石海東（大慶油田有限責任公司第三采油廠）

1 實施背景

近5年第三采油廠生產總耗電穩(wěn)中有升，注水系統(tǒng)能耗統(tǒng)計見表1。其中注水系統(tǒng)年耗電占生產總耗電量比例40%左右，由于注水泵排量固定無法靈活調控，造成部分水量與電量的浪費，系統(tǒng)能耗上升，通過建設注水泵高壓變頻設備，可根據下游水量需求調整注水泵實際排量，降低注水量的同時達到節(jié)能降耗目的[1]。

表1 注水系統(tǒng)能耗統(tǒng)計

目前油田注水泵的流量調節(jié)通常采用改變泵的出口閥門開度的方式來改變泵的工作點，這種方式增加了注水損耗。通過變頻裝置改變電動機的定子供電頻率來改變電動機轉速，根據離心水泵的相似原理，速度與軸功率是成三次方關系變化的，雖然電動機轉速降低后流量會減少，但是可以通過開大其他注水泵的出口閥門的方法，來彌補因變頻調速時減少的水量，達到注水系統(tǒng)總注水量不變。在電動機調速的過程中泵的出口閥門一般全開或保持一個合理的開度不變，避免了傳統(tǒng)調節(jié)方式造成的節(jié)流損失可實現(xiàn)無節(jié)流流量的調節(jié)[2]。

2 措施內容

2.1 針對問題及思路

注水泵高壓變頻節(jié)能改造針對泵排量固定、外輸水量浪費、耗電量浪費、供需不匹配等問題。通過變頻調控排量、減少水量浪費、減少電量浪費、匹配供需關系[3]。注水泵高壓變頻設備，變頻器采用單元串聯(lián)多電平PWM拓撲結構，由若干個低壓PWM變頻功率單元串聯(lián)的方式實現(xiàn)直接高壓輸出，高壓主回路與控制器之間采用光纖連接，具有電力電子保護和工業(yè)電氣保護功能。注水泵高壓變頻裝置，可隨時根據下游注水量變化需求調整注水泵實際排量，適應開發(fā)動態(tài)調整，避免注水量浪費的同時降低注水泵運行泵管壓差，安裝注水泵高壓變頻后注水量調整空間靈活，可滿足開發(fā)水量同時降低注水系統(tǒng)能耗。

2.2 主要技術指標

為電動機速度控制精度達到1%，電動機功率因數(shù)達到0.95，變頻器輸出小于3%。變頻器調速范圍0~100%，輸出頻率0~60Hz，能夠實現(xiàn)電動機軟啟動。變頻器自動采集注水泵出口壓力和出站匯管壓力進行調節(jié)，將泵管壓差降到最低，降低由于控制出口閥門和開旁通的能量損失。根據采油三廠注水站實際運行情況，優(yōu)先考慮注水單耗高，上下游供需關系匹配難度大，管網聯(lián)通性差的“小系統(tǒng)”聚驅注水站安裝高壓變頻，以變頻的方式調整注水泵實際排量，合理滿足下游注入站的水量需求。

2.3 實際運行情況

2019年采油三廠在3座注水站成功投運高壓變頻設備，跟蹤這3套高壓變頻設備投運前后的能耗變化情況，并對設備安裝的前后能耗情況進行跟蹤與評價，注水站運行能耗統(tǒng)計見表2。

聚北十七注水站啟運1臺注水泵時，水量約為7500~8500m3無法滿足下游所轄注入站水量需求。而啟運兩臺泵的實際水量高于下游需求5430m3，造成水量及電量的浪費。聚北十七注水站啟運2#注水泵加1#注水泵變頻運行時，實際水量下降后仍可以滿足生產需求。高壓變頻投運后，聚北十七注水站實際日水量從16367m3降至13151m3，日耗電量從99084kWh降至83088kWh。

聚北十九注水站注水泵的高壓變頻設備投運后，實際日水量從8301m3降至7100m3，已基本匹配上下游需求。日耗電量從49446kWh降低至41809kWh，注水單耗由5.96kWh/m3下降至5.89kWh/m3，實際水量下降后仍可以滿足生產需求，已基本匹配上下游供注關系。

聚北十注水站高壓變頻設備運行后，實際日水量從13595m3下降到11454m3，日耗電量從82926kWh下降到71052kWh。通過高壓變頻調控水量后，注水泵出口水量降低后仍可滿足生產需求。

3 原理及效果

3.1 技術原理

根據注水泵性能曲線（圖1）可知，當注水泵采用工頻運行時，隨著泵出口閥門開度的減少，管路特性曲線R1向左移動到R2，R1與R2之間可以得到一組曲線。當按照需要流量Q2固定閥的開度后，泵的工況點由A沿著H-Q(g)左移到B點，泵排出閥上多消耗壓頭。

變頻調速不改變管網的特性曲線，而是通過調整泵的轉速改變流量，所以變頻調速基本都是使泵在低于額定轉速下的調速。隨著速度的降低，能夠看到一組從工頻特征曲線H-Q(g)下平移的泵性曲線H-Q(f)。在某一變頻調節(jié)的情況下，電動機轉速調低，使流量Q2相交于泵特性曲線H-Q(f)于C。顯然此時泵排出閥開度不變，泵出口閥上沒有壓頭損失，還降低了壓頭，與閥門節(jié)流相比節(jié)約壓頭。

由此可得相同流量條件下，單泵變頻調速控制流量較工頻下，閘閥節(jié)流調節(jié)減少了功率消耗，變頻調速節(jié)能主要是消除了泵排除閥節(jié)流所引起的壓頭損失，使泵始終處于高效區(qū)運行，從而減少了電動機輸入功率。使用變頻調節(jié)后，在其他站的閥門開度不變的情況下，注水量減少( )Q2-Q1，但是可以通過開大其他注水泵的出口閥門的方法彌補因變頻調速時減少的水量，達到注水系統(tǒng)總注水量不變。

由于工頻狀態(tài)下閘閥節(jié)流調節(jié)均使管網特性曲線由點A左移，因此可以得出閘閥節(jié)流調節(jié)均存在泵排出閥壓頭HB永遠大于HA，而變頻調速時泵的工況點均在管網工作特性曲線上A下面的各點，所以總是存在HB大于HC，又由于變頻調速不改變管網特性，所以變頻調速均使泵工作在高效區(qū)，由此可以推:變頻器在相同排量下，均較閘閥節(jié)流調節(jié)節(jié)能[5]。

表2 注水站運行能耗統(tǒng)統(tǒng)計

表3 注水站年耗電統(tǒng)計

3.2 運行效果

高壓變頻采用一運一備方案，變頻采用一拖二結構，平時只能有一臺電動機由變頻拖動，另一臺備用狀態(tài)或者工頻運行。工頻與變頻采用手動切換的方式，變頻器采用就地和遠程兩種啟動和調節(jié)方式。注水站年耗電統(tǒng)計見表3，高壓變頻設備投運后，泵管壓差下降效果達到預期，單臺設備日節(jié)電能力超過預期效果，2019年注水泵高壓變頻節(jié)能措施累計節(jié)電量1292.1×104kWh，節(jié)電費用775.26萬元。

4 結論

4.1 實現(xiàn)了節(jié)電功能

通過高壓變頻注水機泵實現(xiàn)了自動控制，消除人為因素造成的泵管壓差大幅度降低注水單耗，加寬了注水泵流量的調節(jié)范圍，注水量可以調節(jié)到正常排量的60%~70%，而注水單耗不會大幅度上升。提高了注水機泵對生產工藝參數(shù)的響應速度，電動機實現(xiàn)了軟啟動、軟停運，減少了啟泵時強大的啟動電流，對電網的沖擊和能量損耗，可延長機泵使用壽命和維修周期提高注水時率[6]。

4.2 可滿足現(xiàn)場需求

生產單位可根據下游需求，適時優(yōu)化開泵布局，靈活搭配已有的工頻注水泵、變頻注水泵及小排量注水泵以滿足下游水量需求[7]。形成注水泵高壓變頻調速技術，緩解注水站外輸水量與下游需求不匹配的問題，提高系統(tǒng)運行效率，實現(xiàn)節(jié)能降耗。適用于降低系統(tǒng)注水能耗，即在一個注水管網內沒有安裝變頻的注水站盡量減少節(jié)流損失，系統(tǒng)水量由安裝變頻的注水站來調節(jié)上下游供需關系不合理，注水泵型號單一的注水站，可通過安裝高壓變頻的方式緩解供需關系不匹配的壓力，盡量避免注水量的浪費同時達到節(jié)電的目的。高壓變頻的方式更適用于上下游供需關系不匹配，注水泵排量單一或下游需求水量經常根據開發(fā)方案調整的注水站[8]。

4.3 具有可推廣性

由于注水站下游管網或注入站需求壓力不盡相同，高壓變頻設備調控范圍有限，調節(jié)水量下降過程中，頻率設置過低時可能出現(xiàn)壓力不足，注水泵打不出去水的情況[9]。因此部分站場變頻調節(jié)后水量仍可能高于下游需求，但一定程度上緩解了上下游供需關系不匹配的壓力，建議可通過向水驅管網“竄水”的方式來解決水量富余的問題。高壓變頻設備可一定程度上降低注水站泵管壓差，優(yōu)化系統(tǒng)運行。高壓變頻節(jié)能技改方式與管網聯(lián)通的系統(tǒng)優(yōu)化方式為當前注水系統(tǒng)節(jié)能效果相對直觀的兩種節(jié)能改造方式，可以在適合的站場同步應用，進一步探索節(jié)能降耗潛力[10]。