轉子變頻技術在油田注水系統的應用

趙大慶 郭志強 商永濱 李言（西安長慶科技工程有限責任公司）

轉子變頻技術在油田注水系統的應用

趙大慶 郭志強 商永濱 李言（西安長慶科技工程有限責任公司）

油田注水過程是注水井需求的配注量與注水泵的供給量的動態平衡過程，目前由于定子變頻調速技術的局限性，無法實現注水泵排量與所需配注量完全匹配，造成注水站仍有打回流和電能浪費現象。轉子變頻調速技術在注水站上的應用，解決了供給量與配注量動態平衡，實現了轉子變頻帶壓啟泵和關回流穩壓注水，節約了電能，延長了注水設備的使用壽命，降低了現場操作管理的強度，滿足了油田精細注水的需要，具有較高的推廣應用價值。

轉子變頻；變頻調速；穩壓注水；節能

引言

在油田注水過程中，由于注水泵一般不能調速（工頻），其額定流量與所管轄注水井配注量不能完全匹配，通常是泵排量大于配注量。為了滿足工況要求，一般采用人工頻繁調節回流閥門的方式進行調壓和穩壓，以保證供注平衡。注水泵滿負荷運行造成注水泵溫度高、噪音大，設備損耗大、故障率高，同時多余的高壓水通過站內回流閥門打回儲水罐，造成較大的電能浪費。

隨著注水泵變頻裝置調速技術的發展，目前國內外油田普遍采用定子變頻調速技術，定子變頻調速運行降低了電動機和泵的轉速，減少了機械摩擦的能量損失和注水泵內回流、節流損失，其較好地避免了打回流做無用功和實現穩定的流量和壓力的現象。然而定子變頻調速技術仍存在一些問題：在高負載低轉速運行時，電動機調速過低，電動機、變頻器發熱嚴重，電動機轉矩變小易出現憋泵；變頻系統調速范圍受到限制，供給注水量與配注量不相匹配，需依靠人工調節回流閥門保持壓力與流量的穩定。

針對當前定子變頻裝置調速設備在注水站應用的局限性，應用“一拖多”轉子變頻調速系統，解決了定子變頻裝置在注水泵應用中存在的問題，實現了注水站帶壓啟泵、關回流節能注水和自動穩壓注水，較好地滿足了注水工況的要求，大幅提高了注水效率和經濟效益[1-2]。

1 轉子變頻調速系統的原理和構成

轉子變頻調速是繞線式電動機定子50 Hz工頻電源下的轉子“交—直—交”變頻調速，轉子變頻調速系統主要由轉子變頻調速控制設備和繞線式電動機組成。

1.1 轉子變頻調速控制設備

轉子變頻調速控制設備主要由逆變柜和轉子變頻調速柜組成。

轉子變頻調速柜主要作用是對電動機轉子電流和頻率進行等效控制，主要部件是斬波器（IGBT）和整流器。整流器是根據二極管的單向導通原理進行工作的，將其接入交流電路時它能使電路中的電流只按單向流動，即實現將交流電轉變為直流電。斬波器（IGBT）是進行斬波調速的裝置，受高頻脈沖電壓控制而快速導通和關斷的大功率電子開關，斬波器快速開關并對電動機轉子電壓進行等效控制，從而調節電動機轉速[3]。

逆變柜的主要作用是將電動機轉差能量轉換為與電網同頻同相交流電回饋電網，主要的元器件是可控硅逆變器和電抗器。逆變器是將直流電轉換為交流電的裝置，電抗器主要作用是限制沖擊電流、減少諧波電流對電網的污染[4]。

1.2 繞線式電動機

繞線式電動機結構是三相轉子繞組連接到裝在轉軸上的三個銅滑環上，通過一組電刷與外電路相連接。電動機的定子側直接接入工頻電網，通過轉子外接電路實現調速控制。繞線式電動機與鼠籠式電動機相比具有啟動電流小、啟動轉矩大的優點，適合油田注水系統高壓力低轉速運行的工況[5-6]（表1）。

表1 電動機結構及性能對比

1.3 “一拖多”轉子變頻調速系統構成

當系統中存在多臺電動機時，各臺電動機的轉差功率集中由同一個逆變器逆變成與電網同頻同相的交流電回饋至電網，即構成“一拖多”轉子變頻調速系統[7-8]，見圖1。

圖1 “一拖多”轉子變頻技術原理

“一拖多”轉子變頻調速系統所控制的電動機均可單獨實現無級調速，負載可同可異，電動機轉速因各自工況自動調整，滿足不同工況下的運行需要。

2 注水站應用情況

某注水站設計規模1000 m3/d，系統設計壓力25 MPa。站內共有五柱塞注水泵3臺（配200 kW繞線式電動機3臺），注水泵排量24 m3/h，配注量603 m3/d。

2.1 啟動沖擊電流測試

將注水泵先停機，調節回流閥穩住管線壓力至試驗值時啟動轉子變頻調速系統，監測該壓力下電動機定子電流峰值，計算出啟動沖擊負荷大小（表2）。

表2 負荷與電流關系

測試表明，轉子變頻調速設備在0～15 MPa各種壓力下直接啟泵，電動機沖擊電流均低于電動機額定電流374 A，在系統正常運行范圍內。

2.2 轉子變頻調速運行

測試空載和重載工況下，轉子變頻占空比（其工作時間與總周期時間的比值）和注水泵電動機轉速之間的關系如表3所示。

測試表明，轉子變頻調速系統具有較好的調速性能，隨著占空比的增加，注水泵轉速隨之增加，注水泵流量隨之增加。

2.3 關回流變頻運行

由于注水站配注量小于單泵額定排量，注水泵在工頻下需要開回流注水才能滿足工況要求。測試工頻開回流工況下，泵出口流量23.02 m3/h，分水器壓力20.42 MPa。

將轉子變頻調速系統轉換至變頻模式，關閉回流閥。當轉子變頻運行至67%占空比時，分水器壓力穩定在21 MPa，達到工況要求。

對比試驗表明，應用轉子變頻調速系統通過調整占空比大小能夠較好地實現注水站關回流注水。

2.4 轉子變頻關回流注水節能跟蹤

對轉子變頻調速系統的節能效果進行了測試。變頻關回流穩壓注水的輸入功率比工頻開回流穩壓注水低41 kW，減少了注水泵打回流造成的電能浪費，有功節電率在20%以上。測試數據如表4所示。

表4 工頻與變頻注水能耗對比

經過2011年11月至2012年12月一年時間的連續跟蹤，該站“一拖多”轉子變頻系統累計實現關回流注水節電63.3×104kWh，節約電費約36.7萬元，平均每天節電約1499 kWh，有功節電率25%。目前，該站每天節電2850 kWh左右，關回流注水節能效果顯著。

2.5 自動穩壓注水效果跟蹤

“一拖多”轉子變頻控制系統通過對注水泵的出口壓力進行監測跟蹤，自動調整轉子變頻運行參數，自動平衡分水器壓力和注水排量。結果表明：轉子變頻調速系統注水壓力在工況設定壓力22 MPa時，上下波動幅值小、精度高，穩壓效果較好，為精細注水、分層注水提供了有力保障，詳情見圖2。

2.6 轉子變頻系統的諧波影響

諧波會對電動機造成附加發熱使電動機額外升溫，產生機械震動等危害。轉子變頻系統通過電抗器對變頻調速過程中產生的諧波進行濾波，再將處理后的電能通過逆變器回饋至電網。在現場對使用轉子變頻系統前后的諧波含量進行了檢測。結果表明：未使用轉子變頻調速系統時，電網的諧波含量最高達3.88%；使用后，電網的諧波含量在3.4%內，說明了“一拖多”轉子變頻調速系統具有良好的濾波能力，符合國家相關標準，能滿足油田注水生產的需要[9-10]。

圖2 轉子變頻調速系統運行壓力波動曲線跟蹤

2.7 應用效果

注水泵自動穩壓關回流運行，注水井的配注量與注水泵供給的注水量自動實現動態平衡，管線壓力波動、運行震動和運行噪音變小，有效延長了注水管線、注水泵運動部件和密封部件的使用壽命，年節省閥門維修更換費用約2萬元，提高了注水效率，減少了運行維護費用。

3 結論

1）轉子變頻調速系統低速范圍大，較好地適應了油田注水泵低排量工況注水要求，實現了配注量與注水泵排量的動態平衡，有效解決注水井欠注、超注等問題的發生，關回流注水節能效果顯著。

2）實現自動穩壓注水，無需卸載帶壓啟泵功能實用，簡化油田注水站工作工序，減少了工人頻繁操作回流閥門的勞動強度和安全風險，提高了注水效率和管理水平。

3）轉子變頻控制設備與注水站分水器壓力數據實時聯動，根據壓力變化情況自動調節注水泵電動機的轉速，注水系統壓力波動范圍小，實現了區塊恒壓平穩注水，延長了注水系統設備、設施使用壽命。

4）“一拖多”轉子變頻調速系統滿足油田高效注水、精細注水和節能注水要求，適應油田注水多變工況，節能效果顯著，管理和經濟效益可觀，具備較好的推廣應用前景。

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2017-05-17

（編輯 李發榮）

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.10.004

趙大慶，工程師，2009年畢業于中國石油大學（北京）（油氣井工程專業），從事油田地面設計和研究工作，E-mail：zdq1_cq@petrochina.com.cn，地址：陜西省西安市未央路151#鳳城四路長慶大廈，710018。