潛油電泵啟動運行探析

王 立

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東湛江 524057）

0 引言

海上石油開采主要是在石油開采平臺進行作業，除少數自噴井以外，大部分都是使用潛油電泵進行作業。油田的產量多少和潛油電泵的運行時間直接相關，潛油電泵的每次修井作業都需要更換電纜、更換潛油電泵以及設備和人員等方面的花費少則300 多萬元，影響著油田的生產成本和效益。

潛油電泵電機位于油管的底部，在海平面下約1200 m，通過動力電纜連接到地面，由于地層下方溫度高，壓力高，電潛泵實際運行工況十分惡劣，現在潛油電泵平均使用壽命約3 a，針對不同電潛泵井的差異性合理的使用和維護采油設備，對于延長電潛泵的服役時間，降低修井成本收益明顯。潛油電泵服役時間的長短取決于前期設備、材料的選擇質量、安裝、施工質量以及運行過程中的精確維護，本部分內容主要針對潛油電泵在使用過程中存在的問題進行分析，以提高設備的使用壽命。

1 故障原因分析

（1）電氣故障。動力電纜擊穿、電機損壞。

（2）機械故障。電機和泵之間鎖緊裝置螺栓斷裂，造成電機脫開泵空轉以及泵卡死，無法運行。

經過統計，電纜絕緣擊穿、電機損壞等電氣故障占到故障總量的近80%，不管是設備材料質量、施工質量還是電源質量的隱性問題，最終大部分是以電氣故障的形式表現出來。因油井出砂以及其他原因造成電機啟動阻力增大，進而影響到電機的順利啟動，造成啟動時間延長，就會加速絕緣老化，縮短設備使用壽命。一旦造成啟動困難，合理的電氣運行參數設定就顯得很有必要。

2 工頻電泵井電氣參數確定

海上采油平臺潛油電泵系統通過動力電纜把交流電能輸送給潛油電機，然后把電能轉變成機械能帶動多級離心泵旋轉，使油井中井液舉升到地面，輸送到處理裝置進行處理。工頻井潛油電泵的400 V 電源經過動力變壓器升壓以后供電給井下潛油電機，潛油電泵系統得到啟動命令后，高壓接觸器吸合，電機全壓啟動。潛油電泵供電流程是低壓配電抽屜柜→動力變壓器→電潛泵控制柜→潛油電纜→電潛泵電機。潛油電泵電源參數的設定是根據油井溫度、負載電流和壓降要求確定潛油電纜的規格，然后確定變壓器輸出端電壓。示例如下：潛油電機額定功率43.875 kW，額定電壓945 V，額定電流39 A，電纜規格為AWG4#，泵掛深度1200 m，井溫66 ℃。通過查找電纜手冊，標準溫度下電纜壓降為17 V/305 m，1200 m 潛油電纜電纜壓降為1200×17/305=66.8 V。查表，66 ℃電阻溫度修正系數為1.176，電纜壓降為1.176×66.6=78.6 V，地面電壓為78.6+945=1023.6 V。此時電潛泵變壓器輸出端在50 Hz 工頻狀態運行時應該約為1023.6 V。

3 電機啟動過程分析

3.1 啟動轉矩

電機啟動是一個短暫的過程，電機啟動時，其電機端電壓應能保證被拖動機械要求的啟動轉矩，即啟動轉矩要大于阻轉矩，并應留有一定余量，以保證電機的順利啟動。相關公式如下。

式中 Ms——啟動轉矩，N·m

U1——定子相電壓，V

m1——相數

r1——定子相電阻，Ω

ωs——同步角速度，1/s

由該異步電機啟動轉矩公式可知，電機啟動轉矩的大小只與電機端電壓和電機固有特性有關，如果電源不發生變化，電機的啟動轉矩是固定不變的，且與電機端電壓平方成正比例變化。以上是工頻啟動時電機的啟動轉矩與相關參數的變化關系。

3.2 啟動電流

在異步電機啟動的過程中，啟動電流是一個不斷變化的量。電機在整個啟動過程中，只有電機轉速接近額定轉速時運行電流才會出現明顯的下降。電機的啟動時間和負載大小直接相關，隨著啟動負載的逐漸增大，所需時間也在逐漸延長，電纜和繞組上發熱更多。影響最直接的就是電機和電纜上的絕緣材料的壽命大幅度減少，潛油電泵過早損壞。

3.3 電機端電壓

電機啟動時造成的配電系統電壓降落暫不考慮，由于長距離動力電纜的存在，啟動過程中的壓降就無法忽略。在電機啟動的過程中，啟動電流按5 倍的額定電流計算，升壓變壓器在此過程中電壓降低可以忽略不計，電纜壓降就是原電壓降的5 倍，此時的啟動轉矩為[（1023.6-5×78.6）/945]2≈0.445 倍的額定電壓下的啟動轉矩。如果電潛泵是輕負荷啟動，對電潛泵的正常啟動不會造成明顯的影響，如果油井出砂出現卡泵的情況，需要較大啟動轉矩的情況下，此時的啟動轉矩就降低較多。

4 變頻電泵井

變頻調速是一種交流電機最理想的調速方法之一。現在隨著變頻控制技術越來越成熟和功能的越來越完善，變頻調速技術所帶來的便利性和經濟性也使油田現場使用變頻器控制的變頻井在逐年增多。變頻電泵井的供電流程是低壓配電抽屜柜→變頻控制柜→動力變壓器→潛油電纜→電潛泵電機。潛油電泵地面電壓的確定是以工頻電壓為基礎，與工頻電潛泵計算方法一樣。潛油電泵使用變頻器控制能夠根據現場實際情況通過改變變頻器的輸出頻率來相應地調整潛油電泵的產液量，對產量的控制也更容易操作。

變頻器在基頻以下變頻運行時，由定子繞組電動勢公式U1≈E1=4.44K1N1f1Φ，得到φ=KφU1/f1，為防止磁路過飽和，造成電機鐵損發熱增多，在輸出頻率降低的同時輸出電壓進行同步降低，使總磁通量保持基本一致。由于異步電機定子繞組電阻的影響，相關資料表明，電機運行過程中會存在大概30 V 的電壓降，頻率較高時影響輕微，在低頻時就會明顯影響電機的輸出轉矩。現在的變頻器都可以相應的輸出補償的功能設置，即在低頻時使變頻器輸出電壓做相應的抬升，以達到理想的轉矩輸出。

變頻器在具體的使用過程中，可以根據實際工況來合理設置電機控制項里面的壓頻比初始啟動升壓，以補償初始輸出電壓以增加啟動時的磁通量，不同的運行頻率，所需要的補償量也是不同的，提高初始升壓值能夠明顯的增強電機在低頻時的帶載能力。如果潛油電泵卡泵需要解卡時，電流達到變頻器輸出限幅時，頻率無法進一步上升，無法提供足夠的力矩，潛油電泵就無法成功啟動，此時就需要設置大小合適的初始電壓U0。

5 總結

通過以上分析可知，電機啟動時的端電壓是電機能否啟動成功的重要因素，電機端電壓偏低會造成啟動力矩不足，需要對電機電纜的壓降有一個相對準確的設定，以及啟動期間大電流對電機端電壓所造成的電壓降影響。使用變頻器啟動的潛油電泵，如果考慮低頻啟動的狀態，定子繞組造成的壓降就對啟動轉矩造成明顯的影響，合理的設置啟動升壓值，啟動時對電源的影響小，更能夠獲得較好的啟動性能。具體的使用還需要結合現場實際運行工況和啟動情況，進行參數的逐步調整。