好地實現(xiàn)多種規(guī)則判定。最終采取的解決方案是:在上位采用可編程控制器編程,根據(jù)速度實時修改這一保護的閥值及延時,然后通過網(wǎng)絡(luò)通訊將該值賦給對應(yīng)的變頻器參數(shù)來實現(xiàn)。

4 結(jié)束語

通過調(diào)研和適應(yīng)性分析,最終選用PF7000型中壓變頻器,解決了流花4-1油田變頻器與電潛泵之間長達(dá)15.5 km的遠(yuǎn)程控制問題。結(jié)合流花4-1油田開發(fā)的實際數(shù)據(jù),采用基于MATLAB/SIMULINK的系統(tǒng)仿真技術(shù)建立了該油田長距離電潛泵遠(yuǎn)程控制的仿真模型,確定了電纜直徑,優(yōu)選了電潛泵運行參數(shù),成功完成了可行性驗證,并依據(jù)仿真結(jié)果確定了具體的實施方案。

從現(xiàn)場應(yīng)用情況來看,流花4-1油田8套電潛泵系統(tǒng)的各項運行指標(biāo)都達(dá)到了設(shè)計要求,目前各井的電潛泵系統(tǒng)運行狀況良好。遠(yuǎn)距離中壓變頻控制系統(tǒng)在流花4-1油田生產(chǎn)控制中的成功應(yīng)用在國內(nèi)尚屬首次,可為我國海上其他油田水下電潛泵遠(yuǎn)距離控制提供借鑒。

[1] 原慶東,馮麗梅,冒家友,等.流花4-1油田海纜鋪設(shè)安裝關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用[J].中國海上油氣,2014,26(2):88-90,99.

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Study and project design of electric submersible pump remote control system for LH4-1 oilfield

Qin Shili1Zhang Junbin1Chang Yuanjiang2Li Yong1Zhang Ning1
(1.Shenzhen Branch of CNOOC Ltd.,Guangdong,518067; 2.China University of Petroleum,Shandong,266580)

LH4-1 oilfield is the first one to be developed with subsea production facilities in deep water oil development pattern in China.The distance between the electric submersible pump drive motor and frequency transformer is up to 15.5 km in LH4-1 oilfield,and the long distance gives challenge for electric submersible pump remote control.In view of the risk brought by the remote control,the research and project design of the remote control system have been carried out for LH4-1 oilfield.Finally,POWERFLEX7000 control system has been selected to solve the technical problem of value deviation,voltage large change rate,the motor insulation effect and output current resonance effects.The results show that all 8 electric submersible pumps are successfully operated. The remote intermediate frequency transformer control system was applied for the first time in LH4-1 oilfield,and it can provide reference for application of electric submersible pump remote control in other offshore oilfields in our country.

LH4-1 oilfield;subsea electric submersible pump;remote control;technical challenges;intermediate frequency transformer

2013-11-21改回日期:2014-03-07

(編輯:孫豐成)

秦世利,男,2003年畢業(yè)于原西南石油學(xué)院石油工程專業(yè),現(xiàn)主要從事鉆井監(jiān)督工作。電話:0755-26022316。E-mail:qinshl@cnooc.com.cn。