油田注水系統(tǒng)中高壓變頻器的節(jié)能潛力分析

1、科協(xié)論壇·2009年第8期(下 1引言油田在進(jìn)行開發(fā)時(shí),為了保持油田較長(zhǎng)開發(fā)周期和原油產(chǎn)量的穩(wěn)定,基本上都要采用保持壓力的開采方法。與其他物質(zhì)相比,注入水具有毋須質(zhì)疑的優(yōu)點(diǎn),一方面水的來(lái)源比較容易解決;另一方面,從一個(gè)油層中用水來(lái)排油,水作為介質(zhì)十分理想。水在油層中具有的擴(kuò)散能力,使油層保持較高的壓力水平。由于保持油層壓力始終處于飽和壓力以上,就會(huì)使地下原油保持良好的流動(dòng)條件,有利于提高油田原油采收率。在注水系統(tǒng)中,既需保持一定的管網(wǎng)壓力,把水注入地層,又要保持足夠的流量,才能保證生產(chǎn)所需的足夠油層壓力。因而,油田注水系統(tǒng)大都采用高壓(6kv 、大容量電機(jī)(1250kw 2500kw

2、 。目前,中原油田已安裝6kv 注水電機(jī)49臺(tái),總功率為81400kw ,正常運(yùn)行19臺(tái)、功率40000kw 左右。由于中原油田地形復(fù)雜,屬斷快油田,滲透率差別大,注水井油層深度不一樣,地層壓力變化大,造成各類注水井實(shí)際注水壓力相差大,經(jīng)常發(fā)生變化,為滿足各種情況下對(duì)注水量的需要,在選用機(jī)和泵時(shí)往往都留有一定的富余容量,而且也不總是在最大負(fù)荷下運(yùn)行,致使目前注水泵站存在以下問題:(1泵效低:基本都在70%以下;(2調(diào)節(jié)不靈活:部分注水泵的排量和揚(yáng)程都不可調(diào)。這不能適應(yīng)現(xiàn)代油田的注水工藝的要求,更不能符合油田發(fā)展的需要。為了調(diào)壓、調(diào)流量,只好采用耗損節(jié)流的方式,這更加大了電能的消耗,不利于對(duì)生產(chǎn)

3、成本的控制;(3設(shè)備工藝陳舊:由于目前油田大部分的注水泵站投產(chǎn)的時(shí)間較長(zhǎng),再加上受過(guò)去技術(shù)條件等方面的限制,其結(jié)構(gòu)已經(jīng)很難符合現(xiàn)在的應(yīng)用需求,布線、接線等方面的工藝也難以達(dá)到現(xiàn)代應(yīng)用的技術(shù)要求。這些因素使得注水泵在運(yùn)行過(guò)程中故障頻率較高、泵損嚴(yán)重,增加了維護(hù)的難度和工作量,減少了注水泵站的有效運(yùn)行時(shí)間;(4自動(dòng)化程度低:目前大部分注水泵站的自動(dòng)化程度都不高,對(duì)過(guò)程中的參數(shù)檢測(cè)不準(zhǔn)確;(5無(wú)用功損耗大:隨著注水壓力的變化,為了保證足夠的流量和一定的壓力,常常需要一臺(tái)泵滿負(fù)荷運(yùn)行,另一臺(tái)泵控制閥門開50%左右。這樣,一方面每臺(tái)泵的實(shí)際輸出流量和額定流量之間存在一個(gè)流量差額;另一方面在泵壓和管壓之間

4、就形成了一個(gè)壓差,也正是這個(gè)壓差造成了巨大的能源消耗。2變頻調(diào)速系統(tǒng)分析通過(guò)整流橋?qū)⒐ゎl交流電壓變?yōu)橹绷麟妷?再由逆變器轉(zhuǎn)化為頻率可調(diào)的交流,作為交流異步電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源,使電動(dòng)機(jī)獲得無(wú)級(jí)調(diào)速所需的電壓和電流。交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為:n=60f 1(1-s /p 式中:f 1定子供電頻率;p 極對(duì)數(shù);s 轉(zhuǎn)差率。由式可知,通過(guò)改變定子的頻率就能實(shí)現(xiàn)連續(xù)地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。電動(dòng)設(shè)備在工作機(jī)械上主要表現(xiàn)為壓縮或傳輸氣體和液體,它們的結(jié)構(gòu)和工作特性基本相同,主要表現(xiàn)在流量Q 、風(fēng)壓或揚(yáng)程H 、軸功率P 的關(guān)系上。當(dāng)電動(dòng)設(shè)備的轉(zhuǎn)速一定時(shí),它們的軸功率與單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)的流量和風(fēng)壓或揚(yáng)程的乘積成正比,即:P

5、 Q ·H 。電動(dòng)設(shè)備的運(yùn)行工作點(diǎn)由管網(wǎng)特性曲線和其性能曲線的交點(diǎn)確定,如圖所示,A 點(diǎn)即為正常運(yùn)行工作點(diǎn),此點(diǎn)隨著電動(dòng)設(shè)備負(fù)載的變化而變化。當(dāng)負(fù)載減小,調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子速率,從n1變到n2,則流量從Q1變到Q2,風(fēng)壓或揚(yáng)程由H1變到H2,滿足負(fù)載要求。而此時(shí)的運(yùn)行工作點(diǎn)變?yōu)锽 點(diǎn)。從圖中可看出,調(diào)速后的軸功率P2(等于Q2H2,其中為比例系數(shù)與調(diào)速前的軸功率P1(等于Q1H1,其中為比例系數(shù)相比減少了很多,且減小后的輸出功率滿足:P2=P1(n2/n13,由此可知,當(dāng)電動(dòng)設(shè)備的負(fù)載變化時(shí),調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可減少輸入功率,從而達(dá)到節(jié)電的目的。3變頻改造效果分析1999年全局注水量為364

6、9.7萬(wàn)m3,耗電量為32857.9萬(wàn)kwh ,注水單耗平均為9kwh/m3,最高達(dá)到14.6kwh/m3,最低為7.35kwh/m3;如在變壓器和注水泵之間加裝高壓交流變頻調(diào)速器,供給注水泵變頻電源,自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速,將閥門全部打開,取消泵壓和管壓之間的壓差,不僅能極大的降低能耗、改善生產(chǎn)工藝、提高注水系統(tǒng)的效率,而且可降低泵的噪音和震動(dòng),減少維修工作量,延長(zhǎng)整個(gè)系統(tǒng)的使用壽命,還可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)油田生產(chǎn)的現(xiàn)代化管理和控制。現(xiàn)以采油二廠濮一聯(lián)注水泵為例,進(jìn)行分析:濮一聯(lián)現(xiàn)安裝5臺(tái)注水泵:2臺(tái)1800kw 、2臺(tái)2000kw 、1臺(tái)1250kw ,正常運(yùn)行2臺(tái)1800kw 注水泵。一臺(tái)泵滿負(fù)荷運(yùn)行

7、,另一臺(tái)通過(guò)閥門調(diào)節(jié),以保證足夠的流量和管網(wǎng)壓力。1800kw 注水泵的相關(guān)參數(shù)如下:1#泵(8:00原始運(yùn)行紀(jì)錄:4#泵(8:00原始運(yùn)行紀(jì)錄:從上表可看出,4#泵滿負(fù)荷運(yùn)行,1#泵通過(guò)閥門調(diào)節(jié)流量至一半,兩臺(tái)泵的泵壓基本保持不變,輸出管網(wǎng)壓力(分水器壓力保持不變,管網(wǎng)壓力和泵壓差約為1.53.0Mpa 。(下轉(zhuǎn)第40頁(yè)溫德鑫1胡啟智2(1中原油田規(guī)劃計(jì)劃處河南·濮陽(yáng)4570012中原油田采油五廠河南·濮陽(yáng)457001摘要:本文針對(duì)油田注水系統(tǒng)中存在的諸多問題,應(yīng)用高壓變頻器進(jìn)行了系統(tǒng)改造控制,經(jīng)過(guò)實(shí)際分析展現(xiàn)了其巨大的節(jié)能潛力。關(guān)鍵詞:注水變頻器節(jié)能中圖分類號(hào):TQ15

8、3中圖分類號(hào):A文章編碼:1007-3973(200908-037-02油田注水系統(tǒng)中高壓變頻器的節(jié)能潛力分析 工程技術(shù)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)與37科協(xié)論壇·2009年第8期(下 (上接第37頁(yè)如對(duì)其中一臺(tái)1800kw 電機(jī)作變頻改造,根據(jù)注水量的大小調(diào)整電機(jī)運(yùn)行方式,一臺(tái)滿負(fù)荷運(yùn)行,另一臺(tái)變頻運(yùn)行,將控制閥門全部打開,注水泵和管網(wǎng)之間的壓差取消,即:泵壓由變頻前的平均19.0Mpa 變?yōu)槠骄芫W(wǎng)壓力17.0Mpa 。按照功率、轉(zhuǎn)速、流量、揚(yáng)程(泵壓之間的關(guān)系,可以計(jì)算得出:年節(jié)電量246.156萬(wàn)kwh ,年節(jié)電費(fèi)118.1548萬(wàn)元,投資回收期1.98年。4結(jié)論從以上分析可看出,注水電機(jī)采用高

9、壓變頻改造后,節(jié)能效果顯著,綜合效益好,而且流量、壓力變化越大,其節(jié)能效果越明顯。全局如改造10臺(tái),平均壓差按2Mpa 計(jì)算,電力負(fù)荷可降低3000kw 左右,年節(jié)電2600萬(wàn)kwh ,節(jié)支電費(fèi)1248萬(wàn)元。高壓交流變頻調(diào)速技術(shù)作為一種高效的節(jié)電方式已經(jīng)受到廣泛的重視,它不僅節(jié)電效果顯著,而且還具有很好的社會(huì)效益:電機(jī)由于軟啟動(dòng),啟動(dòng)電流小,啟動(dòng)過(guò)程平穩(wěn),對(duì)電網(wǎng)和電氣設(shè)備沒有沖擊,對(duì)機(jī)泵也不產(chǎn)生大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩沖擊,減輕了機(jī)械震動(dòng)和噪聲,延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命,降低維修費(fèi)用;同時(shí),由于降低了電力負(fù)荷,從而減少了電網(wǎng)建設(shè)的費(fèi)用以及電力維修費(fèi)用。因此,高壓交流變頻調(diào)速技術(shù)的推廣應(yīng)用是企業(yè)降本增效比較直接、

10、有效的措施之一,具有廣闊的發(fā)展前景。參考文獻(xiàn):1張皓,續(xù)明進(jìn),楊梅.高壓大功率交流變頻調(diào)速技術(shù)M.機(jī)械工業(yè)出版社,2006.8.2孫傳森,錢平.變頻器技術(shù)M.高等教育出版社,2005.3黃立培,張學(xué).變頻器應(yīng)用技術(shù)及電動(dòng)機(jī)調(diào)速M(fèi).人民郵電出版社,1998.7.4張燕賓.變頻器應(yīng)用教程M.機(jī)械工業(yè)出版社,2007.圖6工業(yè)以太網(wǎng)配置圖變頻器的通信區(qū)為PKW 和PZD 。PLC 與監(jiān)控軟件的MPI 通信:本系統(tǒng)采用Wincc 組態(tài)軟件與S7-300的PLC 通過(guò)MPI 通信對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行監(jiān)控,操作員可以很方便地在操作員計(jì)算機(jī)上控制現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)過(guò)程。為了建立連接,選擇“SIMATIC S7PROTOCO

11、L SUITE ”連接驅(qū)動(dòng),將其添加到“變量管理”下,然后選擇MPI 通信驅(qū)動(dòng)建立變量與PLC 的CPU 相連接,如圖5所示。圖5配置Wincc4中層網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)4.1概述基于IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn),工業(yè)以太網(wǎng)提供了針對(duì)制造業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn),將高速傳輸技術(shù)引入到工業(yè)控制領(lǐng)域(一般在10100Mbps ,而且很容易與Internet 相連接,本系統(tǒng)中層網(wǎng)絡(luò)采用的就是西門子的工業(yè)以太網(wǎng)。4.2硬件與軟件配置PC 端選擇CP1613的以太網(wǎng)卡,PLC 端選擇CP343-1,OSM ITP62的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī),ITP 標(biāo)準(zhǔn)電纜,光纜,軟件需要STEP7,Wincc ,SIMATIC NE

12、T V6.2。4.3組態(tài)用ITP 的標(biāo)準(zhǔn)電纜將CP343-1,CP1613與OSM 的電氣接口相連接(所選的OSM 有6個(gè)ITP 電纜接口和2對(duì)光纖接口,OSM 之間用光纜相連接,如圖6所示。在STEP7中建立兩個(gè)S7-300的站點(diǎn)、一個(gè)PC 站點(diǎn),在S7-300的硬件組態(tài)中選擇CP343-1并新建一個(gè)以太網(wǎng),然后將PC 站點(diǎn)加入這個(gè)新建的以太網(wǎng),如圖7所示。圖7以太網(wǎng)的組態(tài)在PC 站點(diǎn)安裝Wincc 組態(tài)軟件,添加“SIMATIC S7PROTOCOL SUITE ”,如圖7所示選擇Industrial Ethernet 通信驅(qū)動(dòng)建立變量與PLC 的CPU 相連接,實(shí)現(xiàn)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)對(duì)兩條生產(chǎn)線進(jìn)行監(jiān)控。5上層網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)將工程師計(jì)算機(jī)通過(guò)Internet 與遠(yuǎn)程診斷中心、人工專家相連,當(dāng)系統(tǒng)遇到廠內(nèi)無(wú)法解決