注水泵帶載啟動穩壓注水技術試驗及效果分析

楊孝剛，趙防震，王寶明，邢 磊，郭慧琴

（中國石油長慶油田分公司第三采油廠，寧夏銀川 750006）

注水泵帶載啟動穩壓注水技術試驗及效果分析

楊孝剛，趙防震，王寶明，邢 磊，郭慧琴

（中國石油長慶油田分公司第三采油廠，寧夏銀川 750006）

采油A廠擁有柱塞式注水泵站78座，安裝泵和泵撬320臺（套），注水泵操作標準作業程序規定，注水泵在啟動時，首先要人工現場盤泵，待泵啟動后，使泵空載運轉至注水額定轉速后，操作員工應根據分水器壓力，現場逐漸關小高壓回流閥門調節注水壓力。現場操作環境壓力高，安全隱患大，且節流損失的壓力大，節流能耗浪費嚴重，設備維修費用高。因此，試驗注水泵帶壓啟動穩壓運行，可避免啟動時泄壓造成能量浪費，減少對回流閥損害，降低操作人員進入高壓注水區域風險，同時實現自動穩壓注水，保持注水壓力穩定，確保了鼠籠電機在低頻工作時溫升正常。

注水泵；帶載啟動；穩壓運行；應用效果

1 采油A廠注水泵使用基本概況

1.1 采油A廠注水系統能耗監測

2015年，采油A廠組織對全區113臺注水泵進行了能耗測試（見表1），結果顯示：注水泵平均容積泵效86.4%，注水泵平均機組效率約72%，注水單耗平均值 6.8 kW·h/m3。

2 地面注水工藝存在問題

2.1 常規啟停程序復雜，安全隱患大

按照標準化作業程序，柱塞泵標準啟停一次，操作員工需三次進入注水泵泵房及高壓配水間，開、關高壓閥門10次。操作人員頻繁進、出高壓區域，安全風險大。

2.2 常規啟停操作時間長，能耗浪費嚴重

柱塞泵常規啟停作業，由于環境壓力高不能直接帶載起泵，需通過開、關高壓回流閥門啟動，且注水泵從泄壓-起泵-壓力穩定正常，一般需要30 min～40 min，導致水量通過回流管線進入低壓儲水罐，造成能耗浪費，同時增加了管線和地層設備壓力高低激動損壞頻次。

2.3 頻繁開關，設備維護成本高

（1）頻繁開、關高壓閘門，導致閥體密封面磨損速度快，造成進、排液閥體密封面刺漏，閥內漏量上升，泵排量下降，泵效下降;

（2）設備維護頻繁，工人勞動強度大，附件損壞、消耗率高，維護費用高。

2.4 不能直接帶載啟動，啟（換）泵操作程序復雜

注水泵從泄壓→起泵→壓力穩定正常，一般需要30 min～40 min，注水管線上高壓水通過回流管線進入低壓儲水罐，造成能量浪費；按2臺220 kW的注水泵起泵過程大概耗電110 kW·h～150 kW·h；泄壓又增壓過程對管線和地層容易造成壓力激動（見圖1）。

表1 采油A廠注水系統能耗統計表

圖1 注水站注水流程示意圖

表2 不同電機及控制系統的比較優選

3 注水泵帶載啟動穩壓工藝技術

3.1 注水泵帶載啟動穩壓工藝技術要求

實現注水泵帶載啟動的核心：要求電機啟動轉矩大、過載能力強[1-3]。調研各電機及控制方式特點如下，對比得，矢量控制將三相耦合的交流系統，轉變為互相垂直的兩相直流被控量，分別控制電機的磁場和轉矩，達到類似直流電機的特性實現調速范圍寬、啟動轉矩大、過載能力強等特點（見表2）。

3.2 注水泵帶載啟動穩壓工藝工作原理

根據磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電流和轉矩電流進行控制，從而達到控制異步電動機轉矩的目的。具體是將異步電動機的定子電流矢量分解為產生磁場的電流分量（勵磁電流）和產生轉矩的電流分量（轉矩電流）分別加以控制，并同時控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量，所以稱這種控制方式稱為矢量控制方式（見圖2）。

3.3 自動穩壓注水原理

通過變頻器閉環控制，將注水壓力信號傳至變頻柜的控制器，將實時壓力值與目標值進行閉環PID計算處理，將壓力差值轉換成頻率命令，實現變頻器對注水泵自動調節，保證注水泵自動穩壓注水（見圖3）。

4 現場試驗及效果分析

2016年，積極與A研究所溝通，分析了本廠注水系統運行狀況，針對注水泵現場操作環境壓力高，安全隱患大等問題，引進、試驗了注水泵帶載啟動穩壓運行工藝，通過現場對比。

4.1 注水泵帶載啟動穩壓工藝操作簡單

通過啟泵步驟的對比，帶壓起泵操作安全簡單，傳統啟泵進入高壓區域存在較大安全隱患，回流閥門損壞頻繁，耗費人力、浪費能耗、啟停過程復雜。

4.2 配套獨立風扇，降低普通電機運行溫度

圖2 帶載啟動穩壓工藝工作原理示意圖

圖3 自動穩壓注水技術原理示意圖

圖4 自動穩壓注水技術現場圖

表3 帶載啟動穩壓注水裝置測試數據計算結果

現場電機為異步鼠籠電機，散熱方式為風冷，根據變頻調速系統技術要求，針對原有的風機工作方式不能滿足現場電機的散熱需求，加裝獨立散熱調速風機，改造后，電機溫度最高只有71℃；散熱效果明顯（見圖4）。

4.3 節能效果顯著

安裝帶載啟動穩壓注水裝置后，電動機輸入有功功率合計下降160.62 kW，注水站能量利用率平均值提高12.07%，注水單耗平均值下降1.19 kW·h/m3，有功節電量合計140.19×104kW·h/a，折算標準煤合計468.23 t/a，有功節電率平均值22.02%（見表3）。

4.4 經濟效益評價

全年節約費用：（140.19+3.92）×104×0.62=89.35 萬元，節約維護費用：2.5×12=30萬元，合計：電費89.35萬元+維護費30萬元=119.35萬元。

其中改造費用：當期發生費用=155萬元（5臺設備購置及安裝費用）。

投資回收期：155萬元（投資費用）÷119.35萬元（節約費用）=1.3年。

5 結論

（1）注水泵帶載啟動穩壓運行工藝實現了常規三項異步電機直接帶載啟動，簡化起泵程序；

（2）通過PID控制，實現注水泵注水壓力波動在0.1 MPa內運行，確保了注水系統自動穩壓；

（3）通過PID控制，設定超限報警，當實際壓力超過報警設定值時，注水泵自動保護停泵，降低了注水系統運行安全風險；

（4）與同類技術相比，運行成本降低20%以上。

［1］俞伯炎，等.石油工業節能技術［M］.北京：石油工業出版社，2005.

［2］楊龍周.淺談異步電機矢量控制應用［J］.科技風，2009，（16）：174.

［3］王曉龍，楊濤，王暉，陸新興.恒壓恒流自動控制注水工藝技術在坪北油田的應用［J］.江漢石油職工大學學報，2011，24（5）：51-53.

Injection pump start on load voltage stabilizing water injection technology test and result analysis

YANG Xiaogang，ZHAO Fangzhen，WANG Baoming，XING Lei，GUO Huiqin
（Oil Production Plant 3 of PetroChina Changqing Oilfield Company，Yinchuan Ningxia 750006，China）

Oil production factory A has plunger type water injection pump station 78,installation of pumps and pump with 320 units（sets）.The injection pump operation standard operating procedures,injection pumps at start up,the first thing to artificial disc pump,to pump starts,no-load running to the rated speed,water injection pump operation staff should,according to the manifold pressurefield gradually down high pressure backflow valve adjusting water injection pressure.Site operation environment pressure is high,the potential safety hazard,and the throttling loss of pressure,throttle serious energy waste,high cost of equipment maintenance.Therefore,test injection pump with pressure start-up voltage operation,can avoid the leakage of the start up cause energy waste,reduce the damage to backflow,reduce the risk of operator into high pressure water injection area.At the same time to realize automatic voltage regulator with water,maintain water injection pressure stability,ensure the squirrel-cage motor in low frequency work at normal temperature.

injection pumps；start with load；voltage stability；application effect

TE964

A

1673-5285（2017）11-0091-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.11.022

2017-10-13

楊孝剛，男（1984-），工程師，2008年畢業于遼寧石油化工大學油氣儲運專業，現為長慶油田第三采油廠技術監督中心計量節能室科員，主要從事油田節能節水研究工作。