高压变频器在大港油田西一注水站的应用
摘要：根据油田实际注水情况，提出了目前注水泵站在生产过程中存在的主要问题，有针对性的运用高压变频技术来解决高压注水泵耗能问题，以满足油田生产的需要。
关键词：油田企业；单耗；节能
1 项目基本情况
西一联合站位于港西地区，始建于1970年，并分别于1974年、1980年、1993年、2000年、2006年进行过相应的工艺改造，担负港西作业一区油气水处理、西二联低含水油处理、南线来油输送等任务，是一座集原油处理、原油外输、采出水处理、采出水回注、回掺等功能为一体的综合性油气处理联合站。该站设计原油处理能力12000 m3/d，采出水处理能力13000m3/d，采出水回注能力8640m3/d，掺水能力2200m3/d。同时，该站还担负着大港油田南线来油的储存、外输、加热等工作，是大港油田原油储运系统的重要枢纽。
西一联合站西一注水站建于1975年，采用多级高压离心注水泵注水，主要配套设施包括2具1000注水罐，DF型多级高压离心泵3台，工频运行，工作制度二运一备。注水泵电压6KV，机泵运行电流102A，日注水量约8600 m3/d，年耗电量约1625×104kw.h。
1.1存在问题
1.1.1泵出口阀门节流，泵管压差大，无功损耗高。
西一注注水泵日注水量在8600m3，设计日注水量8640m3，注水泵泵压13.4MPa，注水管压11.0-12.5MPa，泵管压差在0.9～2.4MPa之间，出口阀门截流严重，造成注水泵机组效率低、电能消耗大，注水生产成本大。造成此情况是由于不同时期油田开发配注量的调整，以及钻井注水井占用、洗井等原因，使油层注入压力和注入量处于变化中，造成注水泵排出量与配注量不匹配。为了适应注水量变化的需求，一般通过人工调节出口阀门来控制流量，泵机组在节流状态下运行，使得注水泵运行偏离了高效区，且阀门处又因节流损失了大量的能量，如果人工调节不及时，将影响油田正常注水，并会带来安全隐患。
1.1.2 注水泵工频启动，对供电电网冲击较大，易造成配电设备的故障。
配套大功率电机的注水泵工频启动，对供电电网冲击较大，易造成配电设备的故障。改造前，西一注高压配电室所用PT已烧毁多年，而且配电柜老化严重，已对西一注注水系统平稳运行造成隐患。此外，该站高压电缆为1992年铺设，采用铝芯无铠电缆。注水泵工频启动对电网的冲击效应会对该电缆造成一定安全隐患。一旦发生事故，将无法保证注水系统正常运行。
1.2 泵站改造的目的和要求
（1）满足注水需求，在保证注水干压不降低情况下，降低泵管压差，减少无功损耗，改造后阀门可以全开，消除泵管压趋近为0 MPa。
（2）在保证注水干压满足注水需求的情况下，实现注水泵一定范围内压力、排量可调，注水站单泵排量范围增大到DFW180-110X12（150～210m3/h）。
（3）完善设备自动保护，可以实现多级高压离心注水泵软启动功能及远程启停功能，并进行逻辑控制（报警及系统连锁控制），提高人员和设备安全管理程度。
2 技术方案及原理
2.1高压变频系统概述
西一注建有离心式注水泵3台，二运一备，注水量8600m3/d，临近满负荷运行。根据电机额定电压6KV和注水泵负载额定功率950KW、1000KW，选用适合驱动高压异步电动机的水泵类变频器JD-BP37-1000Z，采用一拖二运行方式来满足现场要求。特点如下：
（1）优良的调速性能，满足生产工艺要求；
（2）良好的節能效果，提高系统运行效率；
（3）实现最大投资效益比，变频一拖二运行满足了系统节能运行，控制了整体投资；
（4）实现系统软启动，减小启动冲击，降低维护费用，延长设备寿命；
（5）系统安全、可靠，确保负载连续运行；
（6）控制方便、灵活，自动化水平高。
2.2技术方案及原理
通过对注水泵进行高压变频的技术改造，可以对注水泵运行参数进行调节，以达到消除泵管压差，降低注水单耗的目的。
电动机可以经高压隔离开关1#QS1和高压真空接触器KM1、高压隔离开关1#QS2和高压真空接触器KM3变频运行，也可以经过高压真空接触器KM5工频运行；2#电动机可以经过高压隔离开关2#QS1和高压真空接触器KM1、高压隔离开关2#QS2和高压真空接触器KM4变频运行，也可以经高压真空接触器KM6工频运行。实现一台变频器可以轮流拖动两台电动机变频运行。
（1）高压变频调速驱动装置采用直接‘高-高’结构，6kV直接输出，不需输出升压变压器，输出为单元串联移相式PWM方式。整套变频调速驱动装置，包括移相变压器、变频器、隔离刀闸柜等所有部件及内部连线一体化设计，现场只须连接高压输入，高压输出、控制电源和监控数据线即可。在20～100%的负载变化情况内达到或超过0.96的功率因数，并且电流谐波少，无须功率因数补偿/谐波抑制装置。
（2）控制器采用DSP+FPGA芯片，设计的算法能保证电机达到最优的运行性能。彩色嵌入式人机界面提供友好的全中文监控和操作界面，同时可以实现远程监控和网络化控制。
（3）变频装置还具有以下基本保护功能：过电压保护、欠压保护、缺相保护、过电流保护、过载保护、过热保护、光纤故障保护、超频保护、失速保护、接地保护、短路保护。提高了系统的安全性。
3节能点及效果
3.1主要节能点
（1）阀门完全打开不存在憋压现象，泵管压差减小了，提高了系统有用功率，节约了能源。
（2）注水系统可以和港西注水管网需求高效动态匹配，不增加无用功，保证了整体注水管网的运行平稳。
（3）排量在一定范围内（如果生产需要）可以调节，降低了单耗，节约了能源。
（4）实现了对设备的软启动，即避免了启动电流大造成的能量损失，又避免了启动电流大对电机、配电设施的过流损害，延长了使用寿命。
3.2实际效益
2017年初，西一注3台注水泵的平均电流与去年同期对比下降了18A左右，据统计安装变频后注水月均用电量127.4万kw.h，比去年同期注水月均用电量134.9万kw.h减少了7.5万kw.h，注水单耗由年初的5.1降低到4.6kw.h。
通过西一转注水泵2016年一季度与2017年一季度单耗柱状图同期对比数据可以看到，改造后的注水泵机组节能效果较为显著；在全年注水量与上一年注水量相当的情况下，预计2017年可节电156×104kw.h，年实现节约电费127万元。
同时，西一联采用变频控制后，减少工频启动对电网的冲击造成的影响，减少维修费6万元，新增变频装置维护费3万元。
西一转高压变频器投运后，我们对更换高压变频器前后能耗数据进行了检测。更换后西一注注水高压变频采用一拖二变频控制，二运一备，综合节能率达11.65%。
4结论
该变频投产运行后，较原生产系统相比，生产效率显著提高，在降低了电量消耗、生产成本的同时，也降低了员工的劳动强度，起停泵及数据采集可在操作室通过计算机一键完成，既满足了生产需要，又达到了预期的节能降耗的目的（三年可回收投资），符合企业所强调的安全生产、清洁环境、保障职工身体健康、社会和谐发展的要求，体现了安全、节能、环保的宗旨。
（作者单位：中国石油大港油田公司第五采油厂）