转子变频技术在油田注水系统的应用

赵大庆 郭志强 商永滨 李言（西安长庆科技工程有限责任公司）

转子变频技术在油田注水系统的应用

赵大庆 郭志强 商永滨 李言（西安长庆科技工程有限责任公司）

油田注水过程是注水井需求的配注量与注水泵的供给量的动态平衡过程，目前由于定子变频调速技术的局限性，无法实现注水泵排量与所需配注量完全匹配，造成注水站仍有打回流和电能浪费现象。转子变频调速技术在注水站上的应用，解决了供给量与配注量动态平衡，实现了转子变频带压启泵和关回流稳压注水，节约了电能，延长了注水设备的使用寿命，降低了现场操作管理的强度，满足了油田精细注水的需要，具有较高的推广应用价值。

转子变频；变频调速；稳压注水；节能

引言

在油田注水过程中，由于注水泵一般不能调速（工频），其额定流量与所管辖注水井配注量不能完全匹配，通常是泵排量大于配注量。为了满足工况要求，一般采用人工频繁调节回流阀门的方式进行调压和稳压，以保证供注平衡。注水泵满负荷运行造成注水泵温度高、噪音大，设备损耗大、故障率高，同时多余的高压水通过站内回流阀门打回储水罐，造成较大的电能浪费。

随着注水泵变频装置调速技术的发展，目前国内外油田普遍采用定子变频调速技术，定子变频调速运行降低了电动机和泵的转速，减少了机械摩擦的能量损失和注水泵内回流、节流损失，其较好地避免了打回流做无用功和实现稳定的流量和压力的现象。然而定子变频调速技术仍存在一些问题：在高负载低转速运行时，电动机调速过低，电动机、变频器发热严重，电动机转矩变小易出现憋泵；变频系统调速范围受到限制，供给注水量与配注量不相匹配，需依靠人工调节回流阀门保持压力与流量的稳定。

针对当前定子变频装置调速设备在注水站应用的局限性，应用“一拖多”转子变频调速系统，解决了定子变频装置在注水泵应用中存在的问题，实现了注水站带压启泵、关回流节能注水和自动稳压注水，较好地满足了注水工况的要求，大幅提高了注水效率和经济效益[1-2]。

1 转子变频调速系统的原理和构成

转子变频调速是绕线式电动机定子50 Hz工频电源下的转子“交—直—交”变频调速，转子变频调速系统主要由转子变频调速控制设备和绕线式电动机组成。

1.1 转子变频调速控制设备

转子变频调速控制设备主要由逆变柜和转子变频调速柜组成。

转子变频调速柜主要作用是对电动机转子电流和频率进行等效控制，主要部件是斩波器（IGBT）和整流器。整流器是根据二极管的单向导通原理进行工作的，将其接入交流电路时它能使电路中的电流只按单向流动，即实现将交流电转变为直流电。斩波器（IGBT）是进行斩波调速的装置，受高频脉冲电压控制而快速导通和关断的大功率电子开关，斩波器快速开关并对电动机转子电压进行等效控制，从而调节电动机转速[3]。

逆变柜的主要作用是将电动机转差能量转换为与电网同频同相交流电回馈电网，主要的元器件是可控硅逆变器和电抗器。逆变器是将直流电转换为交流电的装置，电抗器主要作用是限制冲击电流、减少谐波电流对电网的污染[4]。

1.2 绕线式电动机

绕线式电动机结构是三相转子绕组连接到装在转轴上的三个铜滑环上，通过一组电刷与外电路相连接。电动机的定子侧直接接入工频电网，通过转子外接电路实现调速控制。绕线式电动机与鼠笼式电动机相比具有启动电流小、启动转矩大的优点，适合油田注水系统高压力低转速运行的工况[5-6]（表1）。

表1 电动机结构及性能对比

1.3 “一拖多”转子变频调速系统构成

当系统中存在多台电动机时，各台电动机的转差功率集中由同一个逆变器逆变成与电网同频同相的交流电回馈至电网，即构成“一拖多”转子变频调速系统[7-8]，见图1。

图1 “一拖多”转子变频技术原理

“一拖多”转子变频调速系统所控制的电动机均可单独实现无级调速，负载可同可异，电动机转速因各自工况自动调整，满足不同工况下的运行需要。

2 注水站应用情况

某注水站设计规模1000 m3/d，系统设计压力25 MPa。站内共有五柱塞注水泵3台（配200 kW绕线式电动机3台），注水泵排量24 m3/h，配注量603 m3/d。

2.1 启动冲击电流测试

将注水泵先停机，调节回流阀稳住管线压力至试验值时启动转子变频调速系统，监测该压力下电动机定子电流峰值，计算出启动冲击负荷大小（表2）。

表2 负荷与电流关系

测试表明，转子变频调速设备在0～15 MPa各种压力下直接启泵，电动机冲击电流均低于电动机额定电流374 A，在系统正常运行范围内。

2.2 转子变频调速运行

测试空载和重载工况下，转子变频占空比（其工作时间与总周期时间的比值）和注水泵电动机转速之间的关系如表3所示。

测试表明，转子变频调速系统具有较好的调速性能，随着占空比的增加，注水泵转速随之增加，注水泵流量随之增加。

2.3 关回流变频运行

由于注水站配注量小于单泵额定排量，注水泵在工频下需要开回流注水才能满足工况要求。测试工频开回流工况下，泵出口流量23.02 m3/h，分水器压力20.42 MPa。

将转子变频调速系统转换至变频模式，关闭回流阀。当转子变频运行至67%占空比时，分水器压力稳定在21 MPa，达到工况要求。

对比试验表明，应用转子变频调速系统通过调整占空比大小能够较好地实现注水站关回流注水。

2.4 转子变频关回流注水节能跟踪

对转子变频调速系统的节能效果进行了测试。变频关回流稳压注水的输入功率比工频开回流稳压注水低41 kW，减少了注水泵打回流造成的电能浪费，有功节电率在20%以上。测试数据如表4所示。

表4 工频与变频注水能耗对比

经过2011年11月至2012年12月一年时间的连续跟踪，该站“一拖多”转子变频系统累计实现关回流注水节电63.3×104kWh，节约电费约36.7万元，平均每天节电约1499 kWh，有功节电率25%。目前，该站每天节电2850 kWh左右，关回流注水节能效果显著。

2.5 自动稳压注水效果跟踪

“一拖多”转子变频控制系统通过对注水泵的出口压力进行监测跟踪，自动调整转子变频运行参数，自动平衡分水器压力和注水排量。结果表明：转子变频调速系统注水压力在工况设定压力22 MPa时，上下波动幅值小、精度高，稳压效果较好，为精细注水、分层注水提供了有力保障，详情见图2。

2.6 转子变频系统的谐波影响

谐波会对电动机造成附加发热使电动机额外升温，产生机械震动等危害。转子变频系统通过电抗器对变频调速过程中产生的谐波进行滤波，再将处理后的电能通过逆变器回馈至电网。在现场对使用转子变频系统前后的谐波含量进行了检测。结果表明：未使用转子变频调速系统时，电网的谐波含量最高达3.88%；使用后，电网的谐波含量在3.4%内，说明了“一拖多”转子变频调速系统具有良好的滤波能力，符合国家相关标准，能满足油田注水生产的需要[9-10]。

图2 转子变频调速系统运行压力波动曲线跟踪

2.7 应用效果

注水泵自动稳压关回流运行，注水井的配注量与注水泵供给的注水量自动实现动态平衡，管线压力波动、运行震动和运行噪音变小，有效延长了注水管线、注水泵运动部件和密封部件的使用寿命，年节省阀门维修更换费用约2万元，提高了注水效率，减少了运行维护费用。

3 结论

1）转子变频调速系统低速范围大，较好地适应了油田注水泵低排量工况注水要求，实现了配注量与注水泵排量的动态平衡，有效解决注水井欠注、超注等问题的发生，关回流注水节能效果显著。

2）实现自动稳压注水，无需卸载带压启泵功能实用，简化油田注水站工作工序，减少了工人频繁操作回流阀门的劳动强度和安全风险，提高了注水效率和管理水平。

3）转子变频控制设备与注水站分水器压力数据实时联动，根据压力变化情况自动调节注水泵电动机的转速，注水系统压力波动范围小，实现了区块恒压平稳注水，延长了注水系统设备、设施使用寿命。

4）“一拖多”转子变频调速系统满足油田高效注水、精细注水和节能注水要求，适应油田注水多变工况，节能效果显著，管理和经济效益可观，具备较好的推广应用前景。

[1]张敬.变频调速技术在油田的应用现状及前景分析[J].江汉石油科技，2006（2）：48-52.

[2]李彦璋，谢龙吉.变频器在油田注水系统中的应用[J].电工技术杂志，2001（11）：17-18.

[3]赵相宾，年培新.谈我国变频调速技术的发展及应用[J].电气传动，2000，30（2）：3-6.

[4]江明，王伟.变频调速技术的发展概况及趋势[J].安徽工程大学学报，2002，17（4）：73-77.

[5]朱丽华.高压变频技术在油田注水系统的应用分析[J].工业，2016（2）：18.

[6]王海文，王一平，冯明华，等.高压变频技术在油田注水系统中的应用与节能分析[J].石油工程建设，2006（3）：28-30.

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[10]佟松林，金春玲.高压变频技术在油田注水系统中的应用[J].石油石化节能，2014（10）：16.

2017-05-17

（编辑 李发荣）

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.10.004

赵大庆，工程师，2009年毕业于中国石油大学（北京）（油气井工程专业），从事油田地面设计和研究工作，E-mail：zdq1_cq@petrochina.com.cn，地址：陕西省西安市未央路151#凤城四路长庆大厦，710018。