劉 鵬，邢 菲，孫曉松，閻 磊，宋 健

（中國(guó)石油渤海石油裝備制造有限公司鉆井裝備公司工業(yè)泵制造廠，天津 300280）

0 引言

注水是油田開(kāi)發(fā)中普遍采用的保持地層壓力的重要措施，油田注水系統(tǒng)耗電量巨大，國(guó)內(nèi)各大油田注水系統(tǒng)普遍存在高能耗問(wèn)題。我國(guó)油田注水系統(tǒng)注水泵運(yùn)行效率平均為72.1%，國(guó)內(nèi)注水單耗平均為6.94 kW·h/m3，國(guó)外為5.6～6.0 kW·h/m3。與國(guó)外注水系統(tǒng)效率相比，我國(guó)注水系統(tǒng)效率有很大差距。在油田開(kāi)采作業(yè)中，注水耗電約占油田總用電量的33%～56%，因此，提高油田生產(chǎn)效益的重要舉措，是提高注水泵運(yùn)行效率。我國(guó)油田注水系統(tǒng)注水泵普遍存在老舊型號(hào)占比大、泵特性改變、自動(dòng)化程度低的問(wèn)題。且油田注水系統(tǒng)注水泵大部分為離心泵，高效區(qū)范圍狹窄，泵組運(yùn)行效率普遍低于70%。為降低油田注水系統(tǒng)能耗，需找出能耗高的關(guān)鍵原因并進(jìn)行改造，如針對(duì)系統(tǒng)注水波動(dòng)大、系統(tǒng)監(jiān)控效率低的問(wèn)題，可建立自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)。在節(jié)能降耗技術(shù)中，大功率變頻技術(shù)門(mén)檻較高，隨著科技水平的提高，國(guó)產(chǎn)大功率高壓變頻技術(shù)取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。在生產(chǎn)實(shí)踐中，應(yīng)用高壓變頻技術(shù)需要解決功率器件并聯(lián)、環(huán)境冷卻等技術(shù)問(wèn)題。

1 高壓變頻器工作原理

變頻器是目前節(jié)能控制效果最好的電氣設(shè)備。變頻控制技術(shù)調(diào)速性能好，輸出頻率0～400 Hz，水泵風(fēng)機(jī)調(diào)速精度高達(dá)0.1%，矢量控制精度達(dá)0.01%，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，正逐步取代直流調(diào)速，串級(jí)調(diào)速等調(diào)速方法；變頻控制技術(shù)具有良好的節(jié)能功能，節(jié)電取決于負(fù)載類(lèi)型及節(jié)電方法。油田將注水變頻控制技術(shù)列入最新節(jié)能技術(shù)推廣指導(dǎo)項(xiàng)目，對(duì)優(yōu)化油田注水生產(chǎn)工藝，降低油田開(kāi)發(fā)成本具有重要意義。

在油田生產(chǎn)中，高壓注水系統(tǒng)電機(jī)大馬拉小車(chē)現(xiàn)象普遍存在，需靠控制泵出口高壓回流閥門(mén)開(kāi)度保證注水管網(wǎng)壓力，由于泵壓較高，對(duì)管道使用不利。安裝高壓變頻調(diào)速裝置，可自動(dòng)調(diào)節(jié)注水量，降低機(jī)組損耗。JD-BP37 系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)由移相變壓器與功率單元組成，每8 個(gè)功率單元串聯(lián)成一相，為基本交—直—交單相逆變電路，功率單元結(jié)構(gòu)原理見(jiàn)圖1，通過(guò)對(duì)IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管）逆邊橋進(jìn)行正弦PWM（Pulse width modulation，脈沖寬度調(diào)制）控制，如果某單元發(fā)生故障，輸出端自動(dòng)短路，輸入側(cè)由移相變壓器為單元供電，1/8 相電壓，24 個(gè)單元在變壓器上有獨(dú)立三相輸入繞組，二次繞組采用延邊三角形接法，分成三相位組，構(gòu)成18 脈沖整流方式。多級(jí)移相疊加整流方式可改變網(wǎng)側(cè)電流波形，由于變壓器一次繞組具有獨(dú)立性，便于采用現(xiàn)有成熟技術(shù)。

圖1 功率單元結(jié)構(gòu)原理

控制器核心由高速16 位單片機(jī)運(yùn)算實(shí)現(xiàn)。工控PC 機(jī)提供全中文Windows 監(jiān)控界面，控制器用于柜體內(nèi)開(kāi)關(guān)信號(hào)邏輯處理，與現(xiàn)場(chǎng)操作信號(hào)協(xié)調(diào)?？刂破鞑捎? 位單片機(jī)等大規(guī)模集成電路，CPU 為8 位單片機(jī)。功率單元采用多通道光纖通信技術(shù)，系統(tǒng)具有很高的安全性，各功率單元控制電源采用獨(dú)立高壓系統(tǒng)統(tǒng)一控制器，增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性?？刂破饔歇?dú)立高壓電源供電體系，設(shè)備各點(diǎn)波形與加高壓情況相似，為調(diào)試帶來(lái)方便。

2 變頻器損耗及變頻調(diào)速原理

變頻器損耗由電力半導(dǎo)體器件通態(tài)開(kāi)關(guān)損耗組成，器件一定的條件下，負(fù)載電流對(duì)損耗起到?jīng)Q定作用。風(fēng)機(jī)泵類(lèi)負(fù)載轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速平方關(guān)系變化，變頻器損耗與輸出頻率相關(guān)，難以從理論上得到二者精確的關(guān)系式，通過(guò)數(shù)據(jù)擬合可建立損耗與頻率的關(guān)系：△Pv=Pvin-Pvout=Pvout（1-ηv/ηv）,ηv=Pvout/Pvin。其中，效率ηv，輸出有功功率Pvout，輸入功率Pvin，變頻器損耗△Pv。Pvout為變頻電機(jī)輸入功率，Pvout減去損耗為水泵軸功率。

變頻器效率與頻率關(guān)系復(fù)雜。注水泵組電機(jī)為大型異步電動(dòng)機(jī)，變頻調(diào)速是水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的主要實(shí)現(xiàn)方式，電機(jī)進(jìn)行交頻運(yùn)行，效率特性與電源頻率的關(guān)系式為：n=n1（1-s）=60f1/pn（1-s），其中s 是電機(jī)轉(zhuǎn)差率；n1為同步轉(zhuǎn)速；pn 是電機(jī)極對(duì)數(shù)；f1是定子電源頻率。油田注水泵站在一定條件下按投資運(yùn)行費(fèi)用最省原則優(yōu)化設(shè)計(jì)，按照某工藝條件優(yōu)化設(shè)計(jì)的系統(tǒng)經(jīng)歷一段時(shí)期后工藝條件發(fā)生變化，如何保持對(duì)泵站節(jié)能優(yōu)化控制是值得研究的問(wèn)題。已建泵站注水系統(tǒng)能耗占油田能耗重要比例，有效降低其能耗是生產(chǎn)中節(jié)能降耗的關(guān)鍵。

根據(jù)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)油田地面注水系統(tǒng)效率測(cè)試方法，泵站注水效率ηs=ηvηeηpηg，其中，ηv為變頻器效率，ηe為管道效率，ηp為水泵效率，ηg為泵出口到匯管段平均效率。泵站現(xiàn)場(chǎng)效率測(cè)量頻繁，需簡(jiǎn)化取值使其適合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，常用計(jì)算方法是投入產(chǎn)出法。表征能量的有反映主水管網(wǎng)中介質(zhì)狀態(tài)溫度參數(shù)T，水溫特性可由工程摩阻損失機(jī)計(jì)算，計(jì)算得出溫度對(duì)能量影響可忽略。

3 變頻器控制技術(shù)方案的選擇

3 臺(tái)4WSH（120-150）/300/YB160kW 型注水泵，電機(jī)額定功率160 kW，額定排量58 m3/h，日注水量5430 m3。KD18號(hào)注水泵站在黃河口自然保護(hù)區(qū)，日常輸電成本高，應(yīng)用變頻節(jié)能控制技術(shù)降低采油成本非常必要。原注水泵電機(jī)采用自耦降壓?jiǎn)?dòng)器控制，運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定后注水泵長(zhǎng)期24 h 工作，耗費(fèi)大量電能。對(duì)此，實(shí)施變頻節(jié)能技術(shù)改造，以達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

節(jié)能方案：選用富士P11 系列恒壓供水專(zhuān)用變頻器，設(shè)計(jì)采用先進(jìn)功率模塊，輸入電壓范圍允許額定電壓20%波動(dòng)，降低電壓波動(dòng)對(duì)變頻器控制功能的影響，使注水泵構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，性能良好，具有較高的產(chǎn)品性?xún)r(jià)比。泵站共有6 臺(tái)注水泵，4#、5#、6#泵功率315 kW，1#、2#、3#泵160 kW，額定電壓380 V，額定頻率50 Hz，其中4 臺(tái)工作2 臺(tái)備用。采用變頻器調(diào)速進(jìn)行恒壓供水有兩套方案，采用一控二變頻控制方案為1#、2#、3#泵為一組，一臺(tái)變頻器控制兩臺(tái)泵；4#、5#、6#泵為一組，一臺(tái)變頻器控制兩臺(tái)泵。用水量少時(shí)變頻器控制1#泵，用水量增加，1#泵工作頻率達(dá)50 Hz，電機(jī)切換成工頻電源供電；用水量減少，2#泵工作頻率降為下限頻率，關(guān)掉1#泵進(jìn)行恒壓控制。

該方案的特點(diǎn)是只需功率160 kW 變頻器1 臺(tái)，但會(huì)出現(xiàn)供水系統(tǒng)切換狀態(tài)。可將供水壓力設(shè)定一定范圍。以160 kW 變頻器為例，160 kW 拖動(dòng)電機(jī)容量為Pmm=160 kW，泵空載損耗PO=0.1×160 kW=16 kW，1#泵全速，平均取用功率160 kW；2#泵轉(zhuǎn)速為40%，平均取用功率80 kW，取用總平均功率為240 kW。

采用一控一變頻控制技術(shù)方案為1#、2#、3#泵為一組，二臺(tái)變頻器控制二臺(tái)泵，4#、5#、6#泵為一組，備用一臺(tái)，控制在用電機(jī)，需要60 kW 變頻器2 臺(tái)。以160 kW 變頻器為例計(jì)算運(yùn)行節(jié)能效果，每日供水流量為140%額定流量，每臺(tái)供水流量為70%額定流量，每臺(tái)電機(jī)取用電功率為128 kW，采用一控二變頻控制技術(shù)方案節(jié)約電量16 kW，因此采用一控二變頻控制方案。

4 注水泵高壓變頻器應(yīng)用效果分析

變頻器品牌選定后設(shè)計(jì)電路，用戶(hù)要求315 kW 變頻器閉環(huán)控制4#、5#、6#注水泵，用軟啟動(dòng)控制啟停，可1 d 內(nèi)排除故障，可啟用備用泵，二次控制線(xiàn)路注水泵壓力給定量由1-3K 電位給定，變頻器啟停由FWD，COM 端子組成三線(xiàn)式運(yùn)轉(zhuǎn)模式，PM接出0～10 V 直流電壓表觀察變頻器輸出頻率，U、V、W 為變頻器輸出，接時(shí)注意進(jìn)出電源不能接反。

根據(jù)變頻器使用說(shuō)明要求，設(shè)置參數(shù)有電機(jī)工作參數(shù)、控制端子控制設(shè)定、禁止變頻器反向運(yùn)轉(zhuǎn)、模擬電壓給定、比例積分設(shè)定等參數(shù)。設(shè)置完畢后檢查確認(rèn)無(wú)誤，檢查電機(jī)接線(xiàn)是否正確。應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)后，4#高壓注水泵電機(jī)平均輸出電流頻率為40.4 Hz。1#高壓注水泵單位壓力下，變頻運(yùn)行電流為95 A，單位壓力電流下降，系統(tǒng)效率提高，泵效下降正常，電機(jī)與泵不能在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行，泵效下降，2 臺(tái)泵節(jié)電效率達(dá)20%。變頻調(diào)速技術(shù)在高壓注水站應(yīng)用效果良好。表1 為KD18 號(hào)注水站變頻器應(yīng)用前后對(duì)比。

表1 KD18 號(hào)注水站變頻器應(yīng)用前后對(duì)比

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)存在的問(wèn)題，系統(tǒng)改造需減少排量損失，滿(mǎn)足注水壓力基礎(chǔ)上減少外管壓差。系統(tǒng)優(yōu)化從動(dòng)能勢(shì)能入手，提高系統(tǒng)效率。系統(tǒng)閉環(huán)控制對(duì)運(yùn)行注水泵進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控，采集傳輸注水泵運(yùn)行參數(shù)：電機(jī)電流I、注水站出口干壓P干、平均單耗等，將控制參數(shù)參數(shù)與期望值特性曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比。注水站干壓是系統(tǒng)所需監(jiān)測(cè)的主要參數(shù)，系統(tǒng)在泵出口管線(xiàn)安裝壓力傳感器，將其差值送往參數(shù)調(diào)節(jié)器進(jìn)行比例運(yùn)算。在泵入口管線(xiàn)安裝流量計(jì)，PLC 根據(jù)接收PID 整定信號(hào)，自動(dòng)調(diào)整變頻器輸出頻率。

泵的功率變化與轉(zhuǎn)速的三次方正成比，變頻調(diào)速是通過(guò)變頻器改變電源頻率控制泵的轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)通過(guò)高壓變頻裝置改造，泵在高效區(qū)運(yùn)行下滿(mǎn)足系統(tǒng)注水量，降低系統(tǒng)單耗。系統(tǒng)改造后注水單耗降低0.2～0.4 kW·h/m3，注水量平均為4100 m3/d，每年節(jié)約電費(fèi)22.4 萬(wàn)元。每日注水量4100 m3，由于要求注水量波動(dòng)大，實(shí)施高壓變頻改造，根據(jù)站外要求水量調(diào)整站內(nèi)泵運(yùn)行，使之與要求注水量一致。注水量3600 m3/d，泵能力大于要求水量，要求注5500 m3/d，開(kāi)2 臺(tái)泵多注2220 m3/d 水，根據(jù)站內(nèi)運(yùn)行情況推算，每天多注水1600 m3，按每度電費(fèi)0.5 元計(jì)，通過(guò)高壓變頻調(diào)節(jié)后年電費(fèi)為85.2 萬(wàn)元。

2#注水泵電機(jī)安裝變頻器后注水單耗下降到5.38 kW·h/m3，節(jié)電率43.88%，考慮注水量各方面要求的影響，節(jié)電率與計(jì)算值不同，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況，節(jié)電效果差異不大。高壓變頻器運(yùn)行平穩(wěn)，簡(jiǎn)便實(shí)用，改善人員工作環(huán)境，大大降低維修費(fèi)用，安裝后帶來(lái)顯著經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語(yǔ)

高壓注水泵應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)取得良好綜合效益，體現(xiàn)在節(jié)電效果顯著、噪聲明顯下降、電氣維修量降低。系統(tǒng)經(jīng)5年運(yùn)行，變頻器運(yùn)行穩(wěn)定、節(jié)能效果明顯。注水機(jī)組系統(tǒng)效率提高到71.23%，機(jī)組系統(tǒng)年均節(jié)電量達(dá)21.98 萬(wàn)kW·h，每年直接節(jié)省電費(fèi)14.29 萬(wàn)元。降低高壓注水泵噪聲污染，可減少職業(yè)危害。使用變頻調(diào)速技術(shù)后，減少設(shè)備維修費(fèi)用。閉環(huán)控制變速調(diào)頻技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)軟啟動(dòng)功能，減少了設(shè)備損耗。