油田注水系统中高压变频器的节能潜力分析

1、科协论坛2009年第8期(下 1引言油田在进行开发时,为了保持油田较长开发周期和原油产量的稳定,基本上都要采用保持压力的开采方法。与其他物质相比,注入水具有毋须质疑的优点,一方面水的来源比较容易解决;另一方面,从一个油层中用水来排油,水作为介质十分理想。水在油层中具有的扩散能力,使油层保持较高的压力水平。由于保持油层压力始终处于饱和压力以上,就会使地下原油保持良好的流动条件,有利于提高油田原油采收率。在注水系统中,既需保持一定的管网压力,把水注入地层,又要保持足够的流量,才能保证生产所需的足够油层压力。因而,油田注水系统大都采用高压(6kv 、大容量电机(1250kw 2500kw 。目前,中

2、原油田已安装6kv 注水电机49台,总功率为81400kw ,正常运行19台、功率40000kw 左右。由于中原油田地形复杂,属断快油田,渗透率差别大,注水井油层深度不一样,地层压力变化大,造成各类注水井实际注水压力相差大,经常发生变化,为满足各种情况下对注水量的需要,在选用机和泵时往往都留有一定的富余容量,而且也不总是在最大负荷下运行,致使目前注水泵站存在以下问题:(1泵效低:基本都在70%以下;(2调节不灵活:部分注水泵的排量和扬程都不可调。这不能适应现代油田的注水工艺的要求,更不能符合油田发展的需要。为了调压、调流量,只好采用耗损节流的方式,这更加大了电能的消耗,不利于对生产成本的控制;

3、(3设备工艺陈旧:由于目前油田大部分的注水泵站投产的时间较长,再加上受过去技术条件等方面的限制,其结构已经很难符合现在的应用需求,布线、接线等方面的工艺也难以达到现代应用的技术要求。这些因素使得注水泵在运行过程中故障频率较高、泵损严重,增加了维护的难度和工作量,减少了注水泵站的有效运行时间;(4自动化程度低:目前大部分注水泵站的自动化程度都不高,对过程中的参数检测不准确;(5无用功损耗大:随着注水压力的变化,为了保证足够的流量和一定的压力,常常需要一台泵满负荷运行,另一台泵控制阀门开50%左右。这样,一方面每台泵的实际输出流量和额定流量之间存在一个流量差额;另一方面在泵压和管压之间就形成了一个

4、压差,也正是这个压差造成了巨大的能源消耗。2变频调速系统分析通过整流桥将工频交流电压变为直流电压,再由逆变器转化为频率可调的交流,作为交流异步电动机的驱动电源,使电动机获得无级调速所需的电压和电流。交流电动机的转速公式为:n=60f 1(1-s /p 式中:f 1定子供电频率;p 极对数;s 转差率。由式可知,通过改变定子的频率就能实现连续地调节转子的转速。电动设备在工作机械上主要表现为压缩或传输气体和液体,它们的结构和工作特性基本相同,主要表现在流量Q 、风压或扬程H 、轴功率P 的关系上。当电动设备的转速一定时,它们的轴功率与单位时间内流过的流量和风压或扬程的乘积成正比,即:P Q H 。

5、电动设备的运行工作点由管网特性曲线和其性能曲线的交点确定,如图所示,A 点即为正常运行工作点,此点随着电动设备负载的变化而变化。当负载减小,调节电动机的转子速率,从n1变到n2,则流量从Q1变到Q2,风压或扬程由H1变到H2,满足负载要求。而此时的运行工作点变为B 点。从图中可看出,调速后的轴功率P2(等于Q2H2,其中为比例系数与调速前的轴功率P1(等于Q1H1,其中为比例系数相比减少了很多,且减小后的输出功率满足:P2=P1(n2/n13,由此可知,当电动设备的负载变化时,调节转子转速可减少输入功率,从而达到节电的目的。3变频改造效果分析1999年全局注水量为3649.7万m3,耗电量为3

6、2857.9万kwh ,注水单耗平均为9kwh/m3,最高达到14.6kwh/m3,最低为7.35kwh/m3;如在变压器和注水泵之间加装高压交流变频调速器,供给注水泵变频电源,自动调节电机转速,将阀门全部打开,取消泵压和管压之间的压差,不仅能极大的降低能耗、改善生产工艺、提高注水系统的效率,而且可降低泵的噪音和震动,减少维修工作量,延长整个系统的使用寿命,还可进一步实现油田生产的现代化管理和控制。现以采油二厂濮一联注水泵为例,进行分析:濮一联现安装5台注水泵:2台1800kw 、2台2000kw 、1台1250kw ,正常运行2台1800kw 注水泵。一台泵满负荷运行,另一台通过阀门调节,以

7、保证足够的流量和管网压力。1800kw 注水泵的相关参数如下:1#泵(8:00原始运行纪录:4#泵(8:00原始运行纪录:从上表可看出,4#泵满负荷运行,1#泵通过阀门调节流量至一半,两台泵的泵压基本保持不变,输出管网压力(分水器压力保持不变,管网压力和泵压差约为1.53.0Mpa 。(下转第40页温德鑫1胡启智2(1中原油田规划计划处河南濮阳4570012中原油田采油五厂河南濮阳457001摘要:本文针对油田注水系统中存在的诸多问题,应用高压变频器进行了系统改造控制,经过实际分析展现了其巨大的节能潜力。关键词:注水变频器节能中图分类号:TQ153中图分类号:A文章编码:1007-3973(2

8、00908-037-02油田注水系统中高压变频器的节能潜力分析 工程技术产业经济与37科协论坛2009年第8期(下 (上接第37页如对其中一台1800kw 电机作变频改造,根据注水量的大小调整电机运行方式,一台满负荷运行,另一台变频运行,将控制阀门全部打开,注水泵和管网之间的压差取消,即:泵压由变频前的平均19.0Mpa 变为平均管网压力17.0Mpa 。按照功率、转速、流量、扬程(泵压之间的关系,可以计算得出:年节电量246.156万kwh ,年节电费118.1548万元,投资回收期1.98年。4结论从以上分析可看出,注水电机采用高压变频改造后,节能效果显著,综合效益好,而且流量、压力变化越

9、大,其节能效果越明显。全局如改造10台,平均压差按2Mpa 计算,电力负荷可降低3000kw 左右,年节电2600万kwh ,节支电费1248万元。高压交流变频调速技术作为一种高效的节电方式已经受到广泛的重视,它不仅节电效果显著,而且还具有很好的社会效益:电机由于软启动,启动电流小,启动过程平稳,对电网和电气设备没有冲击,对机泵也不产生大的启动转矩冲击,减轻了机械震动和噪声,延长设备的使用寿命,降低维修费用;同时,由于降低了电力负荷,从而减少了电网建设的费用以及电力维修费用。因此,高压交流变频调速技术的推广应用是企业降本增效比较直接、有效的措施之一,具有广阔的发展前景。参考文献:1张皓,续明进

10、,杨梅.高压大功率交流变频调速技术M.机械工业出版社,2006.8.2孙传森,钱平.变频器技术M.高等教育出版社,2005.3黄立培,张学.变频器应用技术及电动机调速M.人民邮电出版社,1998.7.4张燕宾.变频器应用教程M.机械工业出版社,2007.图6工业以太网配置图变频器的通信区为PKW 和PZD 。PLC 与监控软件的MPI 通信:本系统采用Wincc 组态软件与S7-300的PLC 通过MPI 通信对生产线进行监控,操作员可以很方便地在操作员计算机上控制现场的生产过程。为了建立连接,选择“SIMATIC S7PROTOCOL SUITE ”连接驱动,将其添加到“变量管理”下,然后选

11、择MPI 通信驱动建立变量与PLC 的CPU 相连接,如图5所示。图5配置Wincc4中层网络的实现4.1概述基于IEEE802.3标准,工业以太网提供了针对制造业控制网络的数据传输以太网标准,将高速传输技术引入到工业控制领域(一般在10100Mbps ,而且很容易与Internet 相连接,本系统中层网络采用的就是西门子的工业以太网。4.2硬件与软件配置PC 端选择CP1613的以太网卡,PLC 端选择CP343-1,OSM ITP62的工业以太网交换机,ITP 标准电缆,光缆,软件需要STEP7,Wincc ,SIMATIC NET V6.2。4.3组态用ITP 的标准电缆将CP343-1

12、,CP1613与OSM 的电气接口相连接(所选的OSM 有6个ITP 电缆接口和2对光纤接口,OSM 之间用光缆相连接,如图6所示。在STEP7中建立两个S7-300的站点、一个PC 站点,在S7-300的硬件组态中选择CP343-1并新建一个以太网,然后将PC 站点加入这个新建的以太网,如图7所示。图7以太网的组态在PC 站点安装Wincc 组态软件,添加“SIMATIC S7PROTOCOL SUITE ”,如图7所示选择Industrial Ethernet 通信驱动建立变量与PLC 的CPU 相连接,实现通过工业以太网对两条生产线进行监控。5上层网络的实现将工程师计算机通过Internet 与远程诊断中心、人工专家相连,当系统遇到厂内无法解决的