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

離心泵最高效率點的工況稱為最佳工況點，一般離心泵的額定參數(shù)即設(shè)計工況點與最佳工況點相重合或很接近，泵在最佳工況點效率區(qū)間運行，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，列出揚程(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即為最佳工況點，其對應(yīng)的流量和揚程一般為水泵的額定流量和揚程。理論上注水泵運行時壓力、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)實際需求合理設(shè)計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

正常運行時，生產(chǎn)區(qū)塊的注水量須滿足計劃注水需求，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就越多。要降低這部分能源浪費，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），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

對于設(shè)備來說，良好的維護(hù)保養(yǎng)也是影響設(shè)備運轉(zhuǎn)性能的關(guān)鍵因素，因為注水泵運行壓力較高，長時間不保養(yǎng)的情況下易出異響、滲漏、震動增大，發(fā)熱量增加等情況，影響注水泵的運行效率。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，會造成壓力過低，泵吸入量不足，泵體聲音異常，震動量變大，引發(fā)泵氣蝕[3]。

2 降低注水單耗的措施

對于泵站來說，要降低注水單耗就必須要保證注水泵運行的平穩(wěn)，同時要啟運單耗低的注水泵，泵站的注水單耗才能保持一個較低水平。但很多時候生產(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)備運轉(zhuǎn)存在問題，例如震動量變大、溫度升高和聲音異常等情況及時上報、及時解決。

2）加強(qiáng)運行機(jī)組運轉(zhuǎn)參數(shù)監(jiān)測，為及時掌握注水泵機(jī)組的運行狀態(tài)；定期過濾、更換潤滑油，提高潤滑油潤滑效果和使用壽命[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溫儀和震動測試儀，要求每天對運行機(jī)組的軸瓦溫度、軸瓦震動量及底座震動量等有關(guān)參數(shù)進(jìn)行2次檢測，發(fā)現(xiàn)異常及時處理[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際生產(chǎn)需要出現(xiàn)差距，無法確保注水泵在高效區(qū)運行，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)時的常運泵額定排量為250m3/h。額定日注為6000m3，額定排量小于實際排量，無法使泵運行在高效區(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)運行，改造后單耗降至5.6kWh/m3。在注水量相對穩(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，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)，通過對前置泵的變頻控制來使注水泵的工作點始終達(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。實際運行中，注水泵本身的耗電確實降低，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，同時考慮原有的注水泵運行年限過長，于2019年對注水崗設(shè)備進(jìn)行整體升級改造，新注水崗于2019年11月全部投產(chǎn)完成，共安裝兩臺注水泵，額定揚程1700m，電動機(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際注水量，且揚程也大于油田生產(chǎn)區(qū)塊實際需求，泵壓經(jīng)常過高，出現(xiàn)憋泵、機(jī)泵震動過大、過熱等問題，同時由于生產(chǎn)區(qū)塊為獨立區(qū)塊，多余水量無其他方式調(diào)運，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)定運行[7]，新注水崗?fù)懂a(chǎn)后運行情況見表1。

表1 新注水崗?fù)懂a(chǎn)后運行情況

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時開打回流閥門，泵壓小于16.0MPa時關(guān)小回流閥門。因此每日的回流量難以計算，導(dǎo)致泵前流量計的注水量比實際注水量高，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。

交流電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速表達(dá)式為：

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

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

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

表2 高壓變頻投運前后對比

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

高壓變頻投產(chǎn)后，在日常運行中，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)運行，將通過實際生產(chǎn)進(jìn)一步驗證[10]。

4 結(jié)論

在油田實際生產(chǎn)運行中，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行，經(jīng)常會出現(xiàn)注水泵額定值大于實際注水需求的現(xiàn)象。對于大的油田生產(chǎn)區(qū)塊，由于建設(shè)多個注水站，且管網(wǎng)相通，可以通過調(diào)整啟泵方案、注水調(diào)運等方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，降低或保持整個區(qū)塊的注水單耗。但在獨立的生產(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，高壓變頻對油田注水泵的節(jié)能降耗具有顯著的效果，同時，由于其通過改變供電電源頻率，實現(xiàn)調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速，在保持壓力的前提下，對注水泵的注入量起到了調(diào)節(jié)作用，彌補(bǔ)了注水電動機(jī)工頻運行沒有調(diào)節(jié)能力的不足，非常適合油田獨立生產(chǎn)區(qū)塊注水的要求。