潜油电泵启动运行探析

王 立

（中海石油（中国）有限公司湛江分公司，广东湛江 524057）

0 引言

海上石油开采主要是在石油开采平台进行作业，除少数自喷井以外，大部分都是使用潜油电泵进行作业。油田的产量多少和潜油电泵的运行时间直接相关，潜油电泵的每次修井作业都需要更换电缆、更换潜油电泵以及设备和人员等方面的花费少则300 多万元，影响着油田的生产成本和效益。

潜油电泵电机位于油管的底部，在海平面下约1200 m，通过动力电缆连接到地面，由于地层下方温度高，压力高，电潜泵实际运行工况十分恶劣，现在潜油电泵平均使用寿命约3 a，针对不同电潜泵井的差异性合理的使用和维护采油设备，对于延长电潜泵的服役时间，降低修井成本收益明显。潜油电泵服役时间的长短取决于前期设备、材料的选择质量、安装、施工质量以及运行过程中的精确维护，本部分内容主要针对潜油电泵在使用过程中存在的问题进行分析，以提高设备的使用寿命。

1 故障原因分析

（1）电气故障。动力电缆击穿、电机损坏。

（2）机械故障。电机和泵之间锁紧装置螺栓断裂，造成电机脱开泵空转以及泵卡死，无法运行。

经过统计，电缆绝缘击穿、电机损坏等电气故障占到故障总量的近80%，不管是设备材料质量、施工质量还是电源质量的隐性问题，最终大部分是以电气故障的形式表现出来。因油井出砂以及其他原因造成电机启动阻力增大，进而影响到电机的顺利启动，造成启动时间延长，就会加速绝缘老化，缩短设备使用寿命。一旦造成启动困难，合理的电气运行参数设定就显得很有必要。

2 工频电泵井电气参数确定

海上采油平台潜油电泵系统通过动力电缆把交流电能输送给潜油电机，然后把电能转变成机械能带动多级离心泵旋转，使油井中井液举升到地面，输送到处理装置进行处理。工频井潜油电泵的400 V 电源经过动力变压器升压以后供电给井下潜油电机，潜油电泵系统得到启动命令后，高压接触器吸合，电机全压启动。潜油电泵供电流程是低压配电抽屉柜→动力变压器→电潜泵控制柜→潜油电缆→电潜泵电机。潜油电泵电源参数的设定是根据油井温度、负载电流和压降要求确定潜油电缆的规格，然后确定变压器输出端电压。示例如下：潜油电机额定功率43.875 kW，额定电压945 V，额定电流39 A，电缆规格为AWG4#，泵挂深度1200 m，井温66 ℃。通过查找电缆手册，标准温度下电缆压降为17 V/305 m，1200 m 潜油电缆电缆压降为1200×17/305=66.8 V。查表，66 ℃电阻温度修正系数为1.176，电缆压降为1.176×66.6=78.6 V，地面电压为78.6+945=1023.6 V。此时电潜泵变压器输出端在50 Hz 工频状态运行时应该约为1023.6 V。

3 电机启动过程分析

3.1 启动转矩

电机启动是一个短暂的过程，电机启动时，其电机端电压应能保证被拖动机械要求的启动转矩，即启动转矩要大于阻转矩，并应留有一定余量，以保证电机的顺利启动。相关公式如下。

式中 Ms——启动转矩，N·m

U1——定子相电压，V

m1——相数

r1——定子相电阻，Ω

ωs——同步角速度，1/s

由该异步电机启动转矩公式可知，电机启动转矩的大小只与电机端电压和电机固有特性有关，如果电源不发生变化，电机的启动转矩是固定不变的，且与电机端电压平方成正比例变化。以上是工频启动时电机的启动转矩与相关参数的变化关系。

3.2 启动电流

在异步电机启动的过程中，启动电流是一个不断变化的量。电机在整个启动过程中，只有电机转速接近额定转速时运行电流才会出现明显的下降。电机的启动时间和负载大小直接相关，随着启动负载的逐渐增大，所需时间也在逐渐延长，电缆和绕组上发热更多。影响最直接的就是电机和电缆上的绝缘材料的寿命大幅度减少，潜油电泵过早损坏。

3.3 电机端电压

电机启动时造成的配电系统电压降落暂不考虑，由于长距离动力电缆的存在，启动过程中的压降就无法忽略。在电机启动的过程中，启动电流按5 倍的额定电流计算，升压变压器在此过程中电压降低可以忽略不计，电缆压降就是原电压降的5 倍，此时的启动转矩为[（1023.6-5×78.6）/945]2≈0.445 倍的额定电压下的启动转矩。如果电潜泵是轻负荷启动，对电潜泵的正常启动不会造成明显的影响，如果油井出砂出现卡泵的情况，需要较大启动转矩的情况下，此时的启动转矩就降低较多。

4 变频电泵井

变频调速是一种交流电机最理想的调速方法之一。现在随着变频控制技术越来越成熟和功能的越来越完善，变频调速技术所带来的便利性和经济性也使油田现场使用变频器控制的变频井在逐年增多。变频电泵井的供电流程是低压配电抽屉柜→变频控制柜→动力变压器→潜油电缆→电潜泵电机。潜油电泵地面电压的确定是以工频电压为基础，与工频电潜泵计算方法一样。潜油电泵使用变频器控制能够根据现场实际情况通过改变变频器的输出频率来相应地调整潜油电泵的产液量，对产量的控制也更容易操作。

变频器在基频以下变频运行时，由定子绕组电动势公式U1≈E1=4.44K1N1f1Φ，得到φ=KφU1/f1，为防止磁路过饱和，造成电机铁损发热增多，在输出频率降低的同时输出电压进行同步降低，使总磁通量保持基本一致。由于异步电机定子绕组电阻的影响，相关资料表明，电机运行过程中会存在大概30 V 的电压降，频率较高时影响轻微，在低频时就会明显影响电机的输出转矩。现在的变频器都可以相应的输出补偿的功能设置，即在低频时使变频器输出电压做相应的抬升，以达到理想的转矩输出。

变频器在具体的使用过程中，可以根据实际工况来合理设置电机控制项里面的压频比初始启动升压，以补偿初始输出电压以增加启动时的磁通量，不同的运行频率，所需要的补偿量也是不同的，提高初始升压值能够明显的增强电机在低频时的带载能力。如果潜油电泵卡泵需要解卡时，电流达到变频器输出限幅时，频率无法进一步上升，无法提供足够的力矩，潜油电泵就无法成功启动，此时就需要设置大小合适的初始电压U0。

5 总结

通过以上分析可知，电机启动时的端电压是电机能否启动成功的重要因素，电机端电压偏低会造成启动力矩不足，需要对电机电缆的压降有一个相对准确的设定，以及启动期间大电流对电机端电压所造成的电压降影响。使用变频器启动的潜油电泵，如果考虑低频启动的状态，定子绕组造成的压降就对启动转矩造成明显的影响，合理的设置启动升压值，启动时对电源的影响小，更能够获得较好的启动性能。具体的使用还需要结合现场实际运行工况和启动情况，进行参数的逐步调整。