注水泵矢量控制消回流技術(shù)研究*

馮建設(shè) 郭煜鍇 程顥 鄭剛

1中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院

2低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室

3中國石油長慶油田分公司技術(shù)監(jiān)測中心

長慶油田具有“低滲、低孔、低豐度”等特性，采用注水開發(fā)。長慶油田注水井具有配注量小、壓力高等特點，采用柱塞泵進(jìn)行增壓。注水泵啟動時需要泄壓操作，運行時需要開啟回流閥來調(diào)整注水壓力滿足注水井要求，導(dǎo)致注水站存在較大回流，造成能源浪費。為提高注水站系統(tǒng)效率，降低站內(nèi)回流，國內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了大量研究。劉晴[1]、閆娟等人[2]針對注水站工況，開展了注水站自控及能耗分析研究，實現(xiàn)對注水站壓力及能耗數(shù)據(jù)監(jiān)控。張兆彥等人[3]、鄧小飛等人[4]開展了高壓注水泵變頻技術(shù)研究，這些研究是針對東部油田采用的離心泵工況，與柱塞泵工況存在較大差異，啟動時也需要打回流泄壓啟動。田元吉等人[5]、楊蕓等人[6]進(jìn)行了注水泵“一拖多”轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速試驗，實現(xiàn)了柱塞泵關(guān)回流帶壓啟泵。但該技術(shù)需要將原拖動鼠籠式電動機更換為繞線式電動機，電動機及控制系統(tǒng)相對復(fù)雜，改造工作量大、成本高。

為消除注水站站內(nèi)回流、降低注水站運行和維護(hù)成本，在綜合分析常規(guī)變頻及“一拖多”變頻調(diào)速優(yōu)缺點基礎(chǔ)上，設(shè)計了高壓注水泵矢量變頻全閉環(huán)控制系統(tǒng)[7]，并在長慶油田鐵一聯(lián)等站點進(jìn)行現(xiàn)場試驗，實現(xiàn)了注水泵在啟動及運行過程中關(guān)閉回流閥門密閉注水。

1 注水站回流的產(chǎn)生

長慶油田目前共有1 500臺注水泵，平均注水壓力為16.1 MPa，日注水量約30×104m3，日回流量約4.8×104m3，占總注水量16.0%，能量損失嚴(yán)重。

1.1 啟泵過程回流

注水泵電動機額定功率為90～315 kW，由于注水壓力高、電動機功率大，需要打開站內(nèi)回流閥泄掉管線壓力，同時必須采用軟啟動減少啟動電流對電網(wǎng)及設(shè)備的沖擊。注水站注水流程如圖1所示。

圖1 注水站注水流程示意圖Fig.1 Water injection flow diagram of water injection station

1.2 運行過程回流

受地層吸水狀況、注水泵效下降、動態(tài)調(diào)配等因素影響，泵排量與配注量往往不匹配，產(chǎn)生回流。部分注水泵采用軟啟動工頻運行，需要調(diào)節(jié)回流閥來調(diào)整注水壓力及注水量；部分注水站雖然安裝變頻裝置，但沒有實現(xiàn)閉環(huán)控制，不能自動調(diào)節(jié)注水壓力來滿足配注要求，回流不能完全關(guān)閉；變頻調(diào)速裝置與普通鼠籠式電動機適配性差，電動機在低頻下發(fā)熱嚴(yán)重，限制了變頻器調(diào)速范圍。一般電動機不能在低于35 Hz下長期運轉(zhuǎn)，變頻時諧波及高次脈沖增加了電動機溫度，一般上升5～10℃，故電動機故障多。

2 技術(shù)原理

實現(xiàn)注水泵帶載荷啟動，要求電動機啟動轉(zhuǎn)矩大、過載能力強。各電動機及控制方式特點如表1所示。

通過對鼠籠電動機進(jìn)行矢量控制，可以達(dá)到類似直流電動機調(diào)速特點，實現(xiàn)注水泵帶載荷啟動，消除啟動過程回流。

2.1 矢量控制原理

通過坐標(biāo)變換可以把異步電動機等效為直流電動機，模仿直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量；經(jīng)過坐標(biāo)反變換控制異步電動機，使交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)、動態(tài)性能達(dá)到直流調(diào)速系統(tǒng)性能[8]，如圖2所示。

圖2 矢量控制系統(tǒng)示意圖Fig.2 Diagram of vector control system

矢量坐標(biāo)變換將三相耦合的交流系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)榛ハ啻怪钡膬上嘀绷鞅豢亓浚謩e控制電動機的磁場(iM)和轉(zhuǎn)矩(iT)，達(dá)到類似直流電動機的特性，如圖3所示。

式中：iA、iB、iC為電動機三相對稱繞組的交流電流，A； iα、iβ為靜止坐標(biāo)系兩相交流電流，A；iM、iT為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系兩相直流電流，A。

表1 電動機調(diào)速系統(tǒng)對比優(yōu)選Tab.1 Comparison and optimization of motor speed control system

采用矢量控制的變頻器啟動轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到200%額定輸出轉(zhuǎn)矩，且在低頻狀態(tài)下表現(xiàn)出高轉(zhuǎn)矩輸出特點，實現(xiàn)低速大轉(zhuǎn)矩的特性。

圖3 矢量變換示意圖Fig.3 Vector transformation diagram

2.2 壓力閉環(huán)控制

將注水壓力信號傳至變頻柜的控制器，將實時壓力值與目標(biāo)值進(jìn)行閉環(huán)PID計算處理，將壓力差值轉(zhuǎn)換成頻率命令，實現(xiàn)變頻器對注水泵自動調(diào)節(jié)，保證注水泵自動穩(wěn)壓注水（圖4）。

圖4 自動注水系統(tǒng)閉環(huán)控制示意圖Fig.4 Diagram of automatic water injection system closed-loop control

2.3 電動機改造技術(shù)

為降低注水泵拖動電動機在低頻下的溫度和故障，在電動機尾端增加1個獨立風(fēng)扇，且風(fēng)扇的運轉(zhuǎn)由變頻器頻率控制，一般頻率低于40 Hz時開啟獨立風(fēng)扇；在電動機進(jìn)線上安裝合適的電抗器，減少諧波和高次脈沖對電動機的沖擊及溫度的影響，從而提高普通電動機與變頻系統(tǒng)的適配性。

3 現(xiàn)場試驗及效果

目前該技術(shù)在長慶油田采油三廠的鐵一聯(lián)進(jìn)行先導(dǎo)試驗，在吳二聯(lián)、吳一供、靖一注和油六轉(zhuǎn)進(jìn)行應(yīng)用試驗。

在鐵一聯(lián)1#注水泵上開展試驗。當(dāng)16.8 MPa壓力啟動時最大電流為300 A（圖5），僅為額定電流0.9倍；完全消除注水站回流，有功節(jié)電率達(dá)22.4%（表2），年節(jié)約電費約16萬元；簡化啟泵操作流程，減少人員進(jìn)入高壓區(qū)頻率，年減少注水閘閥更換5個，節(jié)約維護(hù)成本約4萬元；注水泵壓力、電能數(shù)據(jù)實現(xiàn)與SCADA數(shù)字化系統(tǒng)連接，可進(jìn)行注水泵能耗在線監(jiān)測與自動注水；低速電動機溫度低于70℃，故障明顯減少，裝置已平穩(wěn)運行1 080天。

圖5 注水泵在16.8 MPa壓力啟動時電流、壓力變化趨勢Fig.5 Change trend of starting current，and pressure of the water injection pump at 16.8 MPa

表2 鐵一聯(lián)1#泵試驗前后測試效果Tab.2 Test effect before and after the 1#pump test in Tieyi multi-purpose station

4 結(jié)論與認(rèn)識

（1）采用矢量閉環(huán)控制系統(tǒng)，能夠滿足目前柱塞式注水泵帶載荷啟動要求，且啟動電流小，對電動機及系統(tǒng)的沖擊小。

（2）該技術(shù)現(xiàn)場改造工作量小，一次性投資及后期維護(hù)成本低。

（3）實現(xiàn)自動注水，完全消除注水站站內(nèi)回流，節(jié)約電費及閥門更換費用，經(jīng)濟效益顯著，是注水站提質(zhì)增效的主要目標(biāo)。

克拉瑪依油田風(fēng)城采油作業(yè)區(qū)