流花41油田水下电潜泵远程控制系统研究及方案设计.pdf

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1、第 2 6卷第 3期 2 0 1 4年 6月 中国海上 油气 CHI NA OFFSHORE OI L AND GAS Vo 1 2 6 No 3 J u n 2 0 1 4 流花 4 - 1油田水下电潜泵远程控制系统研究及方案设计 秦世 利 张俊 斌 畅元江 李 勇 张 宁 ( 1 中海石油( 中国) 有限公司深圳分公司 ； 2 中国石油大学( 华东) ) 摘 要 流花 4 - 1油田是我国第 1个基于深水开发模 式采用水 下生产设施 开发 的油田， 其 电潜泵 驱动电机 与变频器之间的距离长达 1 5 5 k m， 给 电潜 泵远程控制提 出了挑 战。针对 电潜泵远程控 制带来的风险， 开

2、展 了流花 4 1油田水下电潜泵远程控制系统研 究和方案设计， 最终选用 P F 7 0 0 0 型 中压变频器控制系统成功解决 了水下电潜泵长距离控制所面临的电机侧 电压值偏 离、 电压变化 率大、 电机绝缘影响和输 出电流谐振影响大等技术难题， 实现 了8口井水下双 电潜泵一次性投运成 功。远距离中压变频控制系统在流花 4 - 1油田生产控制 中的成功应用在 国内尚属首次 ， 可为我 国 海上 其他 油 田水下 电潜 泵远 程控 制提供 借 鉴 。 关键 词 流花 4 - 1油 田； 水 下 电潜泵 ； 远 程控制 ； 技 术挑 战 ； 中压 变频器 流花 4 - 1油 田水深 约 2 6

3、 0 3 1 0 m， 是 中 国海 油 第 1个基于深水开发模式采用水下生产设施开发 的 油 田l 1 。该 油 田的开 发首 次在 国 内将 远距 离 中压 变 频控制系统应用于水下油 田的生产控制 中， 8口生 产井的生产用电和控制系统分别通过电缆和脐带缆 依托相距 1 4 k m的流花 1 1 - 1 油 田“ 南海挑战号” 实 现 ， 其变频器与电潜泵距离长达 1 5 5 k m， 刷新 了我 国 电潜泵 远程 控制 距离 的记 录 。 流花 4 1 油 田采用 电液 控 制系 统进 行水 下 装置 的遥控操作 ， 动力控制液、 控制信号及控制用电是通 过 1条多通道组合脐带缆从“

4、南海挑战号” 连接到水 下中心管汇附近 ， 并经水下脐带缆终端分配器分配 到各井 口的水下控制模块和管汇。该油 田的开发是 采用 P F 7 0 0 0中压变 频器 完成 对 8口井 电潜 泵 的远 程控制 ， 成功解决 了电潜泵远程控制 中电机侧电压 值 偏离 、 电 压变化 率 大 、 电机绝缘 影 响和 输 出电流谐 振 影 响大等 多项 技 术 难 题 ， 目前 已成 功投 产 。实践 证 明 ， 流花 4 1油 田 电潜 泵 远 程 控 制 技 术 的成 功 实 现 ， 降低了项 目总投资 ， 对于提高油井采收率 、 增产 节能 、 降低运行和维修费用、 保障电潜泵 的正常可靠 运行

5、都具有重要意义。笔者通过对流花 4 - 1 油 田电 潜泵远程控制面临 的技术挑战分析 ， 主要从远程控 制 系 统研究 ( 包 括 P F 7 0 0 0型 中压 变频 器适 用 性 评 估 和基于 MATL AB仿真的可行性验证) 、 远程控制 详细设计等方面详细论述了流花 4 - 1深水油 田电潜 泵 远程 控制 技术 解 决 方案 和突 破 点 ， 旨在 为 我 国海 上类似油田开发电潜泵远距离控制提供参考 。 1 电潜泵远程控制 面临的技术挑 战 电潜泵远程变频器控制面临着诸 多技术挑战 ， 包括可靠性要求高 、 反射波影响大 、 电压变化率大、 电流谐振危害大、 共模 电压影响大和

6、变频控制 系统 要求 高等 。流 花 4 - 1 油 田电潜泵 远 程 控制 面 临 的技 术挑 战具 体表 现为 ： 1 )可靠性要求高 。海上设备投 入高 ， 维修费用 及事故损失巨大， 并 且一旦产生事故容易对环境产 生较大危害。远程控制系统 中关 键设备 ， 如中压变 频器 、 电潜泵的高可靠性可以提高设备利用率与生 产能力 ， 对降低运营成本具有重要意义。 流花 4 - 1 油 田电潜 泵 远程 控 制 系 统位 于 1 4 k m 之外 的流花 1 1 - 1油 田“ 南 海挑 战号 ” 上 ， 受水 下 井 口 修井作业成本高的影 响， 对电潜泵可靠性和运转寿 命 要求 较高 ，

7、 其作 业 过 程 中的风 险相 比常 规 电潜 泵 控制而言更加突出和严重， 易造成故 障频繁而使运 行 和维 修成 本增 加 。 2 )反射波影 响大。反射波是 由逆变器和电动 机端阻抗与 电缆线路阻抗不 匹配而产生 的， 尤其是 在长电缆传输时电动机侧 电压与反射波叠加有时会 第一作者简介 ：秦世利 ， 男 ， 2 0 0 3年毕业 于原西南石油学 院石油工程专业 ， 现主要从事钻井监督 工作 。电话 ： 0 7 5 5 2 6 0 2 2 3 1 6 。E ma i l ： q i n s h l (2 r l o o c c o rn (2 171 。 第 2 6卷第 3期 秦世利等

8、 ： 流花 4 - 1 油 田水下 电潜泵远程控制 系统研究 及方 案设 计 1 0 3 导致电机侧 电压值严 重偏离。当电动机直接启动 时， 上电启动冲击 电流大 ， 分布电感使 系统 内反压过 高 ， 经常造成系统多处绝缘损伤， 进而导致 电动机潜 油 电缆故 障频 繁口 。 3 )电压变化率大。电力元件的快速开关动作会 使电压变化率增大。电缆的寄生电容 电感 阻抗在长 距离传输 ， 特别是水下传输时非常大， 电压变化率过大 易产生高次谐波， 会对电潜泵电动机的绝缘性能和轴 承寿命造成不利影响， 容易导致电潜泵损坏等现象 。 4 )电流 谐 振 危 害 大 。水 下 较 长 电缆 的 寄

9、生 电 容 电感 阻抗 可能会 形成 L C R 回路 ， 在 某些 工作 点 上形 成共 振 。电 网 中存 在 大量 谐 波 源 ， 会 产 生 大 量 高次谐波电流 ， 增加输入侧的无功功率 ， 降低变频设 备的功率因数 ， 影响电潜泵的输出效率和寿命 ， 并对 电网中其他设备产生干扰危害_ 4 。 5 )共模 电压 影 响 大 。整 流 器 和 逆 变 器 的 开 关 动作通常会产生共模电压l_ 5 。如果不对共模 电压 加以抑制 ， 将在潜油电机 中性点与大地之 间形成高 电压 。而一般情况下 ， 当电机采用平衡 的三相 电网 电压供电时 ， 其 中性点对大地的电压为零， 电机的线

10、路对地电压等于线路对中点的电压 。如果存在共模 电压 ， 电机线路对地 电压的峰值就会大幅增加 ， 从而 导致 电机绕组之间的绝缘过早损坏 ， 缩短电机寿命 。 同时， 由于泵工况仪是接在中性点的， 该电压也会导 致泵工况仪的损坏。 6 )变频控制 系统要求 高。流花 4 1油 田平 台 上有许多检测 、 数据采集等设备， 要求变频器的干扰 尽可能小， 而平台的现场工况要求变频器所 占空间 尽可能小、 运行效率尽可能高 ， 因此变频器须降低长 距离传输引起电压降过大所导致 的电潜泵无法启动 的风险， 并满足电潜泵的诸多特殊要求。 2 远 程控制 系统研究 流花 4 - 1 油 田水下 电潜泵远

11、程控制系统总体要 求为： 高效率、 低成本 、 小的外形尺寸、 高可靠性 、 有效 的故障保护、 易于安装、 自检测 以及最少的停机检修 时间等。由于是用于电潜泵采油， 控制系统不需要具 有较高的动态性能、 再生制动或四象限运行能力 。 根据流花 4 - 1油 田开发工程 方案 ， “ 南海 挑战 号” F P S上的发电机输 出电压为 4 1 6 k V， 因此采用 中压变频 器是 首选 方案 ， 该 方 案 可 在不 需 要 降压 变 压器和升压变压器 的同时获得 较高的始端电压， 并 可避免升压变压器对输出谐波的放大作用。由于标 量控制的变频器不能在低频启动时输出高的电压和 扭矩 ， 为

12、了确保所有该油 田水下 电潜泵能够正常启 动成 功 ， 确定变 频 器 的控 制方 式必 须有 矢量 控制 。 通过 调研 分 析 ， 认 为 罗 克 韦 尔 P o we r F l e x 7 0 0 0 ( 简称 P F 7 0 0 0 ) 型电流源变频器在拓扑结构、 设备尺 寸、 可靠性等方面具有一定优势， 并 已在其他油 田开 发工程项 目中得 到 成功 应 用 。流花 4 - 1油 田变频 器 控制系统拟选用 P F 7 0 0 0型中压变频器， 故对其进行 了适 用 性 评 估 ， 并 采 用 基 于 MA T L A B S I MUL I NK 的系统仿真技术进行了分布式模型

13、仿真可行性验证。 2 1 P F 7 0 0 0型 中压 变频 器适 用性 评估 1 )P F 7 0 0 0型 中压 变 频 器 是 电 流 源 型 变 频 器 ， 集成了特定谐波消除技术 ， d v d t 输出非常小 ( 1 0 V ms ) ， 输出波形近似为正弦波 ， 不会产生反射波和 造成 电流震荡， 不会发生电机发热和绝缘损伤 ， 对输 出距离无 限制， 在长距离传输 中对控制系统 的要求 相对较低 ， 可以最大限度保证项 目的成功 。 2 )P F 7 0 0 0型中压变频器采用脉宽调制整流技 术 ， 再结合输入侧隔离变压器并配合特定谐 波消除 技术 ， 可以解决输入侧谐波问题

14、 。 3 )P F 7 0 0 0型 中压 变 频 器是 真 正 意 义上 的“ 高一 高” 结构的中压变频器 ， 拓扑结构简单 ， 故障点最少， 功率器件可靠性高， 且电压和电流设计裕量高达3倍， 平均无故障时间达 1 0万 h ， 是所有 中压变频器中可 靠性最高的。 4 )P F 7 0 0 0型 中压变频器可以根据用户需求进 行定制硬件和控制界面， 也可以根据需要增加针对电 潜泵运行 的一 些 特 殊 功 能 。另 外 ， P F 7 0 0 0型 中压 变 频器采用矢量控制， 具有很高的启动力矩， 可以确保正 常启动电潜泵， 也可以用来启动砂卡泵( 或垢卡泵) 。 5 )P F 7

15、0 0 0型 中压 变频器 具 有最 小 的外 形 尺 寸 ( 标准尺寸为 2 8 0 0 mm1 0 0 0 mm) ， 且具有最高的 系统效率( 典型值为 9 6 5 ) ， 可 以满足平 台空间及 散热要 求 。 2 2 基于 MA T L A B S I MU L I N K仿真 的可 行性验证 以流 花 4 1油 田实 际参 数 为基 础， 采用 基 于 MATL AB S I MUL I N K 的系统仿真技 术对拟选用 的 P F 7 0 0 0型中压变频器进行 了分布式模型仿真可 行 性验 证 ， 其 仿真 设定 如下 ： 1 )变频 器电网侧 电压设定 为额定 电压 的 1

16、3倍 ， 以补偿水下电缆和井下电缆的电压降； 中 国 海 上 油 气 2 0 1 4年 4 )流花 1 1 - 1变频器可 灵活设 定潜在 报警规 则， 不同频率下潜在报警点将根据规则实时调整 ， 以 方便管理 。流花 4 - 1 变频器内部只能设定一组欠载 设定 ， 自身提供的欠载保护不能很好地实现多种规 则 判定 。最 终采 取 的解 决 方 案 是 ： 在 上 位 采 用 可 编 程控制器编程 ， 根据速度实时修改这一保护的阀值 及延时， 然后通过 网络通讯将 该值赋给对应的变频 器参数来实现。 4 结束语 通 过调研 和 适 应 性 分 析 ， 最 终 选 用 P F 7 0 0 0型 中压变频器， 解决 了流花 4 - 1油 田变频器与电潜泵 之间长达 1 5 5 k m 的远程控制问题。结合流花 4 - 1 油 田开发的实际数据 ， 采用基于 MATL A