基于矢量控制的注水泵穩(wěn)壓注水技術研究與試驗

馮建設 鄭剛 辛生會 魏立軍 王曼

（1.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.長慶油田分公司質量安全環(huán)保部）

鄂爾多斯盆地油藏油井單井產(chǎn)量低，為了補充地層能量，保持地層壓力，提高油井產(chǎn)量，采用注水開發(fā)方式。注水系統(tǒng)主要的耗能設備就是柱塞式注水泵。注水站內(nèi)注水泵設備選定后，注水站的注水排量基本就固定，而注水站配注量隨著地層壓力、井筒狀況、動態(tài)調(diào)配等因素變化而不斷變化，從而產(chǎn)生注水站回流，造成電能浪費。為了實現(xiàn)注水站節(jié)能降耗，田元吉[1]、楊芫[2]等人進行了基于繞線電動機控制的轉子變頻技術研究，雖然實現(xiàn)了注水站關回流重載啟動，但這種方式需要將原來的鼠籠式電動機更換為繞線式電動機，改造工作量大。為了實現(xiàn)基于鼠籠式電動機拖動的注水泵直接帶壓力啟動，在充分調(diào)研普通變頻[3-5]控制基礎上，開展了矢量控制穩(wěn)壓注水技術研究。

1 注水站生產(chǎn)現(xiàn)狀

經(jīng)現(xiàn)場測試分析，注水站回流損失約占整個系統(tǒng)能耗的11%，能量損失嚴重是影響系統(tǒng)效率的主要因素。分析注水站回流產(chǎn)生的原因，精準施策。

1.1 泄壓啟動

長慶油田注水泵電動機由于注水壓力高、電動機功率大，額定功率一般在90～315 kW，注水泵再啟動是需要放掉管線壓力，同時還要采用軟啟動控制。

1.2 運行不匹配

注水站泵排量與實際配注量往往不匹配，運行時就會產(chǎn)生回流。一是采用工頻運行的注水泵不能實時調(diào)整注水泵轉速來滿足配注的要求，需要通過調(diào)整回流來滿足。二是常規(guī)變頻調(diào)速系統(tǒng)與三相異步電動機適配性差，在低速運行下電動機的同軸風扇散熱能力下降，導致電動機不可以在低速下長時間重載運行；普通變頻往往導致電動機溫升，一般上升5～10 ℃。

2 技術改造措施

要消除注水站回流，實現(xiàn)穩(wěn)壓注水，應提高注水泵電動機的輸出轉矩，達到帶管線壓力啟動，消除啟動泄壓的回流；同時，要提高電動機控制精度與調(diào)速范圍，消除正常運行時注水泵回流。通過對三相異步電動機及控制系統(tǒng)調(diào)研分析[6-7]，優(yōu)選了三相異步電動機的矢量控制方式[8-9]，實現(xiàn)注水泵可以重載啟動運行，徹底關閉注水站回流，達到節(jié)能降耗的目的。

2.1 矢量控制原理

針對電動機的矢量控制，即電動機的磁場定向控制Field-oriented Control，通過特殊的矢量矩陣轉換把互相耦合的三相交流電參數(shù)，變換為兩相直流電參數(shù)，且這兩相電相互垂直，分別用來控制電動機的磁場與轉矩，從而提高電動機的轉矩和電動機的控制精度。

通過矢量控制的電動機在重載啟動時能夠達到2 倍額定輸出轉矩，即使在低頻狀態(tài)下啟動大扭矩輸出特點也比較明顯，矢量控制電動機帶載啟動扭矩變化情況見圖1。

圖1 矢量控制電動機帶載啟動扭矩變化情況

2.2 電動機降溫設計

為了減少因電動機在低速變頻運行時電動機溫度過高，從而影響電動機調(diào)速范圍產(chǎn)生回流，系統(tǒng)控制上：一是在電動機尾端另外增加1 個獨立風扇，提高電動機的散熱能力；二是在矢量變流器的輸入輸出端分別安裝合適的電抗器，減少高次諧波和脈沖對電動機的沖擊及溫升的影響。

輸入電抗器：在變頻裝置中內(nèi)置直流電抗器，輸入電流平均降低25%，主要諧波畸變率降低50%，直流電抗器對電動機輸入電流和諧波畸變率影響見表1。

表1 直流電抗器對電動機輸入電流和諧波畸變率影響

3 試驗效果分析

該技術已在長慶油田采油一廠、三廠、五廠、六廠等單位15 個注水站的19 臺注水泵上進行帶載啟動穩(wěn)壓注水技術改造。帶載啟動電流小于電動機額定電流的1.5 倍，且壓力運行平穩(wěn)，壓力波動小于0.1 MPa，年節(jié)約電量442.5×104kWh，節(jié)約電費274.4 萬元，節(jié)能效果明顯；同時，提高注水站精細管理水平，降低注水壓力波動，實現(xiàn)注水泵帶載啟動穩(wěn)壓注水。注水泵在17 MPa 下啟動電流、頻率、壓力變化趨勢見圖2，注水泵矢量控制運行注水壓力變化情況見圖3。

圖2 注水泵在17 MPa 下啟動電流、頻率、壓力變化趨勢

圖3 注水泵矢量控制運行注水壓力變化情況

4 結論

1）注水泵采用矢量控制改造后，注水泵帶載啟動電流小，且運行平穩(wěn)，消除啟動時回流，為高壓注水泵實現(xiàn)無人值守、自動控制提高技術支撐。

2）注水泵電動機采用獨立風扇控制與雙電抗器控制方式，降低電動機在低速運行下電動機溫度，提高電動機調(diào)速范圍，消除運行過程回流。

3）注水泵帶載啟動穩(wěn)壓注水技術改造，可減少現(xiàn)場操作人員勞動強度，節(jié)約電費及閥門更換費用，節(jié)能挖潛效果明顯。