產(chǎn)品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
少用電 用好電 再生電 存儲電 防爆電
解決方案
高壓變頻器在勝利油田柱塞泵上的應用
1 引言
油田的油井注水是油田生產(chǎn)的關鍵環(huán)節(jié),。在一些供液不足的油井,需要先向井內注入一定量的水,,將油稀釋,,并將液面提升到一定高度,才易于開采,。柱塞泵是滿足油田注水,,保證地層壓力的關鍵設備,隨著油田開采進入中后期,,油田注水量也將逐年加大,,并呈逐年顯上升趨勢。在高壓注水系統(tǒng)中,,高壓電機中大馬拉小車的現(xiàn)象比較普遍,,柱塞泵泵壓與注水管線干壓之間存在較大的壓差,這樣既造成大量的電能被白白地消耗掉,,同時又由于泵壓較高,,對機泵的運行,管道的使用十分不利,。
2 柱塞泵的工作特點及節(jié)能原理
柱塞泵又稱往復泵,,它主要是依靠泵缸內作往復運動的柱塞來改變工作室的容積,從而達到吸入和排出液體的目的,。它依靠往復運動的柱塞,,將機械能以靜壓形式直接傳遞給液體,泵體內的水力損失較小,。它的突出優(yōu)點是注水壓力高,、泵效高,因此,,在國內油田中得到了日益廣泛的應用,。
但需要指出的是,在一定的轉速和往復次數(shù)下,,柱塞泵的流量幾乎不隨壓力的改變而改變,,而注水系統(tǒng)的實際注入量則因各種原因不斷發(fā)生變化,這樣就會經(jīng)常因為泵的流量高于實際注水量,,使管網(wǎng)中出現(xiàn)壓力過高的現(xiàn)象,。因此造成的弊端有二:一是易引起爆管事故,,不利于安全運行;二是管網(wǎng)壓力越高,,表明水泵所做的無用功也越多,,即泵效越低。
變頻調速技術的節(jié)能效果分析
根據(jù)柱塞泵的流量公式
Q=FSn=i×(лd2/4)×S×n
式中 i—柱塞數(shù)
F—柱塞截面積
n—柱塞每分鐘往復次數(shù)
S—沖程
可知,,改變柱塞泵流量的方式有二,一是柱塞直徑,;二是改變柱塞往復次數(shù),,即電機的轉速,第一種方式,,經(jīng)常改變柱塞直徑是不現(xiàn)實的,,采用第二種方式有更強的科學性和可操作性。即根據(jù)變頻調速原理,,預先在泵出口設定一個恒定不變的壓力值H1(H1為滿足油田生產(chǎn)所需的壓力值),,通過調整柱塞泵的運行工況,實現(xiàn)恒壓變量注水,。
安裝變頻調速裝置后,,依據(jù)注水管網(wǎng)需要的壓力進行參數(shù)設定,自動調節(jié)注水量,,既可節(jié)約大量的電能又能降低機泵的損耗,,對降低油田生產(chǎn)成本有著十分積極的意義。
3 用戶情況
勝利油田某注水站有兩臺1100kW/6kV的注水泵,,采用直接驅動方式控制,,一用一備,柱塞流量通過控制出口閥門打回流的方式進行調節(jié),,造成大量節(jié)流損失,,柱塞泵運行在低效率工作區(qū),浪費嚴重,。目前月注水流量為125956.9m3,,夏秋季節(jié)注水量相應降低,運行中柱塞實際泵壓為15.5MPa,,注水管網(wǎng)實際運行壓力為11.8MPa,,為此注水電機運行時必須靠調節(jié)注水泵出口高壓回流閥門來控制注水管網(wǎng)壓力,以維持聯(lián)網(wǎng)注水平衡,。這樣就造成泵壓與管網(wǎng)干壓平均壓差達到3MPa以上,,造成了大量的電能浪費。
通過綜合調研和考慮,,該用戶選用了新風光電子公司JD-BP37-1250F型號的高壓變頻器,,改造取得了成功,。
4新風光JD-BP37-1250F高壓變頻器的技術參數(shù)
為確保柱塞注水系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性和經(jīng)濟性,,該注水泵機組選用帶一拖二手動旁路的新風光JD-BP37-1250F高壓變頻器,。它采用直接“高-高”形式,風光牌JD-BP37系列高壓變頻器以高速DSP為控制核心,,采用無速度矢量控制技術,、功率單元串聯(lián)多電平技術,屬高-高電壓源型變頻器,,其諧波指標小于IEEE519-1992的諧波標準,,輸入功率因數(shù)高,輸出波形質量好,,不必采用輸入諧波濾波器,、功率因數(shù)補償裝置和輸出濾波器;不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱和轉矩脈動,、噪音,、輸出dv/dt、共模電壓等問題,,可以使用普通的異步電機,。
JD-BP37-1250F高壓變頻器技術參數(shù)如表1所示。
5注水系統(tǒng)恒壓工作原理,、PID設定
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,。因此采用的是注水系統(tǒng)恒壓控制方式,,其工作原理如圖1所示,測量元件為壓力傳感器,,將它設在柱塞水泵機組出水管網(wǎng)上,,Vi為恒定注水壓力設定值,注水壓力V作為輸出量,,構成閉環(huán)控制系統(tǒng),。變頻器內部的PLC采集注水壓力值V與用戶給定值Vi進行比較和運算,通過PID進行調整,,將結果轉換為頻率調節(jié)信號送至變頻器,,直至達到注水壓力的給定值Vi。不管系統(tǒng)注水流量如何變化,注水壓力值V始終維持在給定壓力值Vi附近,。
(1)在PID控制中,,P系數(shù)加大,可以加快調節(jié)速度,。但如果過大,,系統(tǒng)容易因超調而震蕩。若P太小,,又會使系統(tǒng)的動作緩慢,。P可正可負。如果比例系數(shù)為正,,那么該回路為正作用回路,;如果比例系數(shù)為負,那么該回路為反作用回路,。本變頻器P設定為0.30,。
(2)積分I的作用主要是消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差,。但過強的積分作用使注水系統(tǒng)超調加大,。所以在調節(jié)過程初期,應減弱積分作用,,防止產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象,;而到過程后期,應適當增強積分作用,,以提高控制精度,。本變頻器I設定為10.0。
風光高壓變頻器內置PID功能,,其中PID 結構參數(shù)具有以下選擇方式:
0:比例 PID 控制只比例增益起作用
1:積分 PID 控制只積分增益起作用
2:比例+ 積分 PID 控制比例增益和積分增益同時起作用
3:比例+ 積分+ 微分 PID 控制比例增益,、積分增益和微分增益同時起作用
本變頻器PID參數(shù)PID結構選擇2,比例+積分 PID 控制比例增益和積分增益同時起作用,,完全可以滿足注水系統(tǒng)的壓力恒定要求,,不需要設定微分參數(shù)。
6改造主回路
該注水站結合該自身的實際情況,,為滿足泵站的安全運行需求,,要求柱塞水泵電機一用一備設置,選擇新風光高壓變頻調速系統(tǒng)采用一拖二手動運行方式(變頻器分別接1100kW水泵2臺),。其主回路圖如圖2所示,,其中K1刀閘與K4刀閘互鎖,保證兩路高壓電源不會同時作用于變頻回路,;K2刀閘與K3刀閘互鎖,,保證工頻電源與變頻電源不會同時作用于電機M1;K5刀閘與K6刀閘互鎖,保證工頻電源與變頻電源不會同時作用于電機M2,。
選用一拖二結構,,可以保證在電機在故障時通過刀開關的調節(jié),變頻啟動備用水泵,。
7 變頻器運行情況
7.1節(jié)能計算
該注水站水泵變頻節(jié)電改造后,,2016年6月初,正式投入生產(chǎn),,至今運行正常,。系統(tǒng)達到了預期的效果。柱塞泵變頻改造后,,用電量明顯下降,,設備實現(xiàn)了軟起動,改善了設備的運行工況,,極大地減輕了設備起動時對電網(wǎng)的沖擊,。
注水泵電機安裝變頻器前后的注水單耗從6.38kW.h/m3下降到5.74kW.h/m3,該泵每月正常按注水量為125956.9m3左右,,每度電按0.5元計算,,則每月節(jié)省電費:(6.38-5.74)×125956.9×0.5=40180.24元。
7.2其他效果
(1)維護量減少,。采用變頻調速后,,大部分時間里,泵的運行轉速大大低于泵的額定轉速,。由于注水泵啟動緩慢及轉速的降低,,減少了泵的零部件密封、軸承的磨損,,相應地延長了柱塞泵的壽命,。
(2)工作強度降低。采用變頻恒壓閉環(huán)調節(jié)就不用調節(jié)出口回流閥,,操作工作由動手轉變?yōu)樽詣?、監(jiān)控,完全實現(xiàn)油田生產(chǎn)的無人操作,,大大減輕了工人的勞動強度,。
(3)現(xiàn)場噪音大大降低,有效改善現(xiàn)場的運行環(huán)境,,運行人員反映良好,;便于實現(xiàn)注水泵機組控制系統(tǒng)自動化管理。
8結束語
油田的注水系統(tǒng)非常多,,通過使用變頻裝置具有控制精度高,,節(jié)能等優(yōu)點,,在油田注水系統(tǒng)中使用變頻技術,是采油廠及油田生產(chǎn)中節(jié)能降耗非常重要的一種手段,。