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高壓變頻器在東營(yíng)東辛采油廠(chǎng)柱塞水泵上的應(yīng)用

發(fā)布時(shí)間:2014-04-11 作者:新風(fēng)光

1引言
  油田注水是油田中期保持有效穩(wěn)產(chǎn)的有力措施,。其方法就是通過(guò)注水,,進(jìn)而恢復(fù)甚至增大地層壓力,,使地層流體壓力大于井筒內(nèi)靜液壓力,,從而達(dá)到開(kāi)采出油氣的目的。由于油田每個(gè)區(qū)塊注水量隨開(kāi)采狀況的變化需要經(jīng)常調(diào)整,,油田注水主要是通過(guò)調(diào)節(jié)注水泵的回流量來(lái)實(shí)現(xiàn),,在傳統(tǒng)的方式下,為了滿(mǎn)足配注需求,,大部分注水站都存在額定流量與實(shí)際流量不相匹配的問(wèn)題(一般額定流量大于實(shí)際流量),,而注水泵電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速基本保持不變,油田采用的注水泵電機(jī)大多是大功率電動(dòng)機(jī),,電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期處于高耗能狀態(tài)運(yùn)行,,采用變頻調(diào)速裝置對(duì)油田注水泵用電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變速調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)注水泵變水量控制是一項(xiàng)非常有效的節(jié)能措施,。
2東營(yíng)油田目前注水系統(tǒng)的現(xiàn)狀
  東營(yíng)油田經(jīng)過(guò)20多年的高速開(kāi)發(fā),,已逐漸步入特高含水開(kāi)發(fā)。原油產(chǎn)量逐年遞減,,采出液綜合含水高達(dá)90%以上,,主要以注水方式保持地層能量。一方面,,注水壓力的高低是決定油田合理開(kāi)發(fā)和配套地面管線(xiàn)及設(shè)備的重要參數(shù),。注水壓力低,注水量滿(mǎn)足不了油田開(kāi)發(fā)的需要,,必然會(huì)造成油層壓力下降,;注水壓力過(guò)高,浪費(fèi)動(dòng)力,,也造成超注,,導(dǎo)致水淹,,水竄;注水壓力控制難度大,,也給油田生產(chǎn)和管理帶來(lái)諸多不便,,因而要求注水壓力恒定。另一方面,,由于儲(chǔ)油地層的壓力及油氣分布不斷在發(fā)生變化,,其數(shù)值很難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和控制,考慮到油田開(kāi)發(fā)中的需要,,在機(jī)電設(shè)備的配置上都按照油田較大可能的需求來(lái)設(shè)計(jì),,這一點(diǎn)在注水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)當(dāng)中顯得尤為突出。同時(shí)注水系統(tǒng)是采油廠(chǎng)的耗電大戶(hù),,耗電量占整個(gè)生產(chǎn)的40%~60%,。另外多數(shù)采用異步電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的方式運(yùn)行,存在著啟動(dòng)瞬間電流較大,、機(jī)械沖擊,、電氣保護(hù)特性差等缺點(diǎn),不僅影響設(shè)備使用壽命,,而且當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)機(jī)械故障時(shí)不能瞬間動(dòng)作保護(hù)設(shè)備,,時(shí)常出現(xiàn)泵損壞同時(shí)電機(jī)也被燒毀的現(xiàn)象。因此,,降低注水系統(tǒng)費(fèi)用是油田注水面臨的重大問(wèn)題,。
  東營(yíng)東辛采油廠(chǎng)辛五注水站共有7臺(tái)注水泵。目前,,注水站注水泵機(jī)組組合為DF140-150×10兩臺(tái)(2#,、3#),3DW-80/16一臺(tái)(1#),,5DW-150/16兩臺(tái)(5#,、7#)。日常開(kāi)5#,、7#為主,,投運(yùn)的5DW-150/16型注水泵,匹配電機(jī)型號(hào)為YSK-5001-6的710kW /6kV異步電動(dòng)機(jī),。
  注水泵經(jīng)常根據(jù)不同的生產(chǎn)需求采用調(diào)整進(jìn)出口閘門(mén),、回流閥、截止閥等節(jié)流設(shè)備進(jìn)行流量,、壓力,、水位等信號(hào)的控制,即靠改變管網(wǎng)特性曲線(xiàn)來(lái)調(diào)節(jié)泵的排量,泵,、電機(jī)匹配難以達(dá)到在泵的較佳工況點(diǎn)運(yùn)行,。管網(wǎng)效率低,電能損失較高這樣,,不僅造成大量的能源浪費(fèi),,管路,閥門(mén)等密封性能的破壞,,還加速了泵腔,、閥體的磨損和汽蝕,影響了生產(chǎn),。
  通過(guò)綜合調(diào)研和考慮,,認(rèn)為對(duì)注水泵進(jìn)行變頻調(diào)速,是較好的節(jié)能方案,,也是減少注水泵損耗的有效手段,。多方比較后公司領(lǐng)導(dǎo)決定選用山東新風(fēng)光電子公司生產(chǎn)的JD-BP37-900F(900kW/6kV)型高壓變頻器,對(duì)5#,、7#泵進(jìn)行變頻控制,,改造取得了成功。
3 柱塞泵工藝工況及主電機(jī)參數(shù)介紹
  此負(fù)載為對(duì)置式大流量往復(fù)柱塞泵,,柱塞泵構(gòu)造采用兩側(cè)對(duì)置式活塞,,一側(cè)分別分布五個(gè)活塞,,采用雙管線(xiàn)對(duì)井下注水的方式,,對(duì)各自的輸出管線(xiàn)打壓,以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的利用率,。在啟動(dòng)前首先打開(kāi)環(huán)流閥,,使水壓降低以減小啟動(dòng)電流,然后等待泵速全速運(yùn)行后再關(guān)閉環(huán)流閥,,輸出管線(xiàn)壓力驅(qū)使輸出單向閥打開(kāi),,壓力升至所需壓力后,將水打到幾千米的井下,。柱塞泵結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,。

  工頻啟動(dòng)時(shí)電流過(guò)大,并且對(duì)柱塞活塞及各器件造成很大的沖擊,,給維修維護(hù)的工作量大大的增加了,,并造成成本的增加。
  圖1柱塞泵結(jié)構(gòu)示意圖
  5#,、7#柱塞泵機(jī)組的基本參數(shù)如表1所示:

4變頻改造控制方案
4.1變頻器改造主回路

 


 

  圖2系統(tǒng)改造主回路

  東營(yíng)東辛采油四礦的注水柱塞泵采用山東新風(fēng)光電子公司生產(chǎn)的高壓變頻器雙進(jìn)雙出一拖二控制系統(tǒng),。改造主回路如圖2所示,圖中K1、K1‘,、K2,、K2’為高壓隔離閘刀,K1與K1‘之間有電磁互鎖,,K2與K2’之間有電磁互鎖,。KM5為7#電機(jī)工頻接觸器,KM6為5#電機(jī)工頻接觸器,。7#電機(jī)工頻接觸器KM5與KM3接觸器實(shí)現(xiàn)互鎖,, 5#電機(jī)工頻接觸器KM6與KM4接觸器實(shí)現(xiàn)互鎖。KM1,、KM2為變頻上電瞬間實(shí)現(xiàn)限流電阻切換時(shí)所用,,正常運(yùn)行時(shí)KM1處于一直吸合狀態(tài)。
  7#電機(jī)變頻運(yùn)行時(shí),,K1,、K2、KM3閉合,,K2,、K2、KM4‘?dāng)嚅_(kāi),,KM5斷開(kāi),。變頻上電后,通過(guò)內(nèi)部程序KM2會(huì)自動(dòng)吸合將限流電阻引入主回路以消除大電流沖擊,,上電3s后,,KM1吸合,1s后KM2斷開(kāi),,變頻器處于待機(jī)狀態(tài)可以根據(jù)情況投入運(yùn)行,。變頻啟動(dòng)后工頻/變頻手自動(dòng)轉(zhuǎn)換旋鈕打到自動(dòng)位置,電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到50Hz后,,按轉(zhuǎn)工頻按鈕變頻器自動(dòng)斷開(kāi)KM3接觸器,,然后自動(dòng)吸合KM5接觸器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換到工頻運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)7#柱塞泵的軟啟動(dòng)控制,。同理5#電機(jī)變軟起運(yùn)行控制過(guò)程類(lèi)似,。
  正常運(yùn)行時(shí),5#,、7#柱塞泵機(jī)組一工頻一變頻運(yùn)行,,5#、7#柱塞泵機(jī)組均可以實(shí)現(xiàn)工頻,、變頻運(yùn)行狀態(tài),。當(dāng)選擇5#柱塞泵工頻,、7#柱塞泵變頻運(yùn)行時(shí),高壓變頻器首先拖動(dòng)5#變頻軟啟動(dòng),,將變頻啟動(dòng)后工頻/變頻手自動(dòng)轉(zhuǎn)換旋鈕打到自動(dòng)位置,,待電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到50Hz后,變頻器將5#電機(jī)轉(zhuǎn)到工頻運(yùn)行,;然后高壓變頻器再拖動(dòng)7#柱塞泵變頻啟動(dòng),,控制水泵運(yùn)行,通過(guò)壓力變送器自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器的頻率調(diào)整壓力大小,。也可以通過(guò)變頻器先啟動(dòng)7#電機(jī)后自動(dòng)切換到工頻運(yùn)行,,再啟動(dòng)5#電機(jī)變頻運(yùn)行,以實(shí)現(xiàn)一拖二變頻器控制功能,。
  當(dāng)高壓變頻器出現(xiàn)故障時(shí),,柱塞水泵將自動(dòng)轉(zhuǎn)到工頻運(yùn)行,保證油田注水的正常,。
4.2風(fēng)光JD-BP37-900F高壓變頻器技術(shù)參數(shù),?
 



 

5現(xiàn)場(chǎng)情況和節(jié)能效果統(tǒng)計(jì)
5.1現(xiàn)場(chǎng)的系統(tǒng)構(gòu)成

  針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)存在的問(wèn)題,系統(tǒng)優(yōu)化改造主要需解決兩方面的問(wèn)題:第一,,在滿(mǎn)足系統(tǒng)配注水量的基礎(chǔ)上盡可能減少排量損失,;第二,在滿(mǎn)足注水壓力的前提下盡可能減少泵管壓差,,即減少壓力損失,。系統(tǒng)優(yōu)化擬從動(dòng)能和勢(shì)能兩方面同時(shí)入手,盡可能降低能耗,、提高系統(tǒng)效率,。

  圖3現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)構(gòu)成框圖

  現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖3所示。系統(tǒng)閉環(huán)控制過(guò)程如下:由智能壓力變送器對(duì)各運(yùn)行注水泵進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控和處理,,即采集和傳輸注水泵,、站的運(yùn)行參數(shù),,如:泵的排量Q單,、電機(jī)電流I、泵進(jìn),、出口壓力P泵,,注水站出口干壓P干、總排量Q總,、平均單耗等,,并將這些控制參數(shù)(Q單、I,、P泵,、P干,、Q總)與其期望值及泵本身的特性曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比和優(yōu)化計(jì)算。其中,,注水站干壓和總流量是系統(tǒng)所需監(jiān)測(cè)和控制的兩個(gè)最主要參數(shù),。本系統(tǒng)中,一方面在泵出口管線(xiàn)上安裝一只高可靠性壓力變送器,,將實(shí)測(cè)的壓力信號(hào)與系統(tǒng)的配注壓力(期望值)相比,,并將其差值送往過(guò)程參數(shù)調(diào)節(jié)器(PID)進(jìn)行比例和積分運(yùn)算,最后將輸出結(jié)果送給可編程控制器(PLC),;另一方面在泵入口管線(xiàn)上安裝一只流量計(jì),,用于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)際總流量,將該值與系統(tǒng)配注量的差值再進(jìn)行一次PID整定,,最后將輸出結(jié)果送給PLC,。PLC根據(jù)所接收的兩個(gè)PID整定信號(hào),利用模糊推理的方法,,在滿(mǎn)足系統(tǒng)干壓的前提下,,系統(tǒng)及時(shí)自動(dòng)調(diào)整高壓變頻器的輸出頻率從而控制變頻泵的轉(zhuǎn)速。由柱塞泵原理知,,泵轉(zhuǎn)速的變化可引起相應(yīng)的排量變化,,通過(guò)頻率的變化以達(dá)到期望的排量值。通過(guò)上述閉環(huán)控制,,使系統(tǒng)的實(shí)際壓力和排量與系統(tǒng)的配注壓力和配注量相接近,。系統(tǒng)設(shè)計(jì)為閉環(huán)控制系統(tǒng),流量和壓力為系統(tǒng)的兩個(gè)主要參數(shù),,將系統(tǒng)實(shí)測(cè)的流量和壓力信號(hào)與地質(zhì)要求的流量和壓力(期望值)進(jìn)行雙PID調(diào)節(jié),;通過(guò)模糊推理的方法自動(dòng)尋優(yōu)控制,根據(jù)推理結(jié)果,,系統(tǒng)及時(shí)自動(dòng)調(diào)整高壓變頻器的輸出,,并自動(dòng)計(jì)算出變頻器的較佳運(yùn)行頻率。
5.2實(shí)際節(jié)電效果
  該變頻器于2011年12月在東辛采油四礦注水電機(jī)安裝正式運(yùn)行,,每天一般注水量6000m3/d,,平均泵壓15MPa、干壓14.5MPa,,使用變頻器前后的耗電情況月統(tǒng)計(jì)如圖4所示,,注水單耗如圖5所示:

 

  圖4 工頻、變頻運(yùn)行統(tǒng)計(jì)

  圖5 注水單耗

  由圖4,、圖5可以看出,,不考慮其它方面的影響,柱塞泵電機(jī)安裝變頻器前后的注水單耗從5.78 kW?.h/m3下降到4.47 kW.h/m3,。節(jié)電率計(jì)算如下:
  節(jié)電率=(安裝前耗電-安裝后耗電)/安裝前耗電×100﹪
  =(1112352-809424)/1112352×100﹪
  =27.2%,。
  2012年,,按照辛五注水站當(dāng)前運(yùn)行情況,全年預(yù)計(jì)注水量230×104m3,,變頻改造后可節(jié)約電量400×104kW?h,,每kWh按照0.625元計(jì)算,預(yù)計(jì)全年節(jié)約電費(fèi)265萬(wàn)元,。
  考慮到注水量各方面條件的影響,,實(shí)際的節(jié)電率與計(jì)算值有所不同,但根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行情況來(lái)看,,不會(huì)有太大的出入,,總體的節(jié)電效果不會(huì)改變的。
6結(jié)束語(yǔ)
  油田的注水系統(tǒng)非常多,,通過(guò)使用變頻裝置,,不但節(jié)約了電能,提高系統(tǒng)自動(dòng)化運(yùn)行程度,,減小設(shè)備的磨損,,也可自動(dòng)根據(jù)需求量調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速,減少了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,,而且注水泵的運(yùn)行參數(shù)得以改進(jìn),,系統(tǒng)效率大為提高。變頻調(diào)速技術(shù)作為一種高新技術(shù)和節(jié)能技術(shù),,在企業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)以及人們的常生活中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用,,隨著其工藝技術(shù)的進(jìn)一步成熟,將為采油廠(chǎng)及油田的節(jié)能降耗工作帶來(lái)更加積極的作用,。