高壓變頻技術(shù)在注水泵節(jié)能降耗上的應(yīng)用

張愛龍（大慶油田有限責(zé)任公司第五采油廠）

1 影響注水耗電的因素

1.1 機(jī)械因素

離心泵最高效率點(diǎn)的工況稱為最佳工況點(diǎn)，一般離心泵的額定參數(shù)即設(shè)計(jì)工況點(diǎn)與最佳工況點(diǎn)相重合或很接近，泵在最佳工況點(diǎn)效率區(qū)間運(yùn)行，既節(jié)能又能保證泵正常工作，因此了解泵的特性曲線相當(dāng)重要。

離心泵特性曲線見圖1，是在泵轉(zhuǎn)速一定時(shí)，列出揚(yáng)程(H)、軸功率(N)、效率(η)等隨流量(Q)變化的函數(shù)關(guān)系用曲線來表示，稱這些曲線為離心泵的特性曲線，在曲線上效率最高點(diǎn)即為最佳工況點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的流量和揚(yáng)程一般為水泵的額定流量和揚(yáng)程。理論上注水泵運(yùn)行時(shí)壓力、流量越接近額定值，水泵的效率就越高，也就越節(jié)能。因此根據(jù)實(shí)際需求合理設(shè)計(jì)使用的注水泵可以有效的提高效率，降低能耗。

圖1 離心泵特性曲線

1.2 泵管壓差與耗電關(guān)系

正常運(yùn)行時(shí)，生產(chǎn)區(qū)塊的注水量須滿足計(jì)劃注水需求，即保證一定的流量。管路特性曲線見圖2，管路的阻力越大，則要達(dá)到同一流量時(shí)需要的壓力也越大，消耗的能源也越多。反映在壓力上就是注水泵壓與井口壓差越大管路造成的能源浪費(fèi)就越多。要降低這部分能源浪費(fèi)，主要通過降低泵管壓差和降低管路壓降。

圖2 管路特性曲線

管路中的節(jié)流增大（M1點(diǎn)），則管路特性曲線越陡（曲線1）說明管路中的壓力損失就越大，能源損失也就越大[1]。

1.3 注水泵維護(hù)保養(yǎng)與能耗的關(guān)系

對(duì)于設(shè)備來說，良好的維護(hù)保養(yǎng)也是影響設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)性能的關(guān)鍵因素，因?yàn)樽⑺眠\(yùn)行壓力較高，長(zhǎng)時(shí)間不保養(yǎng)的情況下易出異響、滲漏、震動(dòng)增大，發(fā)熱量增加等情況，影響注水泵的運(yùn)行效率。因此定期進(jìn)行全面的維護(hù)保養(yǎng)可以增加注水泵的使用壽命，降低故障率，同時(shí)一定程度提高泵效[2]。

1.4 吸入口壓力

注水泵吸入口壓力通常變化不大，但當(dāng)注水泵吸入口濾網(wǎng)堵塞時(shí)，會(huì)造成壓力過低，泵吸入量不足，泵體聲音異常，震動(dòng)量變大，引發(fā)泵氣蝕[3]。

2 降低注水單耗的措施

對(duì)于泵站來說，要降低注水單耗就必須要保證注水泵運(yùn)行的平穩(wěn)，同時(shí)要啟運(yùn)單耗低的注水泵，泵站的注水單耗才能保持一個(gè)較低水平。但很多時(shí)候生產(chǎn)區(qū)塊的注水量及管網(wǎng)壓力需求并不固定，而注水泵安裝數(shù)量及單泵額定排量是固定的，調(diào)節(jié)能力存在一定的局限性，因此可能由于實(shí)際注水量的變化，造成原來的高效泵效率降低、單耗升高。為了解決這一問題采取了如下的一些措施。

2.1 管理措施

1）提高設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)質(zhì)量，在規(guī)定的保養(yǎng)時(shí)問內(nèi)，嚴(yán)格按照操作規(guī)范進(jìn)行設(shè)備保養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)存在問題，例如震動(dòng)量變大、溫度升高和聲音異常等情況及時(shí)上報(bào)、及時(shí)解決。

2）加強(qiáng)運(yùn)行機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)監(jiān)測(cè)，為及時(shí)掌握注水泵機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)；定期過濾、更換潤(rùn)滑油，提高潤(rùn)滑油潤(rùn)滑效果和使用壽命[4]。

3）注水泵出口閥門全開，降低泵管壓差，定期沖洗注水干線，防止干線結(jié)垢增加管路壓降。

4）泵站配備了紅外線測(cè)溫儀和震動(dòng)測(cè)試儀，要求每天對(duì)運(yùn)行機(jī)組的軸瓦溫度、軸瓦震動(dòng)量及底座震動(dòng)量等有關(guān)參數(shù)進(jìn)行2次檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)處理[5]。

2.2 技術(shù)措施

由于生產(chǎn)區(qū)塊的注水需要逐年發(fā)生變化，注水泵額定排量與實(shí)際生產(chǎn)需要出現(xiàn)差距，無法確保注水泵在高效區(qū)運(yùn)行，為了解決這一問題，通過采取不同的技術(shù)措施，滿足注水泵高效運(yùn)行的需求。

2.2.1 更換葉輪

2003—2004年，注水站日注入量為6600m3，注水單耗6.0kWh/m3左右。當(dāng)時(shí)的常運(yùn)泵額定排量為250m3/h。額定日注為6000m3，額定排量小于實(shí)際排量，無法使泵運(yùn)行在高效區(qū)，泵效過低單耗過高。為了解決問題，更換原DN250泵的葉輪，使其泵額定排量處于250~300m3/h，既可滿足注水需求，又能夠在高效區(qū)運(yùn)行，改造后單耗降至5.6kWh/m3。在注水量相對(duì)穩(wěn)定的情況下，這種方式可以起到降低耗電和單耗的效果，但由于油田開發(fā)需求注水量需要再次發(fā)生調(diào)整時(shí)，將失去節(jié)能效果。

2.2.2 采取前置泵控泵技術(shù)

2010年為了優(yōu)化注水系統(tǒng)，降低注水單耗，投產(chǎn)了一套前置泵控泵變頻控制注水系統(tǒng)。前置泵低壓變頻調(diào)速技術(shù)是基于雙泵的串聯(lián)，通過對(duì)前置泵的變頻控制來使注水泵的工作點(diǎn)始終達(dá)到最高泵效，從而使系統(tǒng)效率最高，達(dá)到節(jié)能的目的。實(shí)際運(yùn)行中，注水泵本身的耗電確實(shí)降低，但前置泵自身也存在耗電，如果綜合考慮注水泵及前置泵的電量，則注水單耗下降并不明顯，因此節(jié)能效果并不大[6]。

2.2.3 注水泵更新

為了滿足生產(chǎn)需求，同時(shí)考慮原有的注水泵運(yùn)行年限過長(zhǎng)，于2019年對(duì)注水崗設(shè)備進(jìn)行整體升級(jí)改造，新注水崗于2019年11月全部投產(chǎn)完成，共安裝兩臺(tái)注水泵，額定揚(yáng)程1700m，電動(dòng)機(jī)功率1800kW。該泵額定日注入量為6000m3，而區(qū)塊生產(chǎn)需求為4500m3左右，由于注水泵額定排量大于實(shí)際注水量，且揚(yáng)程也大于油田生產(chǎn)區(qū)塊實(shí)際需求，泵壓經(jīng)常過高，出現(xiàn)憋泵、機(jī)泵震動(dòng)過大、過熱等問題，同時(shí)由于生產(chǎn)區(qū)塊為獨(dú)立區(qū)塊，多余水量無其他方式調(diào)運(yùn)，為此只能打開回流泄壓，將壓力保持在16.5MPa以下，方可保持注水泵穩(wěn)定運(yùn)行[7]，新注水崗?fù)懂a(chǎn)后運(yùn)行情況見表1。

表1 新注水崗?fù)懂a(chǎn)后運(yùn)行情況

投產(chǎn)后由于泵壓較高，需要開回流泄壓，因此注水量每天約為6000m3，耗電量每天接近4×104kWh，泵壓控制在16.3kWh/m3左右。當(dāng)時(shí)注水泵的控制方式為出口閥門全開，根據(jù)泵壓調(diào)整回流閥門的開度，泵壓超過16.5MPa時(shí)開打回流閥門，泵壓小于16.0MPa時(shí)關(guān)小回流閥門。因此每日的回流量難以計(jì)算，導(dǎo)致泵前流量計(jì)的注水量比實(shí)際注水量高，且差值難以確定。

2.2.4 增設(shè)高壓變頻

為解決該問題，采取增設(shè)高壓變頻，利用變頻調(diào)速控制注水泵的壓力和排量。

交流電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速表達(dá)式為：

式中：n為異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min；f為異步電動(dòng)機(jī)的頻率，Hz；s為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率；p為電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)。

通過公式可知，轉(zhuǎn)速與頻率成正比，只要改變頻率，即可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)[8-9]。

變頻器于2020年8月28日正式投產(chǎn)試運(yùn)行，根據(jù)高壓變頻的特點(diǎn)，進(jìn)行管理模式的摸索實(shí)驗(yàn)，力求優(yōu)化高壓變頻注水泵的運(yùn)行參數(shù)，尋找低能耗的運(yùn)行模式。目前，在滿足生產(chǎn)區(qū)塊注水需求的同時(shí)，降低泵壓1MPa，降低注水耗電8000~10000kWh。高壓變頻投運(yùn)前后對(duì)比見表2，高壓變頻投運(yùn)后，由于關(guān)閉了高壓回流，因此日注水量有了明顯降低，同時(shí)注水耗電也相應(yīng)的大幅減少。

表2 高壓變頻投運(yùn)前后對(duì)比

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

高壓變頻投產(chǎn)后，在日常運(yùn)行中，根據(jù)生產(chǎn)需求，通過逐步調(diào)整高壓變頻輸出頻率來調(diào)節(jié)注水泵的電動(dòng)機(jī)頻率，達(dá)到調(diào)節(jié)注水泵壓的目的，目前變頻器輸出頻率91%，即變頻頻率45Hz左右。雖然注水單耗有小幅上升，但實(shí)現(xiàn)了通過調(diào)節(jié)變頻器的頻率來達(dá)到調(diào)節(jié)注水泵泵壓和流量的目的，注水泵平均日耗電也相應(yīng)的降低了約1.04×104kWh，年可減少電量消耗379.6×104kWh，減少電費(fèi)成本241.81萬元。如果未來生產(chǎn)區(qū)塊的注水量繼續(xù)降低，屆時(shí)注水泵的轉(zhuǎn)速仍可通過變頻的方式進(jìn)一步調(diào)整，這種情況高壓變頻注水泵是否還能繼續(xù)穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，將通過實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)一步驗(yàn)證[10]。

4 結(jié)論

在油田實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中，受各種條件限制和影響，油層注水量、注水壓力需要不斷調(diào)整，注水泵很難保持在額定排量和壓力下運(yùn)行，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)注水泵額定值大于實(shí)際注水需求的現(xiàn)象。對(duì)于大的油田生產(chǎn)區(qū)塊，由于建設(shè)多個(gè)注水站，且管網(wǎng)相通，可以通過調(diào)整啟泵方案、注水調(diào)運(yùn)等方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，降低或保持整個(gè)區(qū)塊的注水單耗。但在獨(dú)立的生產(chǎn)區(qū)塊，單一注水泵站注水調(diào)節(jié)能力弱，注水泵能耗高，高壓變頻對(duì)油田注水泵的節(jié)能降耗具有顯著的效果，同時(shí)，由于其通過改變供電電源頻率，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，在保持壓力的前提下，對(duì)注水泵的注入量起到了調(diào)節(jié)作用，彌補(bǔ)了注水電動(dòng)機(jī)工頻運(yùn)行沒有調(diào)節(jié)能力的不足，非常適合油田獨(dú)立生產(chǎn)區(qū)塊注水的要求。