基于矢量控制的注水泵稳压注水技术研究与试验

冯建设 郑刚 辛生会 魏立军 王曼

（1.长庆油田分公司油气工艺研究院；2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室；3.长庆油田分公司质量安全环保部）

鄂尔多斯盆地油藏油井单井产量低，为了补充地层能量，保持地层压力，提高油井产量，采用注水开发方式。注水系统主要的耗能设备就是柱塞式注水泵。注水站内注水泵设备选定后，注水站的注水排量基本就固定，而注水站配注量随着地层压力、井筒状况、动态调配等因素变化而不断变化，从而产生注水站回流，造成电能浪费。为了实现注水站节能降耗，田元吉[1]、杨芫[2]等人进行了基于绕线电动机控制的转子变频技术研究，虽然实现了注水站关回流重载启动，但这种方式需要将原来的鼠笼式电动机更换为绕线式电动机，改造工作量大。为了实现基于鼠笼式电动机拖动的注水泵直接带压力启动，在充分调研普通变频[3-5]控制基础上，开展了矢量控制稳压注水技术研究。

1 注水站生产现状

经现场测试分析，注水站回流损失约占整个系统能耗的11%，能量损失严重是影响系统效率的主要因素。分析注水站回流产生的原因，精准施策。

1.1 泄压启动

长庆油田注水泵电动机由于注水压力高、电动机功率大，额定功率一般在90～315 kW，注水泵再启动是需要放掉管线压力，同时还要采用软启动控制。

1.2 运行不匹配

注水站泵排量与实际配注量往往不匹配，运行时就会产生回流。一是采用工频运行的注水泵不能实时调整注水泵转速来满足配注的要求，需要通过调整回流来满足。二是常规变频调速系统与三相异步电动机适配性差，在低速运行下电动机的同轴风扇散热能力下降，导致电动机不可以在低速下长时间重载运行；普通变频往往导致电动机温升，一般上升5～10 ℃。

2 技术改造措施

要消除注水站回流，实现稳压注水，应提高注水泵电动机的输出转矩，达到带管线压力启动，消除启动泄压的回流；同时，要提高电动机控制精度与调速范围，消除正常运行时注水泵回流。通过对三相异步电动机及控制系统调研分析[6-7]，优选了三相异步电动机的矢量控制方式[8-9]，实现注水泵可以重载启动运行，彻底关闭注水站回流，达到节能降耗的目的。

2.1 矢量控制原理

针对电动机的矢量控制，即电动机的磁场定向控制Field-oriented Control，通过特殊的矢量矩阵转换把互相耦合的三相交流电参数，变换为两相直流电参数，且这两相电相互垂直，分别用来控制电动机的磁场与转矩，从而提高电动机的转矩和电动机的控制精度。

通过矢量控制的电动机在重载启动时能够达到2 倍额定输出转矩，即使在低频状态下启动大扭矩输出特点也比较明显，矢量控制电动机带载启动扭矩变化情况见图1。

图1 矢量控制电动机带载启动扭矩变化情况

2.2 电动机降温设计

为了减少因电动机在低速变频运行时电动机温度过高，从而影响电动机调速范围产生回流，系统控制上：一是在电动机尾端另外增加1 个独立风扇，提高电动机的散热能力；二是在矢量变流器的输入输出端分别安装合适的电抗器，减少高次谐波和脉冲对电动机的冲击及温升的影响。

输入电抗器：在变频装置中内置直流电抗器，输入电流平均降低25%，主要谐波畸变率降低50%，直流电抗器对电动机输入电流和谐波畸变率影响见表1。

表1 直流电抗器对电动机输入电流和谐波畸变率影响

3 试验效果分析

该技术已在长庆油田采油一厂、三厂、五厂、六厂等单位15 个注水站的19 台注水泵上进行带载启动稳压注水技术改造。带载启动电流小于电动机额定电流的1.5 倍，且压力运行平稳，压力波动小于0.1 MPa，年节约电量442.5×104kWh，节约电费274.4 万元，节能效果明显；同时，提高注水站精细管理水平，降低注水压力波动，实现注水泵带载启动稳压注水。注水泵在17 MPa 下启动电流、频率、压力变化趋势见图2，注水泵矢量控制运行注水压力变化情况见图3。

图2 注水泵在17 MPa 下启动电流、频率、压力变化趋势

图3 注水泵矢量控制运行注水压力变化情况

4 结论

1）注水泵采用矢量控制改造后，注水泵带载启动电流小，且运行平稳，消除启动时回流，为高压注水泵实现无人值守、自动控制提高技术支撑。

2）注水泵电动机采用独立风扇控制与双电抗器控制方式，降低电动机在低速运行下电动机温度，提高电动机调速范围，消除运行过程回流。

3）注水泵带载启动稳压注水技术改造，可减少现场操作人员劳动强度，节约电费及阀门更换费用，节能挖潜效果明显。