馮建設(shè) 鄭剛 辛生會(huì) 魏立軍 王曼

（1.長(zhǎng)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(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室；3.長(zhǎng)慶油田分公司質(zhì)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(bǔ)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(shè)備就是柱塞式注水泵。注水站內(nèi)注水泵設(shè)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(dòng)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(fèi)。為了實(shí)現(xiàn)注水站節(jié)能降耗，田元吉[1]、楊芫[2]等人進(jìn)行了基于繞線電動(dòng)機(jī)控制的轉(zhuǎn)子變頻技術(shù)研究，雖然實(shí)現(xiàn)了注水站關(guān)回流重載啟動(dòng)，但這種方式需要將原來的鼠籠式電動(dòng)機(jī)更換為繞線式電動(dòng)機(jī)，改造工作量大。為了實(shí)現(xiàn)基于鼠籠式電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的注水泵直接帶壓力啟動(dòng)，在充分調(diào)研普通變頻[3-5]控制基礎(chǔ)上，開展了矢量控制穩(wěn)壓注水技術(shù)研究。

1 注水站生產(chǎn)現(xiàn)狀

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析，注水站回流損失約占整個(gè)系統(tǒng)能耗的11%，能量損失嚴(yán)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(zhǔn)施策。

1.1 泄壓?jiǎn)?dòng)

長(zhǎng)慶油田注水泵電動(dòng)機(jī)由于注水壓力高、電動(dòng)機(jī)功率大，額定功率一般在90～315 kW，注水泵再啟動(dòng)是需要放掉管線壓力，同時(shí)還要采用軟啟動(dòng)控制。

1.2 運(yùn)行不匹配

注水站泵排量與實(shí)際配注量往往不匹配，運(yùn)行時(shí)就會(huì)產(chǎn)生回流。一是采用工頻運(yùn)行的注水泵不能實(shí)時(shí)調(diào)整注水泵轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)適配性差，在低速運(yùn)行下電動(dòng)機(jī)的同軸風(fēng)扇散熱能力下降，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)不可以在低速下長(zhǎng)時(shí)間重載運(yùn)行；普通變頻往往導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)溫升，一般上升5～10 ℃。

2 技術(shù)改造措施

要消除注水站回流，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓注水，應(yīng)提高注水泵電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，達(dá)到帶管線壓力啟動(dòng)，消除啟動(dòng)泄壓的回流；同時(shí)，要提高電動(dòng)機(jī)控制精度與調(diào)速范圍，消除正常運(yùn)行時(shí)注水泵回流。通過對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)及控制系統(tǒng)調(diào)研分析[6-7]，優(yōu)選了三相異步電動(dòng)機(jī)的矢量控制方式[8-9]，實(shí)現(xiàn)注水泵可以重載啟動(dòng)運(yùn)行，徹底關(guān)閉注水站回流，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

2.1 矢量控制原理

針對(duì)電動(dòng)機(jī)的矢量控制，即電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)定向控制Field-oriented Control，通過特殊的矢量矩陣轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)矩，從而提高電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和電動(dòng)機(jī)的控制精度。

通過矢量控制的電動(dòng)機(jī)在重載啟動(dòng)時(shí)能夠達(dá)到2 倍額定輸出轉(zhuǎn)矩，即使在低頻狀態(tài)下啟動(dòng)大扭矩輸出特點(diǎn)也比較明顯，矢量控制電動(dòng)機(jī)帶載啟動(dòng)扭矩變化情況見圖1。

圖1 矢量控制電動(dòng)機(jī)帶載啟動(dòng)扭矩變化情況

2.2 電動(dòng)機(jī)降溫設(shè)計(jì)

為了減少因電動(dòng)機(jī)在低速變頻運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)溫度過高，從而影響電動(dòng)機(jī)調(diào)速范圍產(chǎn)生回流，系統(tǒng)控制上：一是在電動(dòng)機(jī)尾端另外增加1 個(gè)獨(dú)立風(fēng)扇，提高電動(dòng)機(jī)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(duì)電動(dòng)機(jī)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(duì)電動(dòng)機(jī)輸入電流和諧波畸變率影響見表1。

表1 直流電抗器對(duì)電動(dòng)機(jī)輸入電流和諧波畸變率影響

3 試驗(yàn)效果分析

該技術(shù)已在長(zhǎng)慶油田采油一廠、三廠、五廠、六廠等單位15 個(gè)注水站的19 臺(tái)注水泵上進(jìn)行帶載啟動(dòng)穩(wěn)壓注水技術(shù)改造。帶載啟動(dòng)電流小于電動(dòng)機(jī)額定電流的1.5 倍，且壓力運(yùn)行平穩(wěn)，壓力波動(dòng)小于0.1 MPa，年節(jié)約電量442.5×104kWh，節(jié)約電費(fèi)274.4 萬元，節(jié)能效果明顯；同時(shí)，提高注水站精細(xì)管理水平，降低注水壓力波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)注水泵帶載啟動(dòng)穩(wěn)壓注水。注水泵在17 MPa 下啟動(dòng)電流、頻率、壓力變化趨勢(shì)見圖2，注水泵矢量控制運(yùn)行注水壓力變化情況見圖3。

圖2 注水泵在17 MPa 下啟動(dòng)電流、頻率、壓力變化趨勢(shì)

圖3 注水泵矢量控制運(yùn)行注水壓力變化情況

4 結(jié)論

1）注水泵采用矢量控制改造后，注水泵帶載啟動(dòng)電流小，且運(yùn)行平穩(wěn)，消除啟動(dòng)時(shí)回流，為高壓注水泵實(shí)現(xiàn)無人值守、自動(dòng)控制提高技術(shù)支撐。

2）注水泵電動(dòng)機(jī)采用獨(dú)立風(fēng)扇控制與雙電抗器控制方式，降低電動(dòng)機(jī)在低速運(yùn)行下電動(dòng)機(jī)溫度，提高電動(dòng)機(jī)調(diào)速范圍，消除運(yùn)行過程回流。

3）注水泵帶載啟動(dòng)穩(wěn)壓注水技術(shù)改造，可減少現(xiàn)場(chǎng)操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約電費(fèi)及閥門更換費(fèi)用，節(jié)能挖潛效果明顯。