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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)到開采出油氣的目的。由于油田每個(gè)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(shí)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(shí)際流量不相匹配的問題（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(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(huì)造成油層壓力下降；注水壓力過高，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)是采油廠的耗電大戶，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題。
　　東營(yíng)東辛采油廠辛五注水站共有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、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)特性曲線來調(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(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)決定選用山東九游娱乐官方网站電子公司生產(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，采用雙管線對(duì)井下注水的方式，對(duì)各自的輸出管線打壓，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的利用率。在啟動(dòng)前首先打開環(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(dòng)時(shí)電流過大，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九游娱乐官方网站電子公司生產(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_，KM5斷開。變頻上電后，通過內(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，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)行控制過程類似。
　　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(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，通過頻率的變化以達(dá)到期望的排量值。通過上述閉環(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
　　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(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，將為采油廠及油田的節(jié)能降耗工作帶來更加積極的作用。