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引言油田在進行開發(fā)時,為了保持油田較長開發(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,一方面水的來源比較容易解決;另一方面,從一個油層中用水來排油,水作為介質(zhì)十分理想。水在油層中具有的擴散能力,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,就會使地下原油保持良好的流動條件,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(1250kw 2500kw

2、 。目前,中原油田已安裝6kv 注水電機49臺,總功率為81400kw ,正常運行19臺、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注水量的需要,在選用機和泵時往往都留有一定的富余容量,而且也不總是在最大負荷下運行,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)的時間較長,再加上受過去技術(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到現(xiàn)代應(yīng)用的技術(shù)要求。這些因素使得注水泵在運行過程中故障頻率較高、泵損嚴重,增加了維護的難度和工作量,減少了注水泵站的有效運行時間;(4自動化程度低:目前大部分注水泵站的自動化程度都不高,對過程中的參數(shù)檢測不準確;(5無用功損耗大:隨著注水壓力的變化,為了保證足夠的流量和一定的壓力,常常需要一臺泵滿負荷運行,另一臺泵控制閥門開50%左右。這樣,一方面每臺泵的實際輸出流量和額定流量之間存在一個流量差額;另一方面在泵壓和管壓之間

4、就形成了一個壓差,也正是這個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,作為交流異步電動機的驅(qū)動電源,使電動機獲得無級調(diào)速所需的電壓和電流。交流電動機的轉(zhuǎn)速公式為:n=60f 1(1-s /p 式中:f 1定子供電頻率;p 極對數(shù);s 轉(zhuǎn)差率。由式可知,通過改變定子的頻率就能實現(xiàn)連續(xù)地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。電動設(shè)備在工作機械上主要表現(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)壓或揚程H 、軸功率P 的關(guān)系上。當(dāng)電動設(shè)備的轉(zhuǎn)速一定時,它們的軸功率與單位時間內(nèi)流過的流量和風(fēng)壓或揚程的乘積成正比,即:P

5、 Q ·H 。電動設(shè)備的運行工作點由管網(wǎng)特性曲線和其性能曲線的交點確定,如圖所示,A 點即為正常運行工作點,此點隨著電動設(shè)備負載的變化而變化。當(dāng)負載減小,調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)子速率,從n1變到n2,則流量從Q1變到Q2,風(fēng)壓或揚程由H1變到H2,滿足負載要求。而此時的運行工作點變?yōu)锽 點。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)電動設(shè)備的負載變化時,調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可減少輸入功率,從而達到節(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m3,耗電量為32857.9萬kwh ,注水單耗平均為9kwh/m3,最高達到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,自動調(diào)節(jié)電機轉(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,減少維修工作量,延長整個系統(tǒng)的使用壽命,還可進一步實現(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,進行分析:濮一聯(lián)現(xiàn)安裝5臺注水泵:2臺1800kw 、2臺2000kw 、1臺1250kw ,正常運行2臺1800kw 注水泵。一臺泵滿負荷運行

7、,另一臺通過閥門調(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原始運行紀錄:4#泵(8:00原始運行紀錄:從上表可看出,4#泵滿負荷運行,1#泵通過閥門調(diào)節(jié)流量至一半,兩臺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頁溫德鑫1胡啟智2(1中原油田規(guī)劃計劃處河南·濮陽4570012中原油田采油五廠河南·濮陽457001摘要:本文針對油田注水系統(tǒng)中存在的諸多問題,應(yīng)用高壓變頻器進行了系統(tǒng)改造控制,經(jīng)過實際分析展現(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:TQ15

8、3中圖分類號: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)濟與37科協(xié)論壇·2009年第8期(下 (上接第37頁如對其中一臺1800kw 電機作變頻改造,根據(jù)注水量的大小調(diào)整電機運行方式,一臺滿負荷運行,另一臺變頻運行,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、揚程(泵壓之間的關(guān)系,可以計算得出:年節(jié)電量246.156萬kwh ,年節(jié)電費118.1548萬元,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,平均壓差按2Mpa 計算,電力負荷可降低3000kw 左右,年節(jié)電2600萬kwh ,節(jié)支電費1248萬元。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效益:電機由于軟啟動,啟動電流小,啟動過程平穩(wěn),對電網(wǎng)和電氣設(shè)備沒有沖擊,對機泵也不產(chǎn)生大的啟動轉(zhuǎn)矩沖擊,減輕了機械震動和噪聲,延長設(shè)備的使用壽命,降低維修費用;同時,由于降低了電力負荷,從而減少了電網(wǎng)建設(shè)的費用以及電力維修費用。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:1張皓,續(xù)明進,楊梅.高壓大功率交流變頻調(diào)速技術(shù)M.機械工業(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)及電動機調(diào)速M.人民郵電出版社,1998.7.4張燕賓.變頻器應(yīng)用教程M.機械工業(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MPI 通信對生產(chǎn)線進行監(jiān)控,操作員可以很方便地在操作員計算機上控制現(xiàn)場的生產(chǎn)過程。為了建立連接,選擇“SIMATIC S7PROTOCO

11、L SUITE ”連接驅(qū)動,將其添加到“變量管理”下,然后選擇MPI 通信驅(qū)動建立變量與PLC 的CPU 相連接,如圖5所示。圖5配置Wincc4中層網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)4.1概述基于IEEE802.3標準,工業(yè)以太網(wǎng)提供了針對制造業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸以太網(wǎng)標準,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,ITP 標準電纜,光纜,軟件需要STEP7,Wincc ,SIMATIC NE

12、T V6.2。4.3組態(tài)用ITP 的標準電纜將CP343-1,CP1613與OSM 的電氣接口相連接(所選的OSM 有6個ITP 電纜接口和2對光纖接口,OSM 之間用光纜相連接,如圖6所示。在STEP7中建立兩個S7-300的站點、一個PC 站點,在S7-300的硬件組態(tài)中選擇CP343-1并新建一個以太網(wǎng),然后將PC 站點加入這個新建的以太網(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)動建立變量與PLC 的CPU 相連接,實現(xiàn)通過工業(yè)以太網(wǎng)對兩條生產(chǎn)線進行監(jiān)控。5上層網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)將工程師計算機通過Internet 與遠程診斷中心、人工專家相連,當(dāng)系統(tǒng)遇到廠內(nèi)無法解決