1 引言

油田注水是油田中期保持高效穩(wěn)產(chǎn)的有力措施。其方法就是通過注水，進而恢復甚至增大地層壓力，使地層流體壓力大于井筒內(nèi)靜液壓力，從而達到開采出油氣的目的。由于油田每個區(qū)塊注水量隨開采狀況的變化需要經(jīng)常調(diào)整，油田注水主要是通過調(diào)節(jié)注水泵的回流量來實現(xiàn)，在傳統(tǒng)的方式下，為了滿足配注需求，大部分注水站都存在額定流量與實際流量不相匹配的問題(一般額定流量大于實際流量)，而注水泵電機的額定轉(zhuǎn)速基本保持不變，油田采用的注水泵電機大多是大功率電動機，電動機長期處于高耗能狀態(tài)運行，采用變頻調(diào)速裝置對油田注水泵用電動機進行變速調(diào)節(jié)，實現(xiàn)注水泵變水量控制是一項非常有效的節(jié)能措施。

2 東營油田目前注水系統(tǒng)的現(xiàn)狀

東營油田經(jīng)過20多年的高速開發(fā)，已逐漸步入特高含水開發(fā)。原油產(chǎn)量逐年遞減，采出液綜合含水高達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發(fā)和配套地面管線及設(shè)備的重要參數(shù)。注水壓力低，注水量滿足不了油田開發(fā)的需要，必然會造成油層壓力下降；注水壓力過高，浪費動力，也造成超注，導致水淹，水竄；注水壓力控制難度大，也給油田生產(chǎn)和管理帶來諸多不便，因而要求注水壓力恒定。另一方面，由于儲油地層的壓力及油氣分布不斷在發(fā)生變化，其數(shù)值很難準確預(yù)測和控制，考慮到油田開發(fā)中的需要，在機電設(shè)備的配置上都按照油田最大可能的需求來設(shè)計，這一點在注水系統(tǒng)的設(shè)計當中顯得尤為突出。同時注水系統(tǒng)是采油廠的耗電大戶，耗電量占整個生產(chǎn)的40％～60％。另外多數(shù)采用異步電動機直接驅(qū)動的方式運行，存在著啟動瞬間電流較大、機械沖擊、電氣保護特性差等缺點，不僅影響設(shè)備使用壽命，而且當負載出現(xiàn)機械故障時不能瞬間動作保護設(shè)備，時常出現(xiàn)泵損壞同時電機也被燒毀的現(xiàn)象。因此，降低注水系統(tǒng)費用是油田注水面臨的重大問題。

東營東辛采油廠辛五注水站共有7臺注水泵。目前，注水站注水泵機組組合為DF140-150×10兩臺（2#、3#），3DW-80/16一臺（1#），5DW-150/16兩臺（5#、7#）。日常開5#、7#為主，投運的5DW-150/16型注水泵，匹配電機型號為YSK-5001-6的710kW/6kV異步電動機。

注水泵經(jīng)常根據(jù)不同的生產(chǎn)需求采用調(diào)整進出口閘門、回流閥、截止閥等節(jié)流設(shè)備進行流量、壓力、水位等信號的控制，即靠改變管網(wǎng)特性曲線來調(diào)節(jié)泵的排量，泵、電機匹配難以達到在泵的最佳工況點運行．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，管路，閥門等密封性能的破壞，還加速了泵腔、閥體的磨損和汽蝕，影響了生產(chǎn)。

通過綜合調(diào)研和考慮，認為對注水泵進行變頻調(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)導決定選用山東新風光電子公司生產(chǎn)的JD-BP37-900F（900kW/6kV）型高壓變頻器，對5#、7#泵進行變頻控制，改造取得了成功。

3 柱塞泵工藝工況及主電機參數(shù)介紹

此負載為對置式大流量往復柱塞泵，柱塞泵構(gòu)造采用兩側(cè)對置式活塞，一側(cè)分別分布五個活塞，采用雙管線對井下注水的方式，對各自的輸出管線打壓，以實現(xiàn)設(shè)備的利用率。在啟動前首先打開環(huán)流閥，使水壓降低以減小啟動電流，然后等待泵速全速運行后再關(guān)閉環(huán)流閥，輸出管線壓力驅(qū)使輸出單向閥打開，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。

工頻啟動時電流過大，并且對柱塞活塞及各器件造成很大的沖擊，給維修維護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

東營東辛采油四礦的注水柱塞泵采用山東新風光電子公司生產(chǎn)的高壓變頻器雙進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#電機工頻接觸器，KM6為5#電機工頻接觸器。7#電機工頻接觸器KM5與KM3接觸器實現(xiàn)互鎖，5#電機工頻接觸器KM6與KM4接觸器實現(xiàn)互鎖。KM1、KM2為變頻上電瞬間實現(xiàn)限流電阻切換時所用，正常運行時KM1處于一直吸合狀態(tài)。

7#電機變頻運行時，K1、K2、KM3閉合，K2、K2、KM4’斷開，KM5斷開。變頻上電后，通過內(nèi)部程序KM2會自動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，變頻器處于待機狀態(tài)可以根據(jù)情況投入運行。變頻啟動后工頻/變頻手自動轉(zhuǎn)換旋鈕打到自動位置，電機轉(zhuǎn)速達到50Hz后，按轉(zhuǎn)工頻按鈕變頻器自動斷開KM3接觸器，然后自動吸合KM5接觸器實現(xiàn)自動切換到工頻運行，實現(xiàn)7#柱塞泵的軟啟動控制。同理5#電機變軟起運行控制過程類似。

正常運行時，5#、7#柱塞泵機組一工頻一變頻運行，5#、7#柱塞泵機組均可以實現(xiàn)工頻、變頻運行狀態(tài)。當選擇5#柱塞泵工頻、7#柱塞泵變頻運行時，高壓變頻器首先拖動5#變頻軟啟動，將變頻啟動后工頻/變頻手自動轉(zhuǎn)換旋鈕打到自動位置，待電機轉(zhuǎn)速達到50Hz后，變頻器將5#電機轉(zhuǎn)到工頻運行；然后高壓變頻器再拖動7#柱塞泵變頻啟動，控制水泵運行，通過壓力變送器自動調(diào)節(jié)變頻器的頻率調(diào)整壓力大小。也可以通過變頻器先啟動7#電機后自動切換到工頻運行，再啟動5#電機變頻運行，以實現(xiàn)一拖二變頻器控制功能。

當高壓變頻器出現(xiàn)故障時，柱塞水泵將自動轉(zhuǎn)到工頻運行，保證油田注水的正常。

4.2 風光JD-BP37-900F高壓變頻器技術(shù)參數(shù)

5 現(xiàn)場情況和節(jié)能效果統(tǒng)計

5.1 現(xiàn)場的系統(tǒng)構(gòu)成

針對現(xiàn)場存在的問題，系統(tǒng)優(yōu)化改造主要需解決兩方面的問題：第一，在滿足系統(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)化擬從動能和勢能兩方面同時入手，盡可能降低能耗、提高系統(tǒng)效率。

圖3    現(xiàn)場系統(tǒng)構(gòu)成框圖

現(xiàn)場系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖3所示。系統(tǒng)閉環(huán)控制過程如下：由智能壓力變送器對各運行注水泵進行實時數(shù)據(jù)監(jiān)控和處理，即采集和傳輸注水泵、站的運行參數(shù)，如：泵的排量Q單、電機電流I、泵進、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進行對比和優(yōu)化計算。其中，注水站干壓和總流量是系統(tǒng)所需監(jiān)測和控制的兩個最主要參數(shù)。本系統(tǒng)中，一方面在泵出口管線上安裝一只高可靠性壓力變送器，將實測的壓力信號與系統(tǒng)的配注壓力（期望值）相比，并將其差值送往過程參數(shù)調(diào)節(jié)器（PID）進行比例和積分運算，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上安裝一只流量計，用于監(jiān)測系統(tǒng)實際總流量，將該值與系統(tǒng)配注量的差值再進行一次PID整定，最后將輸出結(jié)果送給PLC。PLC根據(jù)所接收的兩個PID整定信號，利用模糊推理的方法，在滿足系統(tǒng)干壓的前提下，系統(tǒng)及時自動調(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，通過頻率的變化以達到期望的排量值。通過上述閉環(huán)控制，使系統(tǒng)的實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)計為閉環(huán)控制系統(tǒng)，流量和壓力為系統(tǒng)的兩個主要參數(shù)，將系統(tǒng)實測的流量和壓力信號與地質(zhì)要求的流量和壓力（期望值）進行雙PID調(diào)節(jié)；通過模糊推理的方法自動尋優(yōu)控制，根據(jù)推理結(jié)果，系統(tǒng)及時自動調(diào)整高壓變頻器的輸出，并自動計算出變頻器的最佳運行頻率。

5.2 實際節(jié)電效果

該變頻器于2011年12月在東辛采油四礦注水電機安裝正式運行，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)計如圖4所示，注水單耗如圖5所示：

圖4   工頻、變頻運行統(tǒng)計

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，柱塞泵電機安裝變頻器前后的注水單耗從5.78kW?.h/m3下降到4.47kW?.h/m3。節(jié)電率計算如下：

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，按照辛五注水站當前運行情況，全年預(yù)計注水量230×104m3，變頻改造后可節(jié)約電量400×104kW?h，每kW?h按照0.625元計算，預(yù)計全年節(jié)約電費265萬元。

考慮到注水量各方面條件的影響，實際的節(jié)電率與計算值有所不同，但根據(jù)現(xiàn)場的運行情況來看，不會有太大的出入，總體的節(jié)電效果不會改變的。

6 結(jié)束語

油田的注水系統(tǒng)非常多，通過使用變頻裝置，不但節(jié)約了電能，提高系統(tǒng)自動化運行程度，減小設(shè)備的磨損，也可自動根據(jù)需求量調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，減少了人員的勞動強度，而且注水泵的運行參數(shù)得以改進，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)的進一步成熟，將為采油廠及油田的節(jié)能降耗工作帶來更加積極的作用。

參考文獻

[1]山東新風光電子使用手冊[Z]山東新風光電子科技發(fā)展有限公司