CN112283091B - 一种远距离电潜泵启动及控制模拟系统及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种远距离电潜泵启动及控制模拟系统及试验方法，该系统包括依次串联的低压开关、升压变压器、中压开关、中压变频器、电缆引入装置和带有传感器的电潜泵组，所述中压变频器连接有滤波器，所述电缆引入装置至少两个，并且相邻的两个电缆引入装置之间连接有测试电缆，电缆引入装置处设置有测试点。本发明能够模拟实际的工况，为深水油气田群开发项目超长电缆情况下，提供了一种保证后期油气田群人工举升电潜泵的高效生产和稳定生产的安全高效试验方法，并制定相应的启动方案，保障电潜泵组的顺利启动。
Description
技术领域
本发明涉及一种远距离电潜泵启动及控制模拟系统及试验方法。
背景技术
海上油气田的开发需要浮式生产储油设施和水下生产系统，储油系统与油气田群的各个生产系统之间通过海底管道、海底电缆以及海底脐带缆连接。其中，中国南海某油田中变频器至潜油电机的距离长达30km，在国际上，如此长距离电机电缆变频拖带尚属首例。长距离电缆电压衰减及电机电压动态补偿、长距离电缆传输线效应谐波反射及治理等远距离变频输送电技术成为该海上油气田群开发的最大挑战。具体难题包括：长电缆造成电机阻抗分量低，导致电潜泵组启动扭矩低启动困难，长电缆造成启动转矩降低到正常启动扭矩的6％-16％，电潜泵组无法正常启动；负载波动易造成电机欠压停机或过压绝缘损伤；长电缆对谐波反射产生放大效应，在末端引起两倍的过电压，易造成断缆电机绝缘击穿；长电缆对井下控制信号反馈调控传输可靠性提出要求。因此，亟需安全可靠的试验方案模拟海上实际生产工况，验证超长距离电缆变频驱动输送电的可行性和可靠性，保证后期油田的高效生产和稳定生产。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种远距离电潜泵启动及控制模拟系统及试验方法，本发明的能够验证超长距离电缆变频驱动输送电的可行性和可靠性，保证后期油田的高效生产和稳定生产。
为解决以上问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种远距离电潜泵启动及控制模拟系统，包括依次串联的低压开关、升压变压器、中压开关、中压变频器、电缆引入装置和带有传感器的电潜泵组，所述中压变频器连接有滤波器，所述电缆引入装置至少两个，并且相邻的两个电缆引入装置之间连接有测试电缆，电缆引入装置处设置有测试点。
根据本发明优选的，所述电缆引入装置包括电缆引入装置Ⅰ、电缆引入装置Ⅱ、电缆引入装置Ⅲ，电缆引入装置Ⅰ与电缆引入装置Ⅱ之间串联有测试电缆Ⅰ，电缆引入装置Ⅱ与电缆引入装置Ⅲ之间串联有测试电缆Ⅱ。
根据本发明优选的，所述电缆引入装置包括电缆引入装置Ⅰ、电缆引入装置Ⅱ，电缆引入装置Ⅰ与电缆引入装置Ⅱ之间并联有测试电缆Ⅰ和测试电缆Ⅱ。
本发明还提供一种利用上述系统进行试验方法的方法。
一种远距离电潜泵启动及控制模拟系统的试验方法，包括以下步骤：
1)搭建与实际被测试系统电压等级相同的模拟系统；
2)在模拟系统中接入不同等级规格和长度的测试电缆，并对模拟系统进行电性能测试，以及对电潜泵组进行空载测试和带载测试，确保整个模拟系统正常；
3)通过串/并联的方式验证长距离测试电缆对谐波的影响以及电压衰减情况；
4)分别在有无接入长距离测试电缆的情况下测试中压变频器拖带电潜泵组的启动特性、负载波动特性、堵转启动特性；
5)得到电潜泵组的扭转补偿、压降动态补偿、输出电压谐波的治理参数指标。
在步骤4)中，测试启动特性时，在模拟系统中接入不同长度的测试电缆，从30％额定排量向上按照20％步长进行负载调节直至100％额定排量，根据负载情况调整启动频率和力矩补偿，使启动电流控制在额定电流范围内，防止电机端过压；通过调节负载的排量和扬程完成负载波动特性的测试；测试堵转启动特性时，在模拟系统中接入不同长度的测试电缆，通过堵转测试工装，直接在电潜泵组的电转轴上加载不同力矩分别测试中压变频器的解堵和正常运行特性。
在步骤5)中，扭转补偿采用可保障长测试电缆下电潜泵组顺利启动的电压固定式补偿方式；压降动态补偿采用可在不同运行频率和运行电流下实时检测长测试电缆的压降，且可使中压变频器对电压降进行有效动态补偿的方式，以防止电机运行过程中过、欠压；输出电压谐波的治理包括优化滤波器设计以降低谐波反射对电机的影响，使反射波可控制在合理范围内。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明能够模拟实际的工况，为深水油气田群开发项目超长电缆情况下，提供了一种保证后期油气田群人工举升电潜泵的高效生产和稳定生产的安全高效试验方法，并制定相应的启动方案，保障电潜泵组的顺利启动。
附图说明
图1是本发明试验方法的流程框图。
图2是模拟系统的结构示意图。
图3是测试电缆串联方式的结构示意图。
图4是测试电缆并联方式的结构示意图。
图中：1.低压开关，2.升压变压器，3.中压开关，4.中压变频器，5.滤波器，6-1.电缆引入装置Ⅰ，6-2.电缆引入装置Ⅱ，6-3.电缆引入装置Ⅲ，7-1测试电缆Ⅰ，7-2.测试电缆Ⅱ，8-1.防爆接线盒Ⅰ，8-2防爆接线盒Ⅱ，8-3.防爆接线盒Ⅲ，9-1.测试点Ⅰ，9-2.测试点Ⅱ，9-3.测试点Ⅲ，10.电潜泵组，11.传感器。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明进行进一步说明，但本发明的保护范围不限于此。
实施例1
针对海上油气田群长距离电机电缆拖带稳定性不足的情况，本发明采用一种远距离电潜泵启动及控制的模拟系统和试验方法进行可行性和可靠性验证，并制定相应的启动方案，保障电潜泵组10的顺利启动。
如图1-4所示，一种远距离电潜泵启动及控制模拟系统，包括依次串联的低压开关1、升压变压器2、中压开关3、中压变频器4、电缆引入装置和带有传感器11的电潜泵组10，所述中压变频器4连接有滤波器5，所述电缆引入装置至少两个，并且相邻的两个电缆引入装置之间连接有测试电缆，电缆引入装置处设置有测试点。串联方式时，电缆引入装置包括电缆引入装置Ⅰ6-1、电缆引入装置Ⅱ6-2、电缆引入装置Ⅲ6-3，电缆引入装置Ⅰ6-1与电缆引入装置Ⅱ6-2之间串联有测试电缆Ⅰ7-1，电缆引入装置Ⅱ6-2与电缆引入装置Ⅲ6-3之间串联有测试电缆Ⅱ7-2。并联方式时，电缆引入装置包括电缆引入装置Ⅰ6-1、电缆引入装置Ⅱ6-2，电缆引入装置Ⅰ6-1与电缆引入装置Ⅱ6-2之间并联有测试电缆Ⅰ7-1和测试电缆Ⅱ7-2。电缆引入装置Ⅰ6-1设置防爆接线盒Ⅰ8-1和测试点Ⅰ9-1，电缆引入装置Ⅱ6-2设置防爆接线盒Ⅱ8-2和测试点Ⅱ9-2，电缆引入装置Ⅲ6-3设置防爆接线盒Ⅲ8-3和测试点Ⅲ9-3。
一种远距离电潜泵启动及控制模拟系统的试验方法，包括以下步骤：
步骤1，搭建与实际被测试系统电压等级相同的模拟系统；步骤2，在模拟系统中接入不同等级规格和长度的测试电缆，并对模拟系统进行电性能测试，以及对电潜泵组10进行空载测试和带载测试，确保整个模拟系统正常；步骤3，通过串/并联的方式验证长距离测试电缆对谐波的影响以及电压衰减情况；步骤4，分别在有无接入长距离测试电缆的情况下测试中压变频器4拖带电潜泵组10的启动特性、负载波动特性、堵转启动特性；步骤5，得到电潜泵组10的扭转补偿、压降动态补偿、输出电压谐波的治理参数指标。
在步骤4中，测试启动特性时，在模拟系统中接入不同长度的测试电缆，从30％额定排量向上按照20％步长进行负载调节直至100％额定排量，根据负载情况调整启动频率和力矩补偿，使启动电流控制在额定电流范围内，防止电机端过压；通过调节负载的排量和扬程完成负载波动特性的测试；测试堵转启动特性时，在模拟系统中接入不同长度的测试电缆，通过堵转测试工装，直接在电潜泵组10的电转轴上加载不同力矩分别测试中压变频器4的解堵和正常运行特性。
在步骤5中，扭转补偿采用可保障长测试电缆下电潜泵组10顺利启动的电压固定式补偿方式；压降动态补偿采用可在不同运行频率和运行电流下实时检测长测试电缆的压降，且可使中压变频器4对电压降进行有效动态补偿的方式，以防止电机运行过程中过、欠压；输出电压谐波的治理包括优化滤波器5设计以降低谐波反射对电机的影响，使反射波可控制在合理范围内。
在步骤S101中，电压等级相同的电潜泵变频控制系统可包括真实的潜油电缆、潜油机组、潜油电泵机组、实验井及地面液流循环流程和中压变频控制设备。所述系统示意图如图2所示，在实验进行之前进行连接调试。
如图2所示，低压开关1的一端直接与380伏交流电源连接，另一端为升压变压器2，将中压电流送入中压变频器4，中压变频器4输出端连接滤波器5，滤波器5用以抑制变频器逆变过程中产生的谐波，右侧为电缆测试段，包含电缆引入装置、测试电缆、防爆接线盒、测试点，末端为电潜泵组10和传感器11。
在步骤S102中，不同组合方式包括通过采用不同等级规格的潜油电缆逼近电缆的实际工况。进行电缆长度测算；将电缆与接线箱连接，进行绝缘、耐压、三相值阻等电性能测试，测量电机绕组直流电阻和对地绝缘电阻以及电缆绝缘电阻，进行电潜泵组10的空载测试及带载测试，确保整个系统正常。
在步骤S103中，串/并联的方式包括为验证长距离电缆对谐波影响所采用的串行连接，和为验证长距离电缆电压衰减情况所采用的先并联再串联。所述串联方式如图3所示，所述并联方式如图4所示。
在步骤S104中，启动特性包括接入不同长度电缆(约25公里、约30公里、30公里并联，根据实际测量结果调整测试距离)，从30％额定排量向上按照20％步长进行负载调节直至100％额定排量，根据负载情况调整启动频率和力矩补偿，使启动电流控制在额定电流范围内，防止电机端过压。
由于电缆过长，电缆的阻抗对低频削弱较为严重，启动过程采用低频大扭矩启动方式，启动频率为10Hz，电压提升20％，启动加速序列，电机速度和电压将保持恒定，直到电机转速频率达到20Hz，变频器进行电压自动补偿，电压将以低固定频率上升，电机定子磁通量在额定磁通量范围内。经测试此种启动方式力矩大、电机电流稳定。
在步骤S104中，从30％额定排量向上按照20％步长进行负载调节直至100％额定排量，变频器输出频率以5Hz的步长从30Hz-60Hz连续调节。变频器需根据系统电压损耗自动进行电压补偿防止过欠压。
在步骤S104中，负载波动特性包括通过调节负载的排量和扬程完成负载波动测试。试验方法为：通过调节泵出口阀开度来调节泵出口压力，来认为改变泵负载状况，同时观察电机运行的电压、电流。由于长距离电缆的阻抗、感抗等将对变频器输出的电信号有明显的电压降，至电机端的电压衰减不成线性，变频器需根据井下负载情况对输出电压进行有效动态曲线补偿确保电机输出有效力矩，并防止电压补偿误差大而导致的电机过欠压。
在步骤S104中，堵转启动特性包括接入不同的长度电缆，通过堵转测试工装，直接在电转轴上加载不同力矩分别测试变频器的解堵和正常运行特性。安装电机启动扭矩测试装置，分断高压输出开关及变频器输入开关，将联轴器安装在电机输出轴上，将电机扭矩测试装置安装在电机上端，并将连接螺栓加弹簧垫后对称旋紧，将扭矩测试装置上盖的护盖打开，变送器、显示器信号输入线缆与传感器11信号输出接口连接好，并进行自检测试，确定测量系统工作正常。电机轴与堵转工装连接后，在不同启动频率与补偿情况下测试启动扭矩。由于堵转工装轴为卡死状态，会导致VFD过流停机，因保护动作时间有所误差，故测量扭矩值在一定范围内变化。
在步骤S105中，扭转补偿包括可保障长电缆下电潜泵顺利启动的电压固定式补偿方式。负载波动特性包括建立长电缆变频控制模型，可在不同运行频率和运行电流下实时检测长电缆压降，使变频器对电压降进行有效动态补偿，防止电机运行过程中过、欠压。所述输出电压谐波的治理包括过优化滤波器5设计可降低谐波反射对电机的影响，反射波可控制在合理范围内。
以上所述仅是本专利的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本专利的保护范围。
Claims (1)
1.一种远距离电潜泵启动及控制模拟系统的试验方法，远距离电潜泵启动及控制模拟系统，包括依次串联的低压开关、升压变压器、中压开关、中压变频器、电缆引入装置和带有传感器的电潜泵组，所述中压变频器连接有滤波器，所述电缆引入装置至少两个，并且相邻的两个电缆引入装置之间连接有测试电缆，电缆引入装置处设置有测试点；
所述电缆引入装置包括电缆引入装置Ⅰ、电缆引入装置Ⅱ、电缆引入装置Ⅲ，电缆引入装置Ⅰ与电缆引入装置Ⅱ之间串联有测试电缆Ⅰ，电缆引入装置Ⅱ与电缆引入装置Ⅲ之间串联有测试电缆Ⅱ；
或所述电缆引入装置包括电缆引入装置Ⅰ、电缆引入装置Ⅱ，电缆引入装置Ⅰ与电缆引入装置Ⅱ之间并联有测试电缆Ⅰ和测试电缆Ⅱ；
所述的试验方法，包括以下步骤：
1）搭建与实际被测试系统电压等级相同的模拟系统；
2）在模拟系统中接入不同等级规格和长度的测试电缆，并对模拟系统进行电性能测试，以及对电潜泵组进行空载测试和带载测试，确保整个模拟系统正常；
3）通过串/并联的方式验证长距离测试电缆对谐波的影响以及电压衰减情况；
4）分别在有无接入长距离测试电缆的情况下测试中压变频器拖带电潜泵组的启动特性、负载波动特性、堵转启动特性：测试启动特性时，在模拟系统中接入不同长度的测试电缆，从30%额定排量向上按照20%步长进行负载调节直至100%额定排量，根据负载情况调整启动频率和力矩补偿，使启动电流控制在额定电流范围内，防止电机端过压；通过调节负载的排量和扬程完成负载波动特性的测试；测试堵转启动特性时，在模拟系统中接入不同长度的测试电缆，通过堵转测试工装，直接在电潜泵组的电转轴上加载不同力矩分别测试中压变频器的解堵和正常运行特性；
5）得到电潜泵组的扭转补偿、压降动态补偿和输出电压谐波的治理的参数指标；
扭转补偿采用可保障长测试电缆下电潜泵组顺利启动的电压固定式补偿方式；压降动态补偿采用可在不同运行频率和运行电流下实时检测长测试电缆的压降，且可使中压变频器对电压降进行有效动态补偿的方式，以防止电机运行过程中过、欠压；输出电压谐波的治理包括优化滤波器设计以降低谐波反射对电机的影响，使反射波可控制在合理范围内。
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| GR01 | Patent grant | ||
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