基于矢量控制的注水泵穩壓注水技術研究與試驗

馮建設 鄭剛 辛生會 魏立軍 王曼

（1.長慶油田分公司油氣工藝研究院；2.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室；3.長慶油田分公司質量安全環保部）

鄂爾多斯盆地油藏油井單井產量低，為了補充地層能量，保持地層壓力，提高油井產量，采用注水開發方式。注水系統主要的耗能設備就是柱塞式注水泵。注水站內注水泵設備選定后，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、動態調配等因素變化而不斷變化，從而產生注水站回流，造成電能浪費。為了實現注水站節能降耗，田元吉[1]、楊芫[2]等人進行了基于繞線電動機控制的轉子變頻技術研究，雖然實現了注水站關回流重載啟動，但這種方式需要將原來的鼠籠式電動機更換為繞線式電動機，改造工作量大。為了實現基于鼠籠式電動機拖動的注水泵直接帶壓力啟動，在充分調研普通變頻[3-5]控制基礎上，開展了矢量控制穩壓注水技術研究。

1 注水站生產現狀

經現場測試分析，注水站回流損失約占整個系統能耗的11%，能量損失嚴重是影響系統效率的主要因素。分析注水站回流產生的原因，精準施策。

1.1 泄壓啟動

長慶油田注水泵電動機由于注水壓力高、電動機功率大，額定功率一般在90～315 kW，注水泵再啟動是需要放掉管線壓力，同時還要采用軟啟動控制。

1.2 運行不匹配

注水站泵排量與實際配注量往往不匹配，運行時就會產生回流。一是采用工頻運行的注水泵不能實時調整注水泵轉速來滿足配注的要求，需要通過調整回流來滿足。二是常規變頻調速系統與三相異步電動機適配性差，在低速運行下電動機的同軸風扇散熱能力下降，導致電動機不可以在低速下長時間重載運行；普通變頻往往導致電動機溫升，一般上升5～10 ℃。

2 技術改造措施

要消除注水站回流，實現穩壓注水，應提高注水泵電動機的輸出轉矩，達到帶管線壓力啟動，消除啟動泄壓的回流；同時，要提高電動機控制精度與調速范圍，消除正常運行時注水泵回流。通過對三相異步電動機及控制系統調研分析[6-7]，優選了三相異步電動機的矢量控制方式[8-9]，實現注水泵可以重載啟動運行，徹底關閉注水站回流，達到節能降耗的目的。

2.1 矢量控制原理

針對電動機的矢量控制，即電動機的磁場定向控制Field-oriented Control，通過特殊的矢量矩陣轉換把互相耦合的三相交流電參數，變換為兩相直流電參數，且這兩相電相互垂直，分別用來控制電動機的磁場與轉矩，從而提高電動機的轉矩和電動機的控制精度。

通過矢量控制的電動機在重載啟動時能夠達到2 倍額定輸出轉矩，即使在低頻狀態下啟動大扭矩輸出特點也比較明顯，矢量控制電動機帶載啟動扭矩變化情況見圖1。

圖1 矢量控制電動機帶載啟動扭矩變化情況

2.2 電動機降溫設計

為了減少因電動機在低速變頻運行時電動機溫度過高，從而影響電動機調速范圍產生回流，系統控制上：一是在電動機尾端另外增加1 個獨立風扇，提高電動機的散熱能力；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電動機的沖擊及溫升的影響。

輸入電抗器：在變頻裝置中內置直流電抗器，輸入電流平均降低25%，主要諧波畸變率降低50%，直流電抗器對電動機輸入電流和諧波畸變率影響見表1。

表1 直流電抗器對電動機輸入電流和諧波畸變率影響

3 試驗效果分析

該技術已在長慶油田采油一廠、三廠、五廠、六廠等單位15 個注水站的19 臺注水泵上進行帶載啟動穩壓注水技術改造。帶載啟動電流小于電動機額定電流的1.5 倍，且壓力運行平穩，壓力波動小于0.1 MPa，年節約電量442.5×104kWh，節約電費274.4 萬元，節能效果明顯；同時，提高注水站精細管理水平，降低注水壓力波動，實現注水泵帶載啟動穩壓注水。注水泵在17 MPa 下啟動電流、頻率、壓力變化趨勢見圖2，注水泵矢量控制運行注水壓力變化情況見圖3。

圖2 注水泵在17 MPa 下啟動電流、頻率、壓力變化趨勢

圖3 注水泵矢量控制運行注水壓力變化情況

4 結論

1）注水泵采用矢量控制改造后，注水泵帶載啟動電流小，且運行平穩，消除啟動時回流，為高壓注水泵實現無人值守、自動控制提高技術支撐。

2）注水泵電動機采用獨立風扇控制與雙電抗器控制方式，降低電動機在低速運行下電動機溫度，提高電動機調速范圍，消除運行過程回流。

3）注水泵帶載啟動穩壓注水技術改造，可減少現場操作人員勞動強度，節約電費及閥門更換費用，節能挖潛效果明顯。