采油潛油電泵配電裝置的設計選擇

摘要：油田采油工程中，電潛泵是應用較多的采油設備之一，電潛泵配電裝置設計合理與否，對油井安全生產至關重要。本文通過對潛油電泵參數設計過程進行分析，結合配電設計要求，闡述潛油電泵配電設備電氣參數的計算原則，探討配電設計中經常遇到的一些實際問題。

關鍵詞：潛油電泵；配電裝置；變壓器；變頻器；參數；設計

1引言

在實際應用中，如何使油井的產能與潛油電泵機組相匹配是一項系統工程。潛油電泵機組選擇，要綜合考慮所舉升的液體性能、井底溫度等諸多因素，使得潛油電泵機組符合油井的實際情況，最大限度地發揮油井的潛能。同時，油井投產前的地質設計決定潛油電泵的設計與選型，油井的產液量、泵掛深度等因素決定了潛油電泵泵型的選擇，潛油電泵設備的額定功率、額定電壓等參數的設計會隨著油井參數而變化，配電設備設計選型應能滿足油井運行要求，合理設計配電裝置十分重要，否則會嚴重影響油井投產及安全運行，因此探討潛油電泵配電系統設計與選型特點，掌握潛油電泵設備參數的計算規律尤為重要。

2潛油電泵系統及配電系統組成

潛油電泵系統組成。潛油電泵主要有三個部分組成。一是井下機組部分：包括潛油泵、油氣分離器、保護器、潛油電機、潛油電纜；二是地面設備：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。

配電系統組成。配電系統是只潛油電泵系統中的地面設備，電潛泵配電系統組成有兩種方案：一種方案是：變壓器將供電系統電壓調整到井下潛油電泵機組所需電壓，通過控制柜、接線盒及動力電纜提供給井下機組，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電壓調整到380V，經低壓變頻柜調頻、再經升壓變壓器將電壓調整到井下機組所需電壓，經接線盒及動力電纜提供給井下機組，組成高低高配電方式，見圖2。

3 潛油電泵配電系統設備的設計選擇

潛油電泵配電設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，因此在設計選擇配電設備時，首先要確定潛油電泵所需功率和電壓。

3.1潛油電泵參數的計算

潛油電泵所需功率的確定。油井地質設計完成后，根據產能預測和總動壓頭(總揚程)計算結果，確定潛油電泵的排量和揚程等主要參數，選擇合適的泵型。當多級離心泵的排量、揚程確定之后，通常可由以下兩種方法計算泵的軸功率[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——離心泵額定揚程（m）；

ρL——井液密度（kg/m3）；

η——泵效（％），由生產廠家提供或從電泵特性曲線中查出。

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

Ｐ≥Ｎ＋△N（3）

式中：Ｐ——電機功率（kW）；

Ｎ——泵的軸功率（kW）；

△N——保護器、分離器消耗的功率（kW）。

選擇潛油電機的功率時，要考慮離心泵負荷特點，工況負荷波動較大（如反復啟停的間斷工作，出砂、結垢等造成的泵負荷波動較大等情況）或有上調頻率要求時，在確定潛油電機功率時應予以考慮。工況負荷波動較大時，如反復啟停、油井有出砂、結垢情況傾向時，可適當增大所選潛油電機功率，使機組具有更好的過載能力。

潛油電機選擇需要校核電機能否正常啟動[2]。電機電壓需要滿足以下公式：

Um-Uc×K≥ Um×50%（4）

式中：Ｕm——電機端電壓（工作電壓）（V）；

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

K——啟動電壓降系數，根據經驗通常取4。

尤其是當選擇的電機功率接近滿載時，為保證電機可靠啟動，必須滿足（4）式關系。

選擇潛油電機功率時，需從一次性投資和長期運行費用角度分析，適當選擇大功率電機，通常在負載率為0．75左右時電機效率最高，并且在負載率為0．5～1．0時其效率變化很小。因此選用潛油電機的最佳功率值為潛油電泵機組所需功率的120％～130％為宜[3]。

潛油電泵所需視在功率的計算。潛油電泵供電容量應能保證潛油電機在最大負荷下的順利啟動，并能使潛油電機在井下長期穩定運行。供電的容量可由下列公式計算：

S=■（U1+△U）I；（5）

式中：S——視在功率（kVA）；

U1——電機的額定電壓（kV）；

△U——電纜壓降損失（kA）；

I——電機的額定電流（A）。

3.2潛油電泵配電設備電氣參數的計算與確定

3.2.1普通潛油電泵機組地面設備參數的確定

變壓器的選擇。可按公式（5）計算結果選擇大于計算結果容量的變壓器，考慮到運行時的安全性，可根據經驗對計算結果乘以工況系數1.1～1.2。

工頻控制柜的選擇。根據電機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，滿足一般規格機組參數需求。

3.2.2采用中壓變頻器時潛油電泵機組地面設備參數的確定

中壓變頻器容量的選擇是按照電機的功率和電流來確定的。首先，計算出變頻器的最高工作電流。然后，根據計算出的電流對照所給出的變頻器參數選擇出變頻器的容量和規格。

可用下述公式進行計算[4]。

U2=U1·f2/f1 （6）

I2=I1·（U2+△U）/U（7）

I2 ≤0.91 I （8）

式中：U1——在額定頻率下電機的額定電壓，V；

U2——調到預定最高頻率時的電機工作電壓，V；

I1——在額定頻率下電機的額定電流，A；

I2——調到預定頻率f 時的變頻器工作電流，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——預定調整的最高頻率，Hz。

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

采用中壓變頻器時，如果變頻器前端沒有濾波器，應增大前端的變壓器容量。建議計算結果乘以工況系數1.2～1.3。

3.2.3采用低壓變頻器（高低高方案）時潛油電泵機組地面設備參數的確定

低壓變頻器容量的確定。采用高低高方案時，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——電機額定頻率下的額定功率，kW；

PML——電機額定頻率下的損耗，kW；

PCL——動力電纜額定頻率下的損耗，kW；

PTL——變壓器額定頻率下的損耗，kW；

ηM——電機效率；

△U——電纜壓降損失，V ；

I——電機額定電流，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）計算結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計上應能適應在降頻條件下可靠運行。同時，考慮到運行時的安全性，變頻柜后端的變壓器容量可根據公式（9）計算結果（或變頻器容量）乘以工況系數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，可根據公式（9）計算結果（或變頻器容量）乘以工況系數1.25～1.3選擇前端變壓器容量。

結論

采油潛油電泵配電裝置的設計選擇，首先應在油井地質設計完成后，完成潛油電泵參數設計，根據已知的潛油電泵工作電壓和泵功率，確定配電裝置的設計選擇。

潛油電泵配電裝置設計過程是在一定的理論基礎上，經過實踐檢驗產生出來，能夠為潛油電泵配電裝置設計選擇提供參考依據。實際設計中應注意本地區的油井地質及采油工況，合理設計潛油電泵地面設備，同時配電裝置的其它參數應滿足現行國家規范標準要求。

本文給出了潛油電泵地面設備參數選擇計算依據，供參考。

參考文獻

[1]羅英俊，萬仁傅.\"采油技術手冊\". 北京：石油工業出版社，2005.

[2]GB/T17386-1998\"潛油電泵裝置的規格及選用\"

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

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