高压变频器在东营东辛采油厂柱塞水泵上的应用

1 引言

油田注水是油田中期保持高效稳产的有力措施。其方法就是通过注水，进而恢复甚至增大地层压力，使地层流体压力大于井筒内静液压力，从而达到开采出油气的目的。由于油田每个区块注水量随开采状况的变化需要经常调整，油田注水主要是通过调节注水泵的回流量来实现，在传统的方式下，为了满足配注需求，大部分注水站都存在额定流量与实际流量不相匹配的问题(一般额定流量大于实际流量)，而注水泵电机的额定转速基本保持不变，油田采用的注水泵电机大多是大功率电动机，电动机长期处于高耗能状态运行，采用变频调速装置对油田注水泵用电动机进行变速调节，实现注水泵变水量控制是一项非常有效的节能措施。

2 东营油田目前注水系统的现状

东营油田经过20多年的高速开发，已逐渐步入特高含水开发。原油产量逐年递减，采出液综合含水高达90％以上，主要以注水方式保持地层能量。一方面，注水压力的高低是决定油田合理开发和配套地面管线及设备的重要参数。注水压力低，注水量满足不了油田开发的需要，必然会造成油层压力下降；注水压力过高，浪费动力，也造成超注，导致水淹，水窜；注水压力控制难度大，也给油田生产和管理带来诸多不便，因而要求注水压力恒定。另一方面，由于储油地层的压力及油气分布不断在发生变化，其数值很难准确预测和控制，考虑到油田开发中的需要，在机电设备的配置上都按照油田最大可能的需求来设计，这一点在注水系统的设计当中显得尤为突出。同时注水系统是采油厂的耗电大户，耗电量占整个生产的40％～60％。另外多数采用异步电动机直接驱动的方式运行，存在着启动瞬间电流较大、机械冲击、电气保护特性差等缺点，不仅影响设备使用寿命，而且当负载出现机械故障时不能瞬间动作保护设备，时常出现泵损坏同时电机也被烧毁的现象。因此，降低注水系统费用是油田注水面临的重大问题。

东营东辛采油厂辛五注水站共有7台注水泵。目前，注水站注水泵机组组合为DF140-150×10两台（2#、3#），3DW-80/16一台（1#），5DW-150/16两台（5#、7#）。日常开5#、7#为主，投运的5DW-150/16型注水泵，匹配电机型号为YSK-5001-6的 710kW/6kV异步电动机。

注水泵经常根据不同的生产需求采用调整进出口闸门、回流阀、截止阀等节流设备进行流量、压力、水位等信号的控制，即靠改变管网特性曲线来调节泵的排量，泵、电机匹配难以达到在泵的最佳工况点运行．管网效率低，电能损失较高这样，不仅造成大量的能源浪费，管路，阀门等密封性能的破坏，还加速了泵腔、阀体的磨损和汽蚀，影响了生产。

通过综合调研和考虑，认为对注水泵进行变频调速，是较好的节能方案，也是减少注水泵损耗的有效手段。多方比较后公司领导决定选用山东新风光电子公司生产的JD-BP37-900F（900kW/6kV）型高压变频器，对5#、7#泵进行变频控制，改造取得了成功。

3 柱塞泵工艺工况及主电机参数介绍

此负载为对置式大流量往复柱塞泵，柱塞泵构造采用两侧对置式活塞，一侧分别分布五个活塞，采用双管线对井下注水的方式，对各自的输出管线打压，以实现设备的利用率。在启动前首先打开环流阀，使水压降低以减小启动电流，然后等待泵速全速运行后再关闭环流阀，输出管线压力驱使输出单向阀打开，压力升至所需压力后，将水打到几千米的井下。柱塞泵结构示意图如图1所示。

工频启动时电流过大，并且对柱塞活塞及各器件造成很大的冲击，给维修维护的工作量大大的增加了，并造成成本的增加。

5#、7#柱塞泵机组的基本参数如表1所示：

4 变频改造控制方案

4.1 变频器改造主回路 

东营东辛采油四矿的注水柱塞泵采用山东新风光电子公司生产的高压变频器双进双出一拖二控制系统。改造主回路如图2所示，图中K1、K1’、K2、K2’为高压隔离闸刀，K1与K1’之间有电磁互锁，K2与K2’之间有电磁互锁。KM5为7#电机工频接触器，KM6为5#电机工频接触器。7#电机工频接触器 KM5与KM3接触器实现互锁，5#电机工频接触器KM6与KM4接触器实现互锁。KM1、KM2为变频上电瞬间实现限流电阻切换时所用，正常运行时 KM1处于一直吸合状态。

7#电机变频运行时，K1、K2、KM3闭合，K2、K2、KM4’断开，KM5断开。变频上电后，通过内部程序KM2会自动吸合将限流电阻引入主回路以消除大电流冲击，上电3s后，KM1吸合，1s后KM2断开，变频器处于待机状态可以根据情况投入运行。变频启动后工频/变频手自动转换旋钮打到自动位置，电机转速达到50Hz后，按转工频按钮变频器自动断开KM3接触器，然后自动吸合KM5接触器实现自动切换到工频运行，实现7#柱塞泵的软启动控制。同理5#电机变软起运行控制过程类似。

正常运行时，5#、7#柱塞泵机组一工频一变频运行，5#、7#柱塞泵机组均可以实现工频、变频运行状态。当选择5#柱塞泵工频、7#柱塞泵变频运行时，高压变频器首先拖动5#变频软启动，将变频启动后工频/变频手自动转换旋钮打到自动位置，待电机转速达到50Hz后，变频器将5#电机转到工频运行；然后高压变频器再拖动7#柱塞泵变频启动，控制水泵运行，通过压力变送器自动调节变频器的频率调整压力大小。也可以通过变频器先启动7#电机后自动切换到工频运行，再启动5#电机变频运行，以实现一拖二变频器控制功能。

当高压变频器出现故障时，柱塞水泵将自动转到工频运行，保证油田注水的正常。

4.2 风光JD-BP37-900F高压变频器技术参数

5 现场情况和节能效果统计

5.1 现场的系统构成

针对现场存在的问题，系统优化改造主要需解决两方面的问题：第一，在满足系统配注水量的基础上尽可能减少排量损失；第二，在满足注水压力的前提下尽可能减少泵管压差，即减少压力损失。系统优化拟从动能和势能两方面同时入手，尽可能降低能耗、提高系统效率。 

现场系统构成框图如图3所示。系统闭环控制过程如下：由智能压力变送器对各运行注水泵进行实时数据监控和处理，即采集和传输注水泵、站的运行参数，如：泵的排量Q单、电机电流I、泵进、出口压力P泵，注水站出口干压P干、总排量Q总、平均单耗等，并将这些控制参数（Q单、I、P泵、P干、Q总）与其期望值及泵本身的特性曲线进行对比和优化计算。其中，注水站干压和总流量是系统所需监测和控制的两个最主要参数。本系统中，一方面在泵出口管线上安装一只高可靠性压力变送器，将实测的压力信号与系统的配注压力（期望值）相比，并将其差值送往过程参数调节器（PID）进行比例和积分运算，最后将输出结果送给可编程控制器（PLC）；另一方面在泵入口管线上安装一只流量计，用于监测系统实际总流量，将该值与系统配注量的差值再进行一次PID整定，最后将输出结果送给 PLC。PLC根据所接收的两个PID整定信号，利用模糊推理的方法，在满足系统干压的前提下，系统及时自动调整高压变频器的输出频率从而控制变频泵的转速。由柱塞泵原理知，泵转速的变化可引起相应的排量变化，通过频率的变化以达到期望的排量值。通过上述闭环控制，使系统的实际压力和排量与系统的配注压力和配注量相接近。系统设计为闭环控制系统，流量和压力为系统的两个主要参数，将系统实测的流量和压力信号与地质要求的流量和压力（期望值）进行双PID调节；通过模糊推理的方法自动寻优控制，根据推理结果，系统及时自动调整高压变频器的输出，并自动计算出变频器的最佳运行频率。

5.2 实际节电效果

该变频器于2011年12月在东辛采油四矿注水电机安装正式运行，每天一般注水量6000m3/d，平均泵压15MPa、干压14.5MPa，使用变频器前后的耗电情况月统计如图4所示，注水单耗如图5所示：

由图4、图5可以看出，不考虑其它方面的影响，柱塞泵电机安装变频器前后的注水单耗从5.78kW∙.h/m3下降到4.47kW∙.h/m3。节电率计算如下：

节电率=（安装前耗电-安装后耗电）/安装前耗电×100﹪

=(1112352-809424)/1112352×100﹪

=27.2%。

2012年，按照辛五注水站当前运行情况，全年预计注水量230×104m3，变频改造后可节约电量400×104kW∙h，每kW∙h按照0.625元计算，预计全年节约电费265万元。

考虑到注水量各方面条件的影响，实际的节电率与计算值有所不同，但根据现场的运行情况来看，不会有太大的出入，总体的节电效果不会改变的。

6 结束语

油田的注水系统非常多，通过使用变频装置，不但节约了电能，提高系统自动化运行程度，减小设备的磨损，也可自动根据需求量调节转速，减少了人员的劳动强度，而且注水泵的运行参数得以改进，系统效率大为提高。变频调速技术作为一种高新技术和节能技术，在企业的工业生产以及人们的常生活中已经得到了广泛的应用，随着其工艺技术的进一步成熟，将为采油厂及油田的节能降耗工作带来更加积极的作用。

参考文献

[1]山东新风光电子使用手册[Z]山东新风光电子科技发展有限公司