潜油电泵变频器超远距离中压变频驱动解决方案

潜油电泵超远距离驱动是一个技术难题,本文转载罗克韦尔自动化实施的一个成功案例。本公司解决 潜油电泵超远距离驱动 是采用中压三电平变频器驱动方案。

罗克韦尔自动化为中海油公司流花4-1项目电潜泵提供PowerFlex7000中压变频调速装置实现超远距离驱动解决方案。
背景
流花4-1项目是属于中海石油总公司中海石油深圳分公司自营油田流花作业区业务,位于南海,水深260~300米。
下图为流花4-1平台外部照片

流花4-1平台外部照片

流花4-1油田开发项目包括一个供8口生产井的生产管汇,8个分配管,跨接,动力电缆,两条管缆,一条海底管线和一套LH41/LH11-1桥接管汇等。
LH11-1 FPS和LH11-1 FPSO将会进行改造以适应LH4-1油田开发。此次开发也将会允许将来油田的扩展,有一套额外的管汇可供4口井使用。
流花4-1电潜泵的驱动电机到位于LH11-1 FPS上的变频器距离长达15.5km,
如图所示

对于这样长距离的变频器应用在整个中海油还属首例,所以这个项目对产品的性能和技术指标要求非常严格,为中国海上石油深水作业铺垫基础,这是一个开拓性的项目,如果项目能够实施成功,中海油可以采用大型中央平台+周边小型平台的平台建设方式,将绝大多数的电气设备集中放置在中央平台,可以极大地降低建设费用,这种驱动方式可以推广至整个中海油。对于罗克韦尔自动化来说,在未来的几年里将会出现很多类似的项目,意义重大!

面临的挑战

为了确保LH4-1项目的顺利实施,驱动系统面临巨大的考验:中压变频器到电动机之间15.5km的超远距离是一道极难跨越的鸿沟,横亘在我们的面前,海水下复杂的线路阻抗,巨大的线路压降,反射波形成的震荡电流,稍有不慎就有可能在任何一个环节导致项目失败。“15km的驱动距离,在我们中海油是第一次,这是一次具有非常价值的尝试,我们需要供应商能够提供最好的设备,并且具备丰富的远距离传输经验,确保该项目成功。”该项目的项目经理苏峰在项目调研阶段对所有的中压变频器供应商要求。由于每口井均设有一大一小两台电机,当油井进入低产区后,系统将切换到小电机运行,对于电压源型变频器来说,实现非常简单,但对于电流源型的PowerFlex 7000来说,要实现该功能相对复杂。
另外,用户需要将一些特殊的设备安装在我们的变频器内部和柜门上,还有一些特殊的操作功能需要增加在操作界面上,所以变频装置需要单独设计。

竞争优势

LH4-1项目立项后,我们罗克韦尔自动化中国控制与驱动部门与LH4-1项目组积极沟通交流,在了解到项目的详细情况后,迅速确定了我们需要突出的优点:

  1. PowerFlex 7000是电流源型变频器,输出du/dt非常小(<10V/uS),输出波形近似为正弦波,不会产生反射波,不会造成电流震荡,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. PowerFlex 7000优秀的输出特性,可以保证驱动普通电机而无需对电机做出任何改动,对电机和电缆寿命的影响远小于其他厂家的产品,这对于每一次电机维护费用上百万的中海油来说,每减少一次维护都可以带来巨大收益。
  3. 外形尺寸小,标准产品仅为240010002643,对于寸土寸金的海上平台来说,是非常有吸引力的。
  4. 可以根据用户需求进行定制的硬件和控制界面,LH4-1项目中变频柜中需要加装第三方的设备,操作界面中需要增加针对电潜泵运行的一些特殊功能,这对于我们PowerFlex 7000来说非常容易。
  5. 渤海康菲平台的大量应用业绩,对于中海油来说也是一种实力和质量的保证。

工艺简介

电潜泵是油田中应用较多的采油设备。实际上,电潜泵就是一个工作于井下的多级离心泵,同油管一起放入井下,地面电源通过变压器、控制屏和电潜泵专用电缆将电能输送给井下电潜泵电动机,使电动机带动多级离心泵旋转,将油井中的液体提升到地面。由于电潜泵是在水下近2km以下的井底工作,工作环境非常恶劣(高温,强温度等),采用工频全压下工作时,故障频繁,运行成本高。电潜泵工频启动时,启动电流大,电动机电缆的压降大,使电动机电缆在启动过程中的反向电压较高,电缆绝缘性能降低,每次开机都会影响电潜泵使用寿命。电潜泵始终工作在额定转速下,如果井下液量供不应求,容易造成“死井”,一旦死井则损失惨重。正确的解决方法是电潜泵应能够根据地质的情况变化调节抽油量,使供求平衡。电潜泵井的调节方法有油嘴调节、变频调节及电潜泵井的联合调节。油嘴调节的有效区在产量较低阶段,这既造成能量的浪费又不能精确的控制。有时使得电动机与泵长期在高压状态下运行;有时使得油井出沙严重,使设备寿命缩短。采用变频调节可以有效解决以上问题,但是15km传输是
绝大多数变频器无法达到的距离。经过多次沟通,中海油LH4-1平台最终决定采用变频调节方式。
流花4-1项目A1H-A8H油井利用中压变频器控制电动潜油泵机组,通过交流电机变频调速技术控制交流电机定子的供电电压与频率,平滑改变电机转速;通过零转速软起动,保护井下机组、电缆等电气设备;通过变频调节电机转速,调整泵排量,既能满足地层供液变化的需要,又可满足生产要求,保证采油系统正常运行,提高电动潜油泵系统的运行效率。
另外,原油中一般含有部分沙子,会在电潜泵内部聚集,当电潜泵停工检修时容易在泵内凝结,造成电潜泵堵塞,如果无法启动需要进行维修时会产生巨大地维护费用(每次维护费用约为50万人民币),所以要求变频器在这种情况发生时必须提供高启动力矩模式启动。
为了保护投资,中海油在8口井均采用一用一备双电潜泵/电机方式,两套设备同时下放到油井下。在主电机损坏或产油量变低时启用备用泵,备用泵的功率基本比主泵低一到两档。
油井平台设有中控室监控系统,每台中压变频装置均配有相应的通信接口。在中控室通过计算机监控网络可对8台变频机组、辅助设备实现中控室集中控制。

解决方案

根据用户的实际工艺要求,罗克韦尔自动化提供了一整套完整的解决方案。
首先,我们根据用户提供的电缆及电机参数,对线路的压降损耗进行了严格的计算,确定了每台电机对应变频器的60Hz额定点的输出电压从4.3kV到5.2kV不等,由于电网的供电电压为4.16kV,我们最终确定不采用DTD结构,而是采用输入侧为隔离变压器的6kV电压等级,PWM结构的变频器作为主体,隔离变压器的主要用途为调整变频器输入电压,使其与所驱动的电机匹配,同时也可以实现谐波抑制作用。
罗克韦尔自动化加拿大中压变频器业务总部对功率最大的A3H进行了仿真计算,仿真计算的波形如下图:

图1 – 额定转速下(3487 rpm)的仿真结果
(上图: 母线电流 x 10 (黑色)及母线电压(红色);中图: 变频器输出电流(黑色)及电机电流
(红色);下图: 变频器输出电压(黑色)及电机电压(红色))
图2- 一半额定转速下(1744 rpm) 的仿真结果
(上图: 母线电流 x 10 (黑色)及母线电压(红色);中图: 变频器输出电流(黑色)及电机电流
(红色);下图: 变频器输出电压(黑色)及电机电压(红色))


通过仿真计算,我们确定Powe r Fl ex7000完全可以满足用户的要求,然后我们与用户进行了多次深入交流,提供了仿真计算书及相关资料,使用户确信PowerFlex7000正是他们所需要的。
系统最终的实施方案主回路如下图所示:


由于备用电机与主电机功率不同,为了满足对备用电机的驱动需求,我们在直流电抗器部分做了对应的处理,使其可以满足不同输出电流的匹配,确保正确驱动。
用户的中控室监控系统采用了我们的C o n t r o l Lo g i x系统,通信接口为ControlNet,我们在变频器中也集成了ControlNet卡,使其可以与中控室监控系统进行通信,将设备运行数据传送到中控室监控系统,实现完美对接。

效果

LH4-1 平台从 2012 年 6 月 29 日开始架设电缆,7 月 18 日 A1h 井和 A6h 井顺利一次投产成功,产量喜人,比项目原计划提前 15 天见产,其他六口井也在 8 月份陆续顺利一次投产成功。PowerFlex7000 变频器顺利投产并可靠运行,标志着我们 LH4-1 项目成功完成交付。图:PowerFlex7000 试运行中

从实际的运行曲线来看,实际运行情况与仿真计算结果基本一致(稍好于仿真结果),整体调试一次试机成功,非常顺利,设备运行平稳,达到了用户的所有工艺要求。流花 4-1 项目系统调试成就了“零调试”的新纪录,“零调试”并不是“没调试”,也不是“不用调试”,而是大部分调试工作都没有占用项目的关键路径,而那些必须在关键路径上调试的步骤,由于准备充分,协作流畅,用很短的时间就顺利完成了(摘自于中海油内部资料)。

图 3 一半额定转速下(1744 rpm) 的实际运行结果
(上图:母线电流 x 10 (蓝色)及母线电压(黄色);上左图: 变频器直流母线电压(紫色)及直流
母线电流(绿色);上右图: 变频器输出侧线电压(紫色)及线母线电流(绿色)


工程部欧阳先生在庆功会上说:“‘零调试’的实现不是偶然的,而是大家齐心协力,精诚合作的结果,这里面饱含了设备招投标期间项目组、承包商的认真澄清、一丝不苟的情怀;饱含了各级领导、专家们的真切关注、科学严谨的智慧;饱含了设备制造期间的紧张有序、质量第一的理念;也饱含了海上安装、系统调试期间各方交叉作业,目标一致,同舟共济的豪情。”
“值得一提的是,流花 4-1 海缆安装接入、系统调试与流花 11-1 的复产同期进行,受南海挑战平台 POB130 人的限制,各方人员都尽量缩减至最少以平衡各项工作,尤其是流花 4-1 系统调试人员都没有配置倒班,在这一段时间内,他们不分昼夜的每天连续工作 16 至 18 个小时,在最后油井起泵前系统总调试中,连续 40 个小时几乎没有休息,他们的这种舍我其谁的高度责任感深深地感动着也传染着现场的每个人。这里面有项目组、作业区、FMC、有行健自动化、JDR、AB、也有斯伦贝谢等等参战的每一位流花人——为流花 4-1 油田投产这一共同目标而走到一起来的所有参战员工。” 中海油深圳专门发表贺文,感谢 LH4-1 所有参与者,并明确指出我们及我们的 SI(行健自动化)。
“One Liuhua, One Team!”这是本次流花4-1水下系统安装承包商Technip作业总监John Galloway先生对LH4-1作业现场的由衷赞誉。

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