油氣生產中電潛泵供電控制方案研究

盧勇宗

（美鉆石油鉆采系統（上海）有限公司，上海200941）

0 引言

目前國內的石油生產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作業。根據估算，目前國內電潛泵的裝機數量應不少于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壓方式，可以提高油氣生產系統的生產效率，同時大量節省生產能耗，減少故障的發生。電潛泵的安裝環境特殊，如果出現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，提高經濟效益。當前電潛泵都是采用復雜的閉環控制模式，可根據井下油氣壓力、溫度等自動調整電網頻率，從而調整電潛泵的電機轉速，并實時監控系統電壓、電流、功率等參數。

海上平臺工作用電都是由船用發電機發出的，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造成的沖擊以及產生的諧波影響。

1 系統介紹

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，所提供設備需滿足海洋環境需求，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已有設計經驗給出最優設計方案。

2 系統主要元件構成

根據國內油氣生產電潛泵控制系統的設計經驗以及本項目要求，結合最新應用技術，本項目選用變頻調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，同時對電網的沖擊也大，需要大容量的電網才能帶動起來，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測到井底層油氣的壓力、溫度以及腐蝕等狀況，可根據生產需要，通過調節變頻器頻率從而調節電潛泵的轉速，以調節采油井生產的產量，以最有利于能源節約及地質環境保護的方式進行生產。系統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、其他配套控制系統等部分，如圖1所示。

圖1 系統主要元件構成

3 系統選型計算及參數確定

3.1 海纜的選型計算

海纜要根據電力傳輸的最大電壓、最大電流以及電力傳送的損耗及經濟性進行選擇。電機電壓1 140 V，功率80 kW，則：

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

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

線路壓降公式：

由電機參數可以得到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，所以根據功率損耗選用經濟效益最大的方案，選取6 kV、3×25 mm2電纜作為供電電纜符合這一要求。

表1 可選范圍內海纜參數

系統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：

（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。根據選定的電力電纜參數，本項目可以計算出線路功率損耗：

將電纜參數代入得到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境為海洋環境，宜選用干式環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，可以有載調壓。

圖3 系統仿真圖

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，又可以起到實時產量調節作用，有效提高能源使用效率，達到節能減排的目的。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，符合系統要求，其最大可持續工作電流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，因此需要提高系統的絕緣要求。此外，其容易使電機端電壓升高、噪聲增大、發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，根據選型手冊，可選擇VW3A5208正弦交流濾波器，符合現場使用要求。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

根據以上主要元件參數進行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，調節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