基于高壓變頻器的油田注水泵設(shè)計

劉 鵬，邢 菲，孫曉松，閻 磊，宋 健

（中國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，國內(nèi)各大油田注水系統(tǒng)普遍存在高能耗問題。我國油田注水系統(tǒng)注水泵運行效率平均為72.1%，國內(nèi)注水單耗平均為6.94 kW·h/m3，國外為5.6～6.0 kW·h/m3。與國外注水系統(tǒng)效率相比，我國注水系統(tǒng)效率有很大差距。在油田開采作業(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，是提高注水泵運行效率。我國油田注水系統(tǒng)注水泵普遍存在老舊型號占比大、泵特性改變、自動化程度低的問題。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)鍵原因并進行改造，如針對系統(tǒng)注水波動大、系統(tǒng)監(jiān)控效率低的問題，可建立自動化監(jiān)控系統(tǒng)。在節(jié)能降耗技術(shù)中，大功率變頻技術(shù)門檻較高，隨著科技水平的提高，國產(chǎn)大功率高壓變頻技術(shù)取得了實質(zhì)性進展。在生產(chǎn)實踐中，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，水泵風機調(diào)速精度高達0.1%，矢量控制精度達0.01%，動態(tài)響應(yīng)快，正逐步取代直流調(diào)速，串級調(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)電取決于負載類型及節(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)推廣指導項目，對優(yōu)化油田注水生產(chǎn)工藝，降低油田開發(fā)成本具有重要意義。

在油田生產(chǎn)中，高壓注水系統(tǒng)電機大馬拉小車現(xiàn)象普遍存在，需靠控制泵出口高壓回流閥門開度保證注水管網(wǎng)壓力，由于泵壓較高，對管道使用不利。安裝高壓變頻調(diào)速裝置，可自動調(diào)節(jié)注水量，降低機組損耗。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)原理見圖1，通過對IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管）逆邊橋進行正弦PWM（Pulse width modulation，脈沖寬度調(diào)制）控制，如果某單元發(fā)生故障，輸出端自動短路，輸入側(cè)由移相變壓器為單元供電，1/8 相電壓，24 個單元在變壓器上有獨立三相輸入繞組，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 位單片機運算實現(xiàn)。工控PC 機提供全中文Windows 監(jiān)控界面，控制器用于柜體內(nèi)開關(guān)信號邏輯處理，與現(xiàn)場操作信號協(xié)調(diào)?？刂破鞑捎? 位單片機等大規(guī)模集成電路，CPU 為8 位單片機。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立高壓系統(tǒng)統(tǒng)一控制器，增強系統(tǒng)可靠性?？刂破饔歇毩⒏邏弘娫垂╇婓w系，設(shè)備各點波形與加高壓情況相似，為調(diào)試帶來方便。

2 變頻器損耗及變頻調(diào)速原理

變頻器損耗由電力半導體器件通態(tài)開關(guān)損耗組成，器件一定的條件下，負載電流對損耗起到?jīng)Q定作用。風機泵類負載轉(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。注水泵組電機為大型異步電動機，變頻調(diào)速是水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的主要實現(xiàn)方式，電機進行交頻運行，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 是電機轉(zhuǎn)差率；n1為同步轉(zhuǎn)速；pn 是電機極對數(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行費用最省原則優(yōu)化設(shè)計，按照某工藝條件優(yōu)化設(shè)計的系統(tǒng)經(jīng)歷一段時期后工藝條件發(fā)生變化，如何保持對泵站節(jié)能優(yōu)化控制是值得研究的問題。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)標準油田地面注水系統(tǒng)效率測試方法，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)場效率測量頻繁，需簡化取值使其適合現(xiàn)場應(yīng)用，常用計算方法是投入產(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計算，計算得出溫度對能量影響可忽略。

3 變頻器控制技術(shù)方案的選擇

3 臺4WSH（120-150）/300/YB160kW 型注水泵，電機額定功率160 kW，額定排量58 m3/h，日注水量5430 m3。KD18號注水泵站在黃河口自然保護區(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。原注水泵電機采用自耦降壓啟動器控制，運轉(zhuǎn)穩(wěn)定后注水泵長期24 h 工作，耗費大量電能。對此，實施變頻節(jié)能技術(shù)改造，以達到節(jié)能降耗的目的。

節(jié)能方案：選用富士P11 系列恒壓供水專用變頻器，設(shè)計采用先進功率模塊，輸入電壓范圍允許額定電壓20%波動，降低電壓波動對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)品性價比。泵站共有6 臺注水泵，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 臺工作2 臺備用。采用變頻器調(diào)速進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，一臺變頻器控制兩臺泵；4#、5#、6#泵為一組，一臺變頻器控制兩臺泵。用水量少時變頻器控制1#泵，用水量增加，1#泵工作頻率達50 Hz，電機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#泵進行恒壓控制。

該方案的特點是只需功率160 kW 變頻器1 臺，但會出現(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 拖動電機容量為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，二臺變頻器控制二臺泵，4#、5#、6#泵為一組，備用一臺，控制在用電機，需要60 kW 變頻器2 臺。以160 kW 變頻器為例計算運行節(jié)能效果，每日供水流量為140%額定流量，每臺供水流量為70%額定流量，每臺電機取用電功率為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)計電路，用戶要求315 kW 變頻器閉環(huán)控制4#、5#、6#注水泵，用軟啟動控制啟停，可1 d 內(nèi)排除故障，可啟用備用泵，二次控制線路注水泵壓力給定量由1-3K 電位給定，變頻器啟停由FWD，COM 端子組成三線式運轉(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，接時注意進出電源不能接反。

根據(jù)變頻器使用說明要求，設(shè)置參數(shù)有電機工作參數(shù)、控制端子控制設(shè)定、禁止變頻器反向運轉(zhuǎn)、模擬電壓給定、比例積分設(shè)定等參數(shù)。設(shè)置完畢后檢查確認無誤，檢查電機接線是否正確。應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)后，4#高壓注水泵電機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，電機與泵不能在設(shè)計工況下運行，泵效下降，2 臺泵節(jié)電效率達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 號注水站變頻器應(yīng)用前后對比。

表1 KD18 號注水站變頻器應(yīng)用前后對比

針對現(xiàn)場存在的問題，系統(tǒng)改造需減少排量損失，滿足注水壓力基礎(chǔ)上減少外管壓差。系統(tǒng)優(yōu)化從動能勢能入手，提高系統(tǒng)效率。系統(tǒng)閉環(huán)控制對運行注水泵進行實時數(shù)據(jù)監(jiān)控，采集傳輸注水泵運行參數(shù)：電機電流I、注水站出口干壓P干、平均單耗等，將控制參數(shù)參數(shù)與期望值特性曲線進行對比。注水站干壓是系統(tǒng)所需監(jiān)測的主要參數(shù)，系統(tǒng)在泵出口管線安裝壓力傳感器，將其差值送往參數(shù)調(diào)節(jié)器進行比例運算。在泵入口管線安裝流量計，PLC 根據(jù)接收PID 整定信號，自動調(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)速是通過變頻器改變電源頻率控制泵的轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)通過高壓變頻裝置改造，泵在高效區(qū)運行下滿足系統(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22.4 萬元。每日注水量4100 m3，由于要求注水量波動大，實施高壓變頻改造，根據(jù)站外要求水量調(diào)整站內(nèi)泵運行，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2 臺泵多注2220 m3/d 水，根據(jù)站內(nèi)運行情況推算，每天多注水1600 m3，按每度電費0.5 元計，通過高壓變頻調(diào)節(jié)后年電費為85.2 萬元。

2#注水泵電機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)電率與計算值不同，根據(jù)現(xiàn)場運行情況，節(jié)電效果差異不大。高壓變頻器運行平穩(wěn)，簡便實用，改善人員工作環(huán)境，大大降低維修費用，安裝后帶來顯著經(jīng)濟效益。

5 結(jié)語

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年運行，變頻器運行穩(wěn)定、節(jié)能效果明顯。注水機組系統(tǒng)效率提高到71.23%，機組系統(tǒng)年均節(jié)電量達21.98 萬kW·h，每年直接節(jié)省電費14.29 萬元。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)備維修費用。閉環(huán)控制變速調(diào)頻技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)了電機軟啟動功能，減少了設(shè)備損耗。