盧勇宗

（美鉆石油鉆采系統(tǒng)（上海）有限公司，上海200941）

0 引言

目前國內(nèi)的石油生產(chǎn)中由于油井的井口壓力比較低，以及油氣中水的含量占比越來越高，采用井底電潛泵抽油的方式越來越多，尤其是海上采油生產(chǎn)作業(yè)。根據(jù)估算，目前國內(nèi)電潛泵的裝機數(shù)量應不少于5萬臺，所以電潛泵的應用非常廣泛。電潛泵的安裝位置一般都選擇在井下1～3 km且要能承受井下高溫、高腐蝕的環(huán)境作用。

隨著電潛泵技術的不斷更新，為了減少長距離傳輸所帶來的線路損耗，通常使用高電壓線路傳輸，一般選擇電壓等級為660～5 000 V。合理選擇電壓等級、變壓器容量、海底電纜、電潛泵電機以及電潛泵調(diào)壓方式，可以提高油氣生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)效率，同時大量節(jié)省生產(chǎn)能耗，減少故障的發(fā)生。電潛泵的安裝環(huán)境特殊，如果出現(xiàn)故障或井口壓力降低，則需更換新的電機或更小排量的電潛泵，其維修難度非常大且維修費用非常高昂，因為每次維修都需要打開采油樹從油管中將電潛泵提出來，所以正確的設計方案可以減少故障率，降低維修成本，提高經(jīng)濟效益。當前電潛泵都是采用復雜的閉環(huán)控制模式，可根據(jù)井下油氣壓力、溫度等自動調(diào)整電網(wǎng)頻率，從而調(diào)整電潛泵的電機轉速，并實時監(jiān)控系統(tǒng)電壓、電流、功率等參數(shù)。

海上平臺工作用電都是由船用發(fā)電機發(fā)出的，受其電力容量小的限制，啟動方式的選擇就變得很重要，如果直接啟動對船電的影響將非常大，因為平臺控制的井口數(shù)量眾多，在同時運行的情況下本身負荷大，直接啟動時啟動電流大，會拉低電網(wǎng)電壓，影響其他設備正常運行，所以要盡量減小電潛泵的啟動對系統(tǒng)造成的沖擊以及產(chǎn)生的諧波影響。

1 系統(tǒng)介紹

南海某平臺擴建，新增加4套電潛泵及其配套設備，需采購4套相應的電力傳輸及控制系統(tǒng)，所提供設備需滿足海洋環(huán)境需求，設計壽命需滿20年，設置井號分別為X4、X5、X6、X9，電潛泵的電機電壓等級1 140 V/50 Hz，功率80 kW（三相異步交流電機）；供電電源電壓為船用機組電壓，電壓等級400 V/50 Hz，需具備短路、缺項、過壓、欠壓、過載保護、絕緣監(jiān)測等功能，電源線路長度按照水面距離平臺操作控制間100 m、水下300 m、井下2 000 m計算，其余按照國家相關標準根據(jù)已有設計經(jīng)驗給出最優(yōu)設計方案。

2 系統(tǒng)主要元件構成

根據(jù)國內(nèi)油氣生產(chǎn)電潛泵控制系統(tǒng)的設計經(jīng)驗以及本項目要求，結合最新應用技術，本項目選用變頻調(diào)壓的方式給電潛泵提供動力。過去舊的降壓啟動或者全壓啟動方式，由于長距離線路傳輸，啟動電流大，線路能耗大，同時對電網(wǎng)的沖擊也大，需要大容量的電網(wǎng)才能帶動起來，然而平臺船電的容量有限，所以變頻啟動是目前電潛泵最主要的供電方式，用戶在操作室可以實時監(jiān)測到井底層油氣的壓力、溫度以及腐蝕等狀況，可根據(jù)生產(chǎn)需要，通過調(diào)節(jié)變頻器頻率從而調(diào)節(jié)電潛泵的轉速，以調(diào)節(jié)采油井生產(chǎn)的產(chǎn)量，以最有利于能源節(jié)約及地質環(huán)境保護的方式進行生產(chǎn)。系統(tǒng)主要包含變頻器及與變頻器相配套的正弦交流濾波器、升壓變壓器、海纜、電潛泵、其他配套控制系統(tǒng)等部分，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)主要元件構成

3 系統(tǒng)選型計算及參數(shù)確定

3.1 海纜的選型計算

海纜要根據(jù)電力傳輸?shù)淖畲箅妷骸⒆畲箅娏饕约半娏魉偷膿p耗及經(jīng)濟性進行選擇。電機電壓1 140 V，功率80 kW，則：

根據(jù)以上公式求得Ie=47.7 A（取異步電機功率因數(shù)cos φ=0.85）。

根據(jù)額定電流，所選取電纜截面應至少大于10 mm2才能滿足導體載流要求。可選范圍內(nèi)海纜參數(shù)如表1所示。

線路壓降公式：

由電機參數(shù)可以得到Q=49.5 kVA，電纜總長2.4 km，計算10 mm2電纜R=5.46 Ω，L=0.6 Ω，代入上述公式得到ΔU10=833 V。

同理計算出16 mm2電纜壓降為ΔU16=471 V，25 mm2電纜壓降為ΔU25=278 V，35 mm2電纜壓降為ΔU35=184 V。由此可以看出，ΔU10和ΔU16壓降較大，而ΔU35電纜壓降不大，但價格卻高出很多，所以根據(jù)功率損耗選用經(jīng)濟效益最大的方案，選取6 kV、3×25 mm2電纜作為供電電纜符合這一要求。

表1 可選范圍內(nèi)海纜參數(shù)

系統(tǒng)主要部件連接示意圖如圖2所示。

圖2 主要部件連接示意圖

3.2 防爆接線盒的選擇

防爆接線盒的選型需要滿足輸送電壓等級要求，起始段電壓U1=U2+ΔU=1 140+278=1 418 V，選用額定電壓等級為2 000 V（大于1.2倍的額定電壓）的接線盒符合要求，同時為適用于海洋環(huán)境，材料選用316L，防爆等級為Ex"dIIBT4。

3.3 升壓變壓器選型計算

要選擇變壓器，首先要了解變壓器的幾個參數(shù)：

（1）變壓器變比。一次繞組端壓力為母線電壓400 V，二次繞組端電壓應大于1 418 V，變壓器電壓應大于線路電壓5%左右，所以本項目可選用400/1 500變比的變壓器。

（2）變壓器功率。根據(jù)選定的電力電纜參數(shù)，本項目可以計算出線路功率損耗：

將電纜參數(shù)代入得到Sloss=22.9 kVA，電機視在功率Sm=P/cos φ=94.1 kVA，由此得出變壓器的功率應不小于（22.9+94.1）/0.9=130 kVA，故選用變壓器容量為160 kVA。考慮到變壓器使用的工作環(huán)境為海洋環(huán)境，宜選用干式環(huán)氧樹脂澆注船用變壓器，防護等級IP23，強制風冷，帶有多個抽頭，可以有載調(diào)壓。

圖3 系統(tǒng)仿真圖

3.4 變頻器的選型計算

選擇使用變頻器控制電機的啟停，是目前最主要的電潛泵控制方案，其對電網(wǎng)的影響最小，既滿足電潛泵電機啟動轉矩要求，又可以起到實時產(chǎn)量調(diào)節(jié)作用，有效提高能源使用效率，達到節(jié)能減排的目的。變頻器出口電壓等級為400×（1±10%）V，視在功率＞130 kVA，計算得到額定電流Ie=130/（0.4×1.73）≈187.9 A，額定功率P=130×0.85=110.5 kW，根據(jù)施耐德變頻器選型手冊，可選擇ATV61HC13N4型變頻器，其額定功率Pe=132 kW，Ie=239 A，符合系統(tǒng)要求，其最大可持續(xù)工作電流110%Ie。變頻器的使用會帶來一個問題，即多次諧波帶來的高電壓。變頻器電子元件的高頻率開關作用，導致dU/dt的電壓突變以及大量諧波的產(chǎn)生。這些作用諧波容易對下游設備的電壓絕緣造成破壞，因此需要提高系統(tǒng)的絕緣要求。此外，其容易使電機端電壓升高、噪聲增大、發(fā)熱量增大甚至繞組燒毀。為了降低電壓諧波的作用，必須在變頻器的出口加裝電抗器或正弦交流濾波器。而電抗器不能使用在長距離線路中，所以正弦交流濾波器是合適的選擇，其工作電壓等級為400×（1±10%）V，工作電流I＞239 A，根據(jù)選型手冊，可選擇VW3A5208正弦交流濾波器，符合現(xiàn)場使用要求。以上為本項目設計方案主要元件的計算和選擇過程，以供同行研究討論。

4 仿真驗證

根據(jù)以上主要元件參數(shù)進行Simulink Power System仿真，仿真圖如圖3所示。

給定固定轉矩500 Nm，頻率16～50 Hz，調(diào)節(jié)得到示波器圖形如圖4、圖5、圖6所示。

5 結語

通過仿真可以看出，在轉矩不變的情況下，變頻器啟動頻率設定為16～50 Hz線性遞增，電機轉速由慢到快，最后達到工頻50 Hz的1 490 r/min，符合電機變頻啟動特征，電潛泵啟動力矩大于額定運行力矩，啟動電流在變頻過程中約為額定電流的2倍，不會因為電流過大對電網(wǎng)造成沖擊，完全符合用戶啟動控制要求。

圖4 定子電流圖

圖5 磁力矩圖

圖6 轉速圖