趙大慶 郭志強(qiáng) 商永濱 李言（西安長慶科技工程有限責(zé)任公司）

轉(zhuǎn)子變頻技術(shù)在油田注水系統(tǒng)的應(yīng)用

趙大慶 郭志強(qiáng) 商永濱 李言（西安長慶科技工程有限責(zé)任公司）

油田注水過程是注水井需求的配注量與注水泵的供給量的動(dòng)態(tài)平衡過程，目前由于定子變頻調(diào)速技術(shù)的局限性，無法實(shí)現(xiàn)注水泵排量與所需配注量完全匹配，造成注水站仍有打回流和電能浪費(fèi)現(xiàn)象。轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速技術(shù)在注水站上的應(yīng)用，解決了供給量與配注量動(dòng)態(tài)平衡，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子變頻帶壓啟泵和關(guān)回流穩(wěn)壓注水，節(jié)約了電能，延長了注水設(shè)備的使用壽命，降低了現(xiàn)場操作管理的強(qiáng)度，滿足了油田精細(xì)注水的需要，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

轉(zhuǎn)子變頻；變頻調(diào)速；穩(wěn)壓注水；節(jié)能

引言

在油田注水過程中，由于注水泵一般不能調(diào)速（工頻），其額定流量與所管轄注水井配注量不能完全匹配，通常是泵排量大于配注量。為了滿足工況要求，一般采用人工頻繁調(diào)節(jié)回流閥門的方式進(jìn)行調(diào)壓和穩(wěn)壓，以保證供注平衡。注水泵滿負(fù)荷運(yùn)行造成注水泵溫度高、噪音大，設(shè)備損耗大、故障率高，同時(shí)多余的高壓水通過站內(nèi)回流閥門打回儲(chǔ)水罐，造成較大的電能浪費(fèi)。

隨著注水泵變頻裝置調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，目前國內(nèi)外油田普遍采用定子變頻調(diào)速技術(shù)，定子變頻調(diào)速運(yùn)行降低了電動(dòng)機(jī)和泵的轉(zhuǎn)速，減少了機(jī)械摩擦的能量損失和注水泵內(nèi)回流、節(jié)流損失，其較好地避免了打回流做無用功和實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的流量和壓力的現(xiàn)象。然而定子變頻調(diào)速技術(shù)仍存在一些問題：在高負(fù)載低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)調(diào)速過低，電動(dòng)機(jī)、變頻器發(fā)熱嚴(yán)重，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩變小易出現(xiàn)憋泵；變頻系統(tǒng)調(diào)速范圍受到限制，供給注水量與配注量不相匹配，需依靠人工調(diào)節(jié)回流閥門保持壓力與流量的穩(wěn)定。

針對當(dāng)前定子變頻裝置調(diào)速設(shè)備在注水站應(yīng)用的局限性，應(yīng)用“一拖多”轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)，解決了定子變頻裝置在注水泵應(yīng)用中存在的問題，實(shí)現(xiàn)了注水站帶壓啟泵、關(guān)回流節(jié)能注水和自動(dòng)穩(wěn)壓注水，較好地滿足了注水工況的要求，大幅提高了注水效率和經(jīng)濟(jì)效益[1-2]。

1 轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)的原理和構(gòu)成

轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速是繞線式電動(dòng)機(jī)定子50 Hz工頻電源下的轉(zhuǎn)子“交—直—交”變頻調(diào)速，轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速控制設(shè)備和繞線式電動(dòng)機(jī)組成。

1.1 轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速控制設(shè)備

轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速控制設(shè)備主要由逆變柜和轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速柜組成。

轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速柜主要作用是對電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電流和頻率進(jìn)行等效控制，主要部件是斬波器（IGBT）和整流器。整流器是根據(jù)二極管的單向?qū)ㄔ磉M(jìn)行工作的，將其接入交流電路時(shí)它能使電路中的電流只按單向流動(dòng)，即實(shí)現(xiàn)將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?。斬波器（IGBT）是進(jìn)行斬波調(diào)速的裝置，受高頻脈沖電壓控制而快速導(dǎo)通和關(guān)斷的大功率電子開關(guān)，斬波器快速開關(guān)并對電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電壓進(jìn)行等效控制，從而調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速[3]。

逆變柜的主要作用是將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差能量轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)同頻同相交流電回饋電網(wǎng)，主要的元器件是可控硅逆變器和電抗器。逆變器是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的裝置，電抗器主要作用是限制沖擊電流、減少諧波電流對電網(wǎng)的污染[4]。

1.2 繞線式電動(dòng)機(jī)

繞線式電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)是三相轉(zhuǎn)子繞組連接到裝在轉(zhuǎn)軸上的三個(gè)銅滑環(huán)上，通過一組電刷與外電路相連接。電動(dòng)機(jī)的定子側(cè)直接接入工頻電網(wǎng)，通過轉(zhuǎn)子外接電路實(shí)現(xiàn)調(diào)速控制。繞線式電動(dòng)機(jī)與鼠籠式電動(dòng)機(jī)相比具有啟動(dòng)電流小、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大的優(yōu)點(diǎn)，適合油田注水系統(tǒng)高壓力低轉(zhuǎn)速運(yùn)行的工況[5-6]（表1）。

表1 電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及性能對比

1.3 “一拖多”轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)成

當(dāng)系統(tǒng)中存在多臺(tái)電動(dòng)機(jī)時(shí)，各臺(tái)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差功率集中由同一個(gè)逆變器逆變成與電網(wǎng)同頻同相的交流電回饋至電網(wǎng)，即構(gòu)成“一拖多”轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)[7-8]，見圖1。

圖1 “一拖多”轉(zhuǎn)子變頻技術(shù)原理

“一拖多”轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)所控制的電動(dòng)機(jī)均可單獨(dú)實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，負(fù)載可同可異，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速因各自工況自動(dòng)調(diào)整，滿足不同工況下的運(yùn)行需要。

2 注水站應(yīng)用情況

某注水站設(shè)計(jì)規(guī)模1000 m3/d，系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力25 MPa。站內(nèi)共有五柱塞注水泵3臺(tái)（配200 kW繞線式電動(dòng)機(jī)3臺(tái)），注水泵排量24 m3/h，配注量603 m3/d。

2.1 啟動(dòng)沖擊電流測試

將注水泵先停機(jī)，調(diào)節(jié)回流閥穩(wěn)住管線壓力至試驗(yàn)值時(shí)啟動(dòng)轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)，監(jiān)測該壓力下電動(dòng)機(jī)定子電流峰值，計(jì)算出啟動(dòng)沖擊負(fù)荷大?。ū?）。

表2 負(fù)荷與電流關(guān)系

測試表明，轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速設(shè)備在0～15 MPa各種壓力下直接啟泵，電動(dòng)機(jī)沖擊電流均低于電動(dòng)機(jī)額定電流374 A，在系統(tǒng)正常運(yùn)行范圍內(nèi)。

2.2 轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速運(yùn)行

測試空載和重載工況下，轉(zhuǎn)子變頻占空比（其工作時(shí)間與總周期時(shí)間的比值）和注水泵電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系如表3所示。

測試表明，轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)具有較好的調(diào)速性能，隨著占空比的增加，注水泵轉(zhuǎn)速隨之增加，注水泵流量隨之增加。

2.3 關(guān)回流變頻運(yùn)行

由于注水站配注量小于單泵額定排量，注水泵在工頻下需要開回流注水才能滿足工況要求。測試工頻開回流工況下，泵出口流量23.02 m3/h，分水器壓力20.42 MPa。

將轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)換至變頻模式，關(guān)閉回流閥。當(dāng)轉(zhuǎn)子變頻運(yùn)行至67%占空比時(shí)，分水器壓力穩(wěn)定在21 MPa，達(dá)到工況要求。

對比試驗(yàn)表明，應(yīng)用轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)通過調(diào)整占空比大小能夠較好地實(shí)現(xiàn)注水站關(guān)回流注水。

2.4 轉(zhuǎn)子變頻關(guān)回流注水節(jié)能跟蹤

對轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)的節(jié)能效果進(jìn)行了測試。變頻關(guān)回流穩(wěn)壓注水的輸入功率比工頻開回流穩(wěn)壓注水低41 kW，減少了注水泵打回流造成的電能浪費(fèi)，有功節(jié)電率在20%以上。測試數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 工頻與變頻注水能耗對比

經(jīng)過2011年11月至2012年12月一年時(shí)間的連續(xù)跟蹤，該站“一拖多”轉(zhuǎn)子變頻系統(tǒng)累計(jì)實(shí)現(xiàn)關(guān)回流注水節(jié)電63.3×104kWh，節(jié)約電費(fèi)約36.7萬元，平均每天節(jié)電約1499 kWh，有功節(jié)電率25%。目前，該站每天節(jié)電2850 kWh左右，關(guān)回流注水節(jié)能效果顯著。

2.5 自動(dòng)穩(wěn)壓注水效果跟蹤

“一拖多”轉(zhuǎn)子變頻控制系統(tǒng)通過對注水泵的出口壓力進(jìn)行監(jiān)測跟蹤，自動(dòng)調(diào)整轉(zhuǎn)子變頻運(yùn)行參數(shù)，自動(dòng)平衡分水器壓力和注水排量。結(jié)果表明：轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)注水壓力在工況設(shè)定壓力22 MPa時(shí)，上下波動(dòng)幅值小、精度高，穩(wěn)壓效果較好，為精細(xì)注水、分層注水提供了有力保障，詳情見圖2。

2.6 轉(zhuǎn)子變頻系統(tǒng)的諧波影響

諧波會(huì)對電動(dòng)機(jī)造成附加發(fā)熱使電動(dòng)機(jī)額外升溫，產(chǎn)生機(jī)械震動(dòng)等危害。轉(zhuǎn)子變頻系統(tǒng)通過電抗器對變頻調(diào)速過程中產(chǎn)生的諧波進(jìn)行濾波，再將處理后的電能通過逆變器回饋至電網(wǎng)。在現(xiàn)場對使用轉(zhuǎn)子變頻系統(tǒng)前后的諧波含量進(jìn)行了檢測。結(jié)果表明：未使用轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，電網(wǎng)的諧波含量最高達(dá)3.88%；使用后，電網(wǎng)的諧波含量在3.4%內(nèi)，說明了“一拖多”轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)具有良好的濾波能力，符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，能滿足油田注水生產(chǎn)的需要[9-10]。

圖2 轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行壓力波動(dòng)曲線跟蹤

2.7 應(yīng)用效果

注水泵自動(dòng)穩(wěn)壓關(guān)回流運(yùn)行，注水井的配注量與注水泵供給的注水量自動(dòng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡，管線壓力波動(dòng)、運(yùn)行震動(dòng)和運(yùn)行噪音變小，有效延長了注水管線、注水泵運(yùn)動(dòng)部件和密封部件的使用壽命，年節(jié)省閥門維修更換費(fèi)用約2萬元，提高了注水效率，減少了運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。

3 結(jié)論

1）轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)低速范圍大，較好地適應(yīng)了油田注水泵低排量工況注水要求，實(shí)現(xiàn)了配注量與注水泵排量的動(dòng)態(tài)平衡，有效解決注水井欠注、超注等問題的發(fā)生，關(guān)回流注水節(jié)能效果顯著。

2）實(shí)現(xiàn)自動(dòng)穩(wěn)壓注水，無需卸載帶壓啟泵功能實(shí)用，簡化油田注水站工作工序，減少了工人頻繁操作回流閥門的勞動(dòng)強(qiáng)度和安全風(fēng)險(xiǎn)，提高了注水效率和管理水平。

3）轉(zhuǎn)子變頻控制設(shè)備與注水站分水器壓力數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)，根據(jù)壓力變化情況自動(dòng)調(diào)節(jié)注水泵電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，注水系統(tǒng)壓力波動(dòng)范圍小，實(shí)現(xiàn)了區(qū)塊恒壓平穩(wěn)注水，延長了注水系統(tǒng)設(shè)備、設(shè)施使用壽命。

4）“一拖多”轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)滿足油田高效注水、精細(xì)注水和節(jié)能注水要求，適應(yīng)油田注水多變工況，節(jié)能效果顯著，管理和經(jīng)濟(jì)效益可觀，具備較好的推廣應(yīng)用前景。

[1]張敬.變頻調(diào)速技術(shù)在油田的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景分析[J].江漢石油科技，2006（2）：48-52.

[2]李彥璋，謝龍吉.變頻器在油田注水系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電工技術(shù)雜志，2001（11）：17-18.

[3]趙相賓，年培新.談我國變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J].電氣傳動(dòng)，2000，30（2）：3-6.

[4]江明，王偉.變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展概況及趨勢[J].安徽工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，17（4）：73-77.

[5]朱麗華.高壓變頻技術(shù)在油田注水系統(tǒng)的應(yīng)用分析[J].工業(yè)，2016（2）：18.

[6]王海文，王一平，馮明華，等.高壓變頻技術(shù)在油田注水系統(tǒng)中的應(yīng)用與節(jié)能分析[J].石油工程建設(shè)，2006（3）：28-30.

[7]吳大軍，陳照弟.變頻調(diào)速給水節(jié)能效果分析[J].節(jié)能技術(shù)，2000（2）：13-14.

[8]武永鋒.高壓變頻器“一變多控”技術(shù)在海上油田注水系統(tǒng)的應(yīng)用[J].石油石化節(jié)能，2013（5）：21-23.

[9]宋明福，魏立軍，等.注水泵變頻技術(shù)在管網(wǎng)仿真分析中的應(yīng)用[J].中國石油和化工，2011（5）：50-52.

[10]佟松林，金春玲.高壓變頻技術(shù)在油田注水系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].石油石化節(jié)能，2014（10）：16.

2017-05-17

（編輯 李發(fā)榮）

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.10.004

趙大慶，工程師，2009年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京）（油氣井工程專業(yè)），從事油田地面設(shè)計(jì)和研究工作，E-mail：zdq1_cq@petrochina.com.cn，地址：陜西省西安市未央路151#鳳城四路長慶大廈，710018。