提高潜油电机质量及运行可靠性方法研究

滕 达 宋懿勋 庞玉霞

中国石油大庆油田装备制造集团 力神泵业技术研发中心 （黑龙江 大庆 163311）

潜油电泵采油具有扬程高、排量大、费材少、节能等诸多优点。 随着我国各主要油田开发进入高含水后期，潜油电泵在原油高产稳产中发挥着越来越重要的作用，各大油田都在大力推广潜油电泵的应用。目前，大庆油田共有电泵井约1700口，平均检泵周期超过1100天；而在国外，潜油电泵装机容量超过了生产现场总装机容量的20%[1]。

潜油电机作为潜油电泵机组的动力部分,是一种具有独特的定转子分段细长结构的立式三相异步电机，其性能直接影响着电泵机组的质量和运行可靠性。据统计，电机故障占机组总故障率的40%以上。由于其特殊的结构，需要从设计制造、现场运行等多个环节考虑，达到提高潜油电机质量及运行可靠性的目的[2]。

1 设计制造环节的研究

1.1 合理选取电磁参数取值范围

在电机的主要尺寸确定的情况下，线负荷与气隙磁通密度决定着电机的主要性能参数。对于同一功率和转速的电机，较高的线负荷和气隙磁通密度，可以减少电机的尺寸，降低钢材与铜的使用量，减轻重量。但如果将线负荷和气隙磁通密度取值过高，就会加大电机的定转子铜损耗和铁损耗，可能引起磁路饱和，使电机过热，温升增高。应综合考虑电机制造与运行的各项技术经济指标，并根据实践经验在一定范围内取值。一般来说，如果设计的潜油电机定子电流密度在5～8.5A/mm2之间，气隙磁通密度不超过0.8T，则方案的电磁设计是在合理的范围之内。

电机定转子之间气隙选择的大，磁阻大，所需要电机的励磁电流大，电机的功率因数降低，并且会降低电机内部润滑油的循环速度，影响散热。但较大的气隙可使谐波磁场减弱，电机的附加损耗降低，对电机零部件的同轴度及装配精度的要求降低；而如果电机定转子之间气隙选择过小，会增加电机加工制造的难度，定转子之间发生扫膛的机率也会增加，扫膛很容易使电机发热烧毁，并且附加损耗增加而使电机效率降低。因此根据经验，潜油电机气隙值一般选在0.4～1mm之间。

1.2 采用新型的结构设计

高温下电机内部的部件，主要是定转子会受热膨胀，包括径向和轴向膨胀，导致定子硅钢片和转子节尺寸发生变化。并且由于不同材料的热膨胀系数不同，定转子的膨胀速度也不一致。径向膨胀会造成气间的不均匀，通过适当选取气隙值基本可以消除此种影响。轴向膨胀会造成定转子对正的问题，可以采用新型的分节定位的方法，在每节转子前后各装1个限位卡簧，2个卡簧之间预留足够的轴向膨胀间隙，同时定子节长度同卡簧长度一致，防止间隙过小导致定转子错位，产生轴向力引起电机转子上窜。

在电机尾部引线连接处可选用新型的星点结构，采用氟橡胶浇注的铜环，取代以往的引线焊接工艺，可提高可靠性，增强绝缘强度，并且安装和拆卸都极为方便。同时，可在电机底部安装新型的电机油滤网取代以往的磁铁块过滤方式，此种电机油滤网不但可以吸附电机油中的铁材料，还可以吸附磁铁块所无法吸附的铜屑和其他非金属杂质，从而保证电机内各个摩擦副长期可靠的运转。新型的星点和电机油滤网如图1所示。

以上的新型结构设计在力神泵业公司的188系列电机中已经采用，应用效果很好，可根据成功的设计经验和潜油电机通用化的设计思想，将其移植到95小直径和114、138、143等系列电机的结构化设计中。

1.3 强化生产制造环节的管控

潜油电机的生产制造是一系列复杂的工艺过程，包括定转子铁芯冲片制造、定子绕组制造、定子壳体制造、定子铁芯压装、定子绕组嵌装、定子绕组绝缘处理、转子组装及外圆加工、定子校直、电机轴校直、电机组装、出厂测试等主要过程。每一个过程都需要严格按照工艺文件执行，以保证达到技术要求。

在设计合理的情况下，生产制造环节的水平极大的影响着潜油电机的整机质量。例如，提高硅钢片的冲叠工艺水平，可有效的降低铁耗；提高零部件的加工精度和整机的装配质量,减少摩擦系数,可降低电机的机械损耗；保证电机零部件的同轴度和直线度可减少扫膛的发生；在定子绕组嵌装过程中，绕组两端对称，端部长度符合规定，可保证足够的装配尺寸和三相绕组直流电阻之间的平衡；正确组装电机头部的止推轴承可减少动块与静块之间的摩擦损耗；通过加调整垫片使扶正轴承铜套和轴上的通孔对齐，可以保证润滑油对扶正轴承摩擦副的润滑作用等[3-4]。

由于潜油电机的生产制造过程涉及工序多，质量控制点多，更需要制定合理的质量控制方案，提高产品质量。

可采取的质量管控的具体措施包括:

（1）加强对供应商的质量控制，强化对供方的质量审核。

（2）对所有原材料和零部件按照其对最终产品质量的影响程度分类。根据质量重要度编制抽样检验方案，按此参数抽样方案及相关技术文件要求进行检验，判定合格与否。

（3）利用合格原材料和零部件，按照技术文件进行产品制造，并在相应的质量控制点、停工待检点进行检验试验。

（4）在产品实现的各个环节，都要进行安全风险识别，对安全风险进行分类管理。各类风险均采用相应的削弱和控制手段，必要时制定风险预案。

（5）在产品实现过程中应编制相应的质量记录，以备质量问题的统计分析。

（6）在产品实现的过程中充分利用故障模式及影响分析。

（7）做好质量问题解决的跟踪工作，对质量改进的效果进行验证，并要形成长效机制。

通过以上的措施，可以实现对潜油电机生产制造质量的有效控制。

2 现场运行环节的研究

2.1 适当调节电机运行电压

经过电磁计算、温升计算得出的电机铭牌数据为电机额定运行方式下的数据。在实际应用中，由于负载和供电电压的变化，电机工作在允许运行方式下，电机的实际电压与额定电压偏差不超过10%。

电机输出功率为:

其中:P2—电机输出功率，kW；U1—电机端电压，v；I1—定子绕组电流，A； cosφ—功率因数，η—电机效率。

P2主要由负载决定，I1为励磁电流分量与定子侧负载电流分量的矢量合成，励磁电流随所加端电压的增加而增加，负载电流主要由实际产量决定。由于电机为阻感性负载，适当的调节运行电压，可以使cosφ提高。同时,降低I1并维持P2基本不变。

由于油田现场存在“大马拉小车”现象，部分电泵井的产液量低于机组的额定产量较多，电机实际工作点与额定工作点偏差较大。这种情况下往往功率因数cosφ较低（对于114系列电机，正常运行时，值应在0.78～0.85之间），电机定子绕组电流I1中的励磁电流分量相对于负载电流分量过大。对于此种情况，适当降低一些励磁电流（降低了主磁通）也可以带动负载。此时可适当调整电泵机组变压器档位降低机端电压（一般降低一档，约50～90V），减少部分励磁电流，可以使定子电流降低，同时产量基本不变。

电机定子铜耗为:

其中:Pcu1—定子铜耗，kW；r1—定子绕组电阻，Ω。

减少定子绕组电流可以减小电机的铜耗。同时由于励磁电流的减小，电机主磁通减小，空载时定子齿磁通密度Bt10、轭磁通密度Bj10减小，则铁心材料的单位体积损耗减小，电机的基本铁耗也会降低。减小定子绕组铜耗和基本铁耗可使电机发热量降低，延长机组寿命，同时起到节能的作用。

另一种情况是在机组额定产量的情况下，电机的功率因数cosφ也较低，这主要是由于电网电压波动较大，电缆压降的影响等原因造成的。此时也可以适当降低电机的运行电压，降低偏高的励磁电流，从而定子电流也会降低，产量基本保持不变。

以2012年大庆油田采油二厂调整部分电泵井的运行电压、降低运行电流的经验为例。所选机组对地绝缘电阻均大于500MΩ，电泵井调整前后数据如表1所示。

从表1中数据可见，降压调整前后，电机的定子电流平均下降3A，日耗电降低，功率因数提高。有2口井产量有所增加，1口井产量略有降低，考虑到现场量油的误差，可以认为产量基本维持不变。

表1 现场部分电泵井调整运行电压前后数据对比

通常情况下调整机组运行电压只需要多启停一次，并非频繁启动，对机组基本不会造成很大的电气冲击和机械冲击。对于井况较复杂，尤其是含砂量高的井，则需根据井况的特点，制定相应的调整策略。

2.2 采取加速电机散热的措施

如果油井产液量过低就会导致电机散热条件变坏，电机内部温度急剧升高，造成绝缘耐击穿强度降低,最终烧毁电机[5]。根据美国石油工程师学会(API)标准，潜油电泵在油井内运行时，流经电机表面的液体流速必须大于或等于0.3048m/s。

井液流经电机表面的流速计算公式如下:

其中:S—井液流经电机表面的流速，m/s；Q—油井产量，m3/d；D—护罩内径，mm；d—电机外径，mm。

潜油电泵的下泵深度必须考虑在这个深度有足够的井液流经电机表面，以便把电机散发出来的热量带走。

对于高温油井，为加快电机的散热，在套管内径允许的情况下，可以在电机外壳加一层导流罩，缩小电机外径与套管之间的环形空间，增大井液流速。

对于产量在70m3/d以下的油井，可以采用小排量潜油电泵机组替代抽油机、螺杆泵等人工举升设备。小排量潜油电泵机组在电机尾部加装了散热装置，可加速电机内部润滑油的油路循环过程，将电机内部热量通过带散热片的散热装置壳体快速传导到井液。

以上2种加速电机散热的方式经过在国内外油田的多年潜油电泵运行试验，证明效果良好，可有效降低电机温升，提高电机运行可靠性，并且安装操作简单，使用成本增加很少，值得进一步推广应用。

3 结论

研究总结了提高潜油电机质量及运行可靠性的一些方法。从设计的角度来讲，需要合理的选取电磁参数的取值范围，并可采用新型的结构设计；从制造环节来看，需要采取有效的质量管控措施；而在机组现场运行的过程中，可以采取适当调节电机运行电压以及加装电机导流罩或电机尾部散热装置的方式来降低电机温升，延长机组寿命。为进一步研究提高电泵机组的整体质量和运行可靠性提供了有效的参考依据，具有一定的指导意义。

[1]梅思杰,邵永实,刘军,等.潜油电泵技术[M].北京:石油工业出版社，2004.

[2]刘成,孟大伟，徐永明，等.大功率潜油电机的设计及模拟试验样机的制造[J].防爆电机，2008，43(2):8-11.

[3]XU Yongming,MENG Dawei,WEN Jiabin.The Optimal Design for the Compound Motor with Double Speeds[R].2010 IEEE International Conference on Intelligent Computing and Intelligent Systems(ICIS 2010),Xiamen,2010:22-25.

[4]XU Yongming,MENG Dawei,TAN Jin.Research on Design Key Technologies for High-power Submersible Motor[R].2010 IEEE International Conference on Electrical Engineering and Automatic Control(ICEEAC 2010),Zibo,2010:280-283.

[5]邓辉.基于软测量技术的潜油电机状态检测与故障诊断研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学，2008.