8.(采油四厂)斩波内馈调速技术在注水系统中的应用

第四采油厂规划设计研究所二○一二年十一月斩波内馈调速技术在注水系统中的应用随着油田进入特高含水开发阶段，吨油成本逐年上升，吨油能耗不断增加，目前我厂注水系统耗电占总耗电的33.2％。为保证注水系统低耗高效运行，我厂应用斩波内馈调速技术降低注水能耗，在系统方案选择上、运行调试中，主要解决设备稳定运行，提高运行时率等问题，以发挥该技术的最大效益一、斩波内馈调速技术原理二、现场试验情况三、取得的认识斩波内馈调速技术是利用内馈电机的内馈绕组的发电功能，移出转子的部分电转差功率。由于转子的部分功率被移出，使转化的机械功率减小，电机转速下降。移出的电能，通过升压、变频、移相回馈到定子侧，从而达到节能目的斩波内馈调速控制原理图转子的电能取出是通过斩波器件的高频开关实现的，其稳定性是斩波装置可靠运行的关键。传统的斩波内馈调速装置采用晶闸管斩波，晶闸管属于半控器件1、斩波元器件的确定可脉冲触发打开不能脉冲触发关闭这就增加了系统的复杂性倘若一个周期没有关断成功晶闸管将瞬间进入永久直通状态就是电动机从当前速度骤然升至全速，给设备造成很大冲击反应在电动机上将斩波器件由传统的晶闸管替换为IGBT斩波频率高调速范围宽噪声低结构简单而IGBT斩波器，属于全控器件，大大简化了电路，节省了空间，使可靠性有很大的提高。同时具有以下方面优势：2、系统控制方式的确定逻辑控制控制速度可靠性可维护性顺序控制灵活性可扩展性对斩波内馈传统的继电器控制方式与PLC控制方式在以下几个方面PLC控制方式均优于继电器控制方式鉴于PLC控制的优势，系统控制上由PLC替代了继电器控制方式，在PLC选择上我们采用编制了人机界面交互系统程序使控制操作清晰、简便、快捷同时提高了稳定性一是由于外置集电器采用滚动轴承安装，注水电机在高速旋转时，轴承温度迅速升高达到上限值，导致轴承烧毁，无法稳定运行3、内反馈电机技术方案的确定集电器与电机联接图二是集电器为连接设备，无法与电机完全同心运行，导致端点跳动，碳刷急剧磨损通常在内反馈电机上，采用外置式集电器进行电能采集该设备在注水系统中应用有如下问题:在电机设计上，采用内置集电环，即集电环置于电机前、后轴瓦之间，集电环与电机转轴完全同心，碳刷抖动小，使用寿命长。同时省去了外置的集电器，使内反馈电机结构更加简单，机械设备连接点更少内置集电环内反馈电机一、斩波内馈调速技术原理二、现场试验情况三、取得的认识杏十注水站建于1993年2005年为适应三元开发需要进行扩建目前有三元注水电机2台设计三元注水能力1.2×104m3/d该区块三元注入井注水量在0.57～1.06×104m3/d之间在未采取措施前，采用阀门截流方式进行调节平均泵水单耗为6.2kWh/m3三元驱注水电机需要一个有效的调速技术，降低系统能耗高于全厂平均单耗5.6kWh/m3该工程于2009年9月对5号电机进行改造2009年10月底安装完毕，进行试运调试工作1、试验过程在调试过程中出现了等问题电机振动大碳刷使用寿命短开展了相应技术改进，解决该技术平稳运行的问题对此现场安装照片水平频谱垂直频谱轴向频谱水平垂直轴向低频振动超标从检测频谱上分析当进行带载试验时，振动超过了0.3mm的振动标准（1）研究电机安装配套技术解决振动问题通过将原来的轨道式底座改造为框架式底座，解决了水平振动大的问题通过重新建设基础，调整固定螺栓数量，解决了垂直振动大的问题针对振动超标问题制定以下措施：通过增加泵与电机之间轴向补偿量的方法，将原来没有轴向补偿量的弹性柱销连轴器调整为膜片联轴器，解决了轴向振动大的问题弹性柱销式联轴器膜片式联轴器联轴器膜片通过以上措施使电机振动控制在0.3mm的指标以内，保证了电机平稳运行电机带载振动测试表时间轴瓦水平(mm)轴向(mm)垂直(mm)措施前前端0.500.410.62后端0.450.410.554月19日10：40前端0.110.060.05后端0.060.060.065月10日15：05前端0.140.130.12后端0.090.180.216月20日8：40前端0.120.110.17后端0.070.220.16①碳刷材质的优选（2）进行碳刷磨损原因研究，提出解决对策针对碳刷磨损快的问题，对其进行了优选及改进碳刷参数表碳刷材质阻率抗折强度肖氏硬度体积密度接触压降摩擦系数额定电流密度允许圆周速度天然石墨185.2201.282.500.291081树脂石墨27020.5381.703.600.101035金属石墨329252.801.160.111135电化石墨6119.3761.612.500.191041为了使导电性能不下降，对碳刷的数量进行了增加经计算将原来27组碳刷增加到现在的36组碳刷②碳刷的温度控制碳刷温度过高，会使其强度下降，加大了磨损量。因此，为电机滑环增加了专用的冷却风道，由一台功率为7.5kW的风机为其散热采用垂直风道，使风道入口位于电机上端，使电机内部三排碳刷都能均匀散热，延长了使用寿命水平风道改造为垂直风道滑环滑环③碳刷的跳动原碳刷支架为单侧固定，安装在末端的碳刷抖动大，导致磨损量加大经一系列的改进，碳刷更换周期由30天增加到90天左右实施两侧固定以减少其端点抖动对滑环支架进行改造碳刷滑环滑环支架示意图（1）调速能力测试2、斩波内馈调速装置的调试斩波内馈调速系统正常运转后，进行了调速范围试验，该装置可实现1850rpm~2960rpm范围内的无级调速斩波内馈调速装置调速范围表转速（rpm）电流（A）瞬时水量（m3/h）泵压（MPa）单耗（kWh/m3）296018027015.36.2285017426515.16.12280015125014.95.6275013722214.85.5270012221014.75.4260010218014.15.325008615013.05.3以5号注水机组在2011年5月10日的测试为例：该三元注水站所辖4个注入站，注入井211口，平均注入压力13.0MPa，三元母液注入量4200m3/d,注水量5100m3/d，注水管网损失0.1MPa因此，我们将注水泵压设定到14.8MPa，电机转速控制在2700rpm左右，可满足生产需要区域内三元注入井破裂压力统计表序号破裂压力范围（MPa）井数113.0以下6213.0-13.5109313.5-14.064414.0-14.532合计211（2）运行参数的确定（3）取得的节能效果杏十注水站5号机组应用斩波内馈调速技术后取得如下节能效果：5号注水机组运行报表注水泵编号运行时间h泵压MPa管压MPa电流A日输水量m3日用电量Kwh单耗Kwh/m3泵效%5号2414.814.61364850262085.477.4从近期报表来看，在泵压为14.8MPa情况下，具体运行参数见下表：15.56泵压MPa应用前应用后14.85100水量m3/d应用前应用后6.2单耗kWh/m3应用前应用后5.4中国石油天然气集团公司节能技术监测评价中心测试（测字第2011013号）的测试结果如下：注水机组测试对比表4号注水泵（未应用斩波内馈）5号注水泵输入功率1708.33kW1350kW注水泵效75.31%78.6%泵机组效率72.12%74.67%单耗6.03kWh/m35.344kWh/m3系统效率70.28%74.06%谐波电流：3次6.3A、5次6.0A，符合国家相关标准要求按泵水单耗5.4kWh/m3计算，单耗下降0.8kWh/m3可实现年节电156.8×104kWh扣除每年风机耗电及碳刷更换费用12万元年效益80.5万元，投资回收期2.8年2011年4月20日至今累计运行329天，在满足正常单井注入压力需求的情况下，管压稳定在14.8MPa左右节能效果较好，泵水单耗为5.5kWh/m3左右3、实际运行情况单井玻璃钢管线穿孔注入井调剖水量波动较大系统管压不稳定为满足注入需求，注水站阶段运行压力保持在较高水平导致5号注水机组运行报表注水泵编号时间泵压MPa管压MPa电流A日输水量m3日用电量Kwh单耗Kwh/m3泵效%5号2011年5月13日14.814.81675941329405.5477.765号2012年4月8日15.415.41675490324365.9179调剖期间泵压上升到15.4MPa平均泵水单耗升高到5.9kWh/m3节能效果受到限制为了能够适应注入压力的迅速变化、减轻工人的劳动强度，我厂在杏二十联进行的斩波内馈改造中加入了压力连锁闭环改造，目前改造正在进行中，改造完成后可使该技术实现速度实时适应压力变化的功能为了延长碳刷使用寿命及保证使用期间的安全性，同样在杏二十联改造中加入了碳刷磨损报警功能，来提高其运行时率及运行期间的安全性，发挥其最大的经济效益共更换碳刷4次，累计144只，更换周期为3个月磨损前碳刷磨损后碳刷警戒线警戒线一、斩波内馈调速技术原理二、现场试验情况三、取得的认识（2）在三采注水系统应用该技术，可解决注水能力难以合理匹配的问题，建议在产能建设中新建注水泵时考虑应用该技术，避免后期改造过程中电机更换工程量，进一步提高该技术应用效益（1）斩波内馈技术在油田注水大功率、高转速工况条件下可行，节能效果较好（4）调速装置和内反馈电机的维护、使用与常规鼠笼电机及配电柜不同，需要培养专业的维护力量（3）在注水系统应用斩波内馈调速技术应采用IGBT斩波、内置式集电器、高强度电化石墨碳刷以及膜片式联轴器，保证设备的平稳运行