海上電潛泵頻率優化策略研究與應用

程強 賈學志 茍磊磊

摘要：隨著變頻驅動的廣泛應用，通過優化頻率范圍達到最佳產液量的探索將會得到更多的重視。目前，變頻驅動主要分為兩種方式：一種是“低壓變頻器→升壓變壓器→井口接線箱→井下電潛泵”方式;另一種是“高壓變頻器→井口接線箱→井下電潛泵”方式。而本文討論的是對于第一種方式，如何通過最大頻率的優化，計算出低壓變頻器參數及升壓變壓器檔位，從而使變頻器和變壓器容量發揮最大效用。

關鍵詞：電潛泵;變頻器;變壓器容量;最大頻率優化

1 電潛泵變頻器和升壓變壓器驅動應用現狀

在電潛泵地面設備選型時，低壓變頻器和升壓變壓器額度容量與電潛泵所需容量的匹配設計非常關鍵，也得到了廣泛的重視。但是，由于某些現實條件的制約，地面驅動設備可能對于實際下入油井中的電潛泵來說容量偏小。特別是對于安裝空間、供電容量、防護等級等限制因素較多的海上平臺，或者設備資源匱乏、采辦周期長、地面設備更換困難的海外項目，這種情況更限制了油井產液潛力的發揮。另一方面，即便油井投產初期安裝的地面驅動設備與井下電潛泵容量很適合，但隨著生產后期可能出現的含水上升、產液需求增大、氣量減少、井下壓力衰減等因素的影響，使得修井檢泵時需要更大揚程或排量的電潛泵。因此，同樣也會導致地面驅動設備容量相對不足的問題。下面將討論遇到上述問題時，如何通過優化設置來挖掘地面驅動設備的剩余潛力，實現電潛泵轉速、排量和揚程的最大化和擴大頻率可調范圍。目前，常用的低壓變頻器和升壓變壓器的設置方法是，通過調節變頻器的壓頻比（V/F）和變壓器的變比（Ratio）來提供給井下電機足夠的電壓。對于井下電機需要的某一額定電壓，可以通過提高壓頻比并降低變比的方式，或者通過降低壓頻比并提高變比的方式來實現。實際生產應用中，如果地面設備容量不足時，導致地面設備容量浪費的直接原因有以下2種：

（1）如上述“例一”所示，壓頻比偏高（10V/Hz），相應的變比偏低（4.8）。而實際變頻器能輸出的電壓最高400V，導致變頻器在尚未達到50Hz（本例中僅在40Hz）時就已經達到電壓輸出上限400V，此設置在低于40Hz下能提供足夠的電壓給井下電機，但是變頻器只能運行到40Hz（400/10），而因電壓限制無法提頻到額定頻率50Hz。而變頻器電流還有較大提升空間（當前頻率下輸出電流<=額定電流35A*變比4.8=168A<變頻器額定輸出電流上限200A）。出現這種情況的主要原因有：計算時低估了最大頻率，導致壓頻比和變比設置不合理;或者電機負載率隨著井況變化而降低，運行在輕載狀態，導致原設定的最大頻率低于當前新井況實際能達到的最大頻率。

（2）如上述“例三”所示，壓頻比偏低（6V/Hz），相應的變比偏高。此種情況下變頻器在50Hz輸出電壓300V時，變壓器輸出電壓理論上能達到50Hz額定電壓2400V（300*8），并且可以繼續提頻到 66.7Hz，直到變頻器輸出電壓達到400V。但是由于變比偏大，變頻器能輸出的最大電流為200A，則井下電機的電流被限定在25A（200A/8），從而導致變頻器的頻率在未達到50Hz時的某一個頻率點就被電流限制住了。變頻器已經達到電流輸出上限（變頻器額定電流上限200A/8=25A<電機額定電流35A），此時，變頻器電流的限制使輸出電壓低于300V，更無法達到400V的變頻器額定輸出電壓上限。因此，變頻器在電壓方面尚有較大提升空間。出現這種情況的主要原因有：計算時高估了最大頻率;或者電機隨井況變為重載工作狀態。而相比之下，上述“例二”的設置則更為合理，更接近地面驅動設備利用率最大化，頻率調節范圍也更符合實際情況。如何準確快捷地找到這個最佳設定點是下文將解決的問題。

2 提高地面設備容量利用率的最大頻率優化

2.1 根據電機額定輸出功率和泵消耗功率的匹配關系計算最大頻率

如圖1所示，根據電機功率P和泵軸功率N（又稱“制動功率”）之間的匹配關系來計算最大頻率。由于電機功率與電機轉速（亦即頻率）呈正比例關系，而泵軸功率與泵的轉速（亦即頻率）呈指數關系 [2]。兩條曲線在a點處相交，此時：當頻率f=fa，有P=N，此時電機提供的額定功率能剛好滿足泵所需的軸功率，此時的頻率fa即為電機在不過載的情況下能拖動泵運轉到的最大頻率。一旦頻率f>fa，就有N>P，則說明電機功率已經低于泵軸功率，開始出現電

根據最大頻率公式可以算出最大頻率fa。但是這個最大頻率并不一定適用于現有的地面驅動設備。仍以第一部分的假設為例，根據壓頻比定義可知，V/F=400V/fa。當fa較大時壓頻比反而低，需要設置更高的檔位變比，容易出現“例三”的問題;而當fa較小時壓頻比反而高;需要設置較低的檔位變比，容易出現“例一”的問題。根據地面驅動設備的實際可用容量限制條件，修正最大頻率需要在初次參數設置計算時進行一次預測性修正，在生產過程中有必要調整時還可以進行再修正。主要是通過“經驗值估算法”和“軟件模擬估算法”來獲得修正參數。不論用哪種方法，都需要首先確定地面驅動設備的實際可用容量。由于變頻器和變壓器在選型時可能存在不匹配的問題，因此需要對實際額定容量進行計算和確定。對于變頻器額定輸出電壓和電流同時或部分不等于變壓器額定輸入電壓和電流的情況，應取電壓或電流中的較小值來計算容量。如果變頻器額定輸出電壓和電流分別等于變壓器額定輸入電壓和電流，兩者則具有相同的容量。

2.2 根據實際運行過程中出現的泵的消耗功率隨井況發生的變化，修正最大頻率對于井下井況發生變化，導致泵的消耗功率改變的情況，也可以使用上述的“經驗值估算法”和“軟件模擬估算法”來獲得修正參數。

3 結束語

隨著變頻器成本的下降和變頻調產的優越性逐步得到國內外各油田的認可和重視，油井“一對一”型變頻驅動方式正在得到廣泛的推廣和應用，有逐步取代工頻柜和“一變多控系統”的趨勢。針對電潛泵“一對一”低壓變頻器設置不合理而導致變頻器容量浪費，進而導致無法實現產量最大化的問題，進行探討和研究。給出了一個具有可操作性的優化方法，為電潛泵提供更合理的頻率調整范圍，進而優化電潛泵采油井的生產狀況。

參考文獻

[1] 董振剛，龐向東，劉軍，梅思杰 . 電動潛油泵變頻配套 設 計 方 法 Method for frequency-converting matching ofESP [J]，石油機械 2014 年，第 29 卷，第 12 期 .

[2] 董振剛，張銘鈞，張雄，龐向東 . 潛油電泵合理選配工藝研究 [J]，石油學報，2016 年，第 29 卷，第 1 期 .

（作者單位：海洋采油廠）