產品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
少用電 用好電 再生電 存儲電 防爆電
解決方案
高壓變頻器在東營東辛采油廠柱塞水泵上的應用
1引言
油田注水是油田中期保持有效穩產的有力措施。其方法就是通過注水，進而恢復甚至增大地層壓力，使地層流體壓力大于井筒內靜液壓力，從而達到開采出油氣的目的。由于油田每個區塊注水量隨開采狀況的變化需要經常調整，油田注水主要是通過調節注水泵的回流量來實現，在傳統的方式下，為了滿足配注需求，大部分注水站都存在額定流量與實際流量不相匹配的問題（一般額定流量大于實際流量），而注水泵電機的額定轉速基本保持不變，油田采用的注水泵電機大多是大功率電動機，電動機長期處于高耗能狀態運行，采用變頻調速裝置對油田注水泵用電動機進行變速調節，實現注水泵變水量控制是一項非常有效的節能措施。
2東營油田目前注水系統的現狀
東營油田經過20多年的高速開發，已逐漸步入特高含水開發。原油產量逐年遞減，采出液綜合含水高達90％以上，主要以注水方式保持地層能量。一方面，注水壓力的高低是決定油田合理開發和配套地面管線及設備的重要參數。注水壓力低，注水量滿足不了油田開發的需要，必然會造成油層壓力下降；注水壓力過高，浪費動力，也造成超注，導致水淹，水竄；注水壓力控制難度大，也給油田生產和管理帶來諸多不便，因而要求注水壓力恒定。另一方面，由于儲油地層的壓力及油氣分布不斷在發生變化，其數值很難準確預測和控制，考慮到油田開發中的需要，在機電設備的配置上都按照油田較大可能的需求來設計，這一點在注水系統的設計當中顯得尤為突出。同時注水系統是采油廠的耗電大戶，耗電量占整個生產的40％～60％。另外多數采用異步電動機直接驅動的方式運行，存在著啟動瞬間電流較大、機械沖擊、電氣保護特性差等缺點，不僅影響設備使用壽命，而且當負載出現機械故障時不能瞬間動作保護設備，時常出現泵損壞同時電機也被燒毀的現象。因此，降低注水系統費用是油田注水面臨的重大問題。
東營東辛采油廠辛五注水站共有7臺注水泵。目前，注水站注水泵機組組合為DF140-150×10兩臺（2#、3#），3DW-80/16一臺（1#），5DW-150/16兩臺（5#、7#）。日常開5#、7#為主，投運的5DW-150/16型注水泵，匹配電機型號為YSK-5001-6的710kW /6kV異步電動機。
注水泵經常根據不同的生產需求采用調整進出口閘門、回流閥、截止閥等節流設備進行流量、壓力、水位等信號的控制，即靠改變管網特性曲線來調節泵的排量，泵、電機匹配難以達到在泵的較佳工況點運行。管網效率低，電能損失較高這樣，不僅造成大量的能源浪費，管路，閥門等密封性能的破壞，還加速了泵腔、閥體的磨損和汽蝕，影響了生產。
通過綜合調研和考慮，認為對注水泵進行變頻調速，是較好的節能方案，也是減少注水泵損耗的有效手段。多方比較后公司領導決定選用山東新風光電子公司生產的JD-BP37-900F（900kW/6kV）型高壓變頻器，對5#、7#泵進行變頻控制，改造取得了成功。
3 柱塞泵工藝工況及主電機參數介紹
此負載為對置式大流量往復柱塞泵，柱塞泵構造采用兩側對置式活塞，一側分別分布五個活塞，采用雙管線對井下注水的方式，對各自的輸出管線打壓，以實現設備的利用率。在啟動前首先打開環流閥，使水壓降低以減小啟動電流，然后等待泵速全速運行后再關閉環流閥，輸出管線壓力驅使輸出單向閥打開，壓力升至所需壓力后，將水打到幾千米的井下。柱塞泵結構示意圖如圖1所示。
工頻啟動時電流過大，并且對柱塞活塞及各器件造成很大的沖擊，給維修維護的工作量大大的增加了，并造成成本的增加。
圖1柱塞泵結構示意圖
5#、7#柱塞泵機組的基本參數如表1所示：
4變頻改造控制方案
4.1變頻器改造主回路
圖2系統改造主回路
東營東辛采油四礦的注水柱塞泵采用山東新風光電子公司生產的高壓變頻器雙進雙出一拖二控制系統。改造主回路如圖2所示，圖中K1、K1‘、K2、K2’為高壓隔離閘刀，K1與K1‘之間有電磁互鎖，K2與K2’之間有電磁互鎖。KM5為7#電機工頻接觸器，KM6為5#電機工頻接觸器。7#電機工頻接觸器KM5與KM3接觸器實現互鎖， 5#電機工頻接觸器KM6與KM4接觸器實現互鎖。KM1、KM2為變頻上電瞬間實現限流電阻切換時所用，正常運行時KM1處于一直吸合狀態。
7#電機變頻運行時，K1、K2、KM3閉合，K2、K2、KM4‘斷開，KM5斷開。變頻上電后，通過內部程序KM2會自動吸合將限流電阻引入主回路以消除大電流沖擊，上電3s后，KM1吸合，1s后KM2斷開，變頻器處于待機狀態可以根據情況投入運行。變頻啟動后工頻/變頻手自動轉換旋鈕打到自動位置，電機轉速達到50Hz后，按轉工頻按鈕變頻器自動斷開KM3接觸器，然后自動吸合KM5接觸器實現自動切換到工頻運行，實現7#柱塞泵的軟啟動控制。同理5#電機變軟起運行控制過程類似。
正常運行時，5#、7#柱塞泵機組一工頻一變頻運行，5#、7#柱塞泵機組均可以實現工頻、變頻運行狀態。當選擇5#柱塞泵工頻、7#柱塞泵變頻運行時，高壓變頻器首先拖動5#變頻軟啟動，將變頻啟動后工頻/變頻手自動轉換旋鈕打到自動位置，待電機轉速達到50Hz后，變頻器將5#電機轉到工頻運行；然后高壓變頻器再拖動7#柱塞泵變頻啟動，控制水泵運行，通過壓力變送器自動調節變頻器的頻率調整壓力大小。也可以通過變頻器先啟動7#電機后自動切換到工頻運行，再啟動5#電機變頻運行，以實現一拖二變頻器控制功能。
當高壓變頻器出現故障時，柱塞水泵將自動轉到工頻運行，保證油田注水的正常。
4.2風光JD-BP37-900F高壓變頻器技術參數？
5現場情況和節能效果統計
5.1現場的系統構成
針對現場存在的問題，系統優化改造主要需解決兩方面的問題：第一，在滿足系統配注水量的基礎上盡可能減少排量損失；第二，在滿足注水壓力的前提下盡可能減少泵管壓差，即減少壓力損失。系統優化擬從動能和勢能兩方面同時入手，盡可能降低能耗、提高系統效率。
圖3現場系統構成框圖
現場系統構成框圖如圖3所示。系統閉環控制過程如下：由智能壓力變送器對各運行注水泵進行實時數據監控和處理，即采集和傳輸注水泵、站的運行參數，如：泵的排量Q單、電機電流I、泵進、出口壓力P泵，注水站出口干壓P干、總排量Q總、平均單耗等，并將這些控制參數（Q單、I、P泵、P干、Q總）與其期望值及泵本身的特性曲線進行對比和優化計算。其中，注水站干壓和總流量是系統所需監測和控制的兩個最主要參數。本系統中，一方面在泵出口管線上安裝一只高可靠性壓力變送器，將實測的壓力信號與系統的配注壓力（期望值）相比，并將其差值送往過程參數調節器（PID）進行比例和積分運算，最后將輸出結果送給可編程控制器（PLC）；另一方面在泵入口管線上安裝一只流量計，用于監測系統實際總流量，將該值與系統配注量的差值再進行一次PID整定，最后將輸出結果送給PLC。PLC根據所接收的兩個PID整定信號，利用模糊推理的方法，在滿足系統干壓的前提下，系統及時自動調整高壓變頻器的輸出頻率從而控制變頻泵的轉速。由柱塞泵原理知，泵轉速的變化可引起相應的排量變化，通過頻率的變化以達到期望的排量值。通過上述閉環控制，使系統的實際壓力和排量與系統的配注壓力和配注量相接近。系統設計為閉環控制系統，流量和壓力為系統的兩個主要參數，將系統實測的流量和壓力信號與地質要求的流量和壓力（期望值）進行雙PID調節；通過模糊推理的方法自動尋優控制，根據推理結果，系統及時自動調整高壓變頻器的輸出，并自動計算出變頻器的較佳運行頻率。
5.2實際節電效果
該變頻器于2011年12月在東辛采油四礦注水電機安裝正式運行，每天一般注水量6000m3/d，平均泵壓15MPa、干壓14.5MPa，使用變頻器前后的耗電情況月統計如圖4所示，注水單耗如圖5所示：
圖4 工頻、變頻運行統計
圖5 注水單耗
由圖4、圖5可以看出，不考慮其它方面的影響，柱塞泵電機安裝變頻器前后的注水單耗從5.78 kW?.h/m3下降到4.47 kW.h/m3。節電率計算如下：
節電率=（安裝前耗電-安裝后耗電）/安裝前耗電×100﹪
=（1112352-809424）/1112352×100﹪
=27.2%。
2012年，按照辛五注水站當前運行情況，全年預計注水量230×104m3，變頻改造后可節約電量400×104kW?h，每kWh按照0.625元計算，預計全年節約電費265萬元。
考慮到注水量各方面條件的影響，實際的節電率與計算值有所不同，但根據現場的運行情況來看，不會有太大的出入，總體的節電效果不會改變的。
6結束語
油田的注水系統非常多，通過使用變頻裝置，不但節約了電能，提高系統自動化運行程度，減小設備的磨損，也可自動根據需求量調節轉速，減少了人員的勞動強度，而且注水泵的運行參數得以改進，系統效率大為提高。變頻調速技術作為一種高新技術和節能技術，在企業的工業生產以及人們的常生活中已經得到了廣泛的應用，隨著其工藝技術的進一步成熟，將為采油廠及油田的節能降耗工作帶來更加積極的作用。
