楊迪 劉書孟 闞正玉 馬天水 侯佳榮

1大慶油田第二采油廠工藝研究所

2天津匯鑄石油設(shè)備科技有限公司

大慶油田已進入特高含水開發(fā)后期，注水需求逐年加大，注水耗電呈上升趨勢。2020 年薩南油田注水泵耗電7.03×108kWh，電費支出4.48 億元，占油田生產(chǎn)用電39.3%。薩南油田年運行注水泵47臺，平均單臺年耗電1 497×104kWh，可以看出，注水泵節(jié)電對油田降本增效意義重大。薩南油田自2003 年在注水系統(tǒng)成功應(yīng)用第一臺高壓變頻器以來，截至2020年底已陸續(xù)安裝5臺，實現(xiàn)累計節(jié)電5 565.6×104kWh，節(jié)約電費3 545.3萬元，取得了顯著的節(jié)電效果。實際應(yīng)用表明，高壓變頻器節(jié)能效果與安裝地點的選擇密切相關(guān)，經(jīng)過十余年試驗研究，建立了注水系統(tǒng)應(yīng)用高壓變頻器的技術(shù)經(jīng)濟評價模型，引入泵壓管壓比概念，采用常規(guī)數(shù)據(jù)作為參數(shù)計算出節(jié)電效果和投資收益。

1 變頻器節(jié)能原理

交流異步電動機轉(zhuǎn)速公式為

式中：n為電動機轉(zhuǎn)速，r/min；p為電動機極對數(shù)；s為轉(zhuǎn)差率；f為定子頻率，Hz。

通過公式（1）可以看出，只要改變電動機頻率就可以實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)速的變化。變頻器應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)的原理，通過改變交流電動機工作電源頻率來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速變化[1-3]。

水泵節(jié)能原理如圖1所示，泵額定轉(zhuǎn)速時注水系統(tǒng)工作點為A，流量為Qa，揚程為Ha，對應(yīng)的軸功率為Pa。如注水流量降為Qb，采用閥門控制方式，工作點移到B，揚程升高到Hb，對應(yīng)的軸功率為Pb；采用降低泵轉(zhuǎn)速方式，工作點移到C，揚程降為Hc，對應(yīng)的軸功率為Pc。通過泵的負載特性可知，泵轉(zhuǎn)速降低，流量、揚程、軸功率都相應(yīng)降低[2]。電動機與水泵通過聯(lián)軸器直接連接，因此變頻器可通過自身頻率改變電動機和泵的轉(zhuǎn)速，進而控制注水泵水量。

圖1 管道流量壓力特性曲線Fig.1 Pressure characteristic curve of pipeline flow

2 技術(shù)經(jīng)濟評價數(shù)學(xué)模型

2.1 已知數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用

《工業(yè)與民用供配電設(shè)計手冊》等專業(yè)技術(shù)手冊用來預(yù)測和分析水泵應(yīng)用變頻器節(jié)電效果[2-5]的常規(guī)公式為水泵負載特性公式，即

式中：n1、n2為水泵轉(zhuǎn)速，r/min；Q1、Q2為水泵流量，m3/s；P1、P2為泵軸功率，kW；H1、H2為水泵揚程，MPa；T1、T2為負載轉(zhuǎn)矩，N·m。

表1 某注水站注水泵變頻運行時流量比-功率比-泵壓比統(tǒng)計Tab.1 Statistics of flow ratio-power ratio-pump pressure ratio during frequency conversion operation of injection pump in a water injection station

水泵軸功率的計算公式在《鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計手冊》中描述為

注水機組功率計算公式為

式中：Pzh為軸功率，kW；γ為液體密度，kg/m3；Q為水泵出水量，m3/s；H為水泵揚程，MPa；g為重力加速度，m/s2；ηpum為水泵效率；P為電動機輸入功率，kW；ηM為電動機效率。

公式（3）和（4）通常用來計算水泵和注水機組耗電[5-7]。實際工作中，Q和H可通過表計讀取，ηM和ηpum無表計計量或公式推導(dǎo)，依靠產(chǎn)品樣本提供的泵效和電動機效率曲線計算，讀取不便，且機泵因運行時間、生產(chǎn)批次等因素造成真實值與樣本曲線有一定的誤差；另外，注水泵和電動機在工、變頻狀態(tài)下的泵效和電動機效率曲線完全不同，該曲線值不滿足變頻狀態(tài)下使用，即變頻狀態(tài)下，應(yīng)用公式（4）計算耗電，ηM和ηpum無法確定。

2.2 ηM·pum 曲線的引入及ηM·pum·B 值的確定

圖2～圖5為水泵和電動機工、變頻狀態(tài)下曲線圖，通過圖可以看出：

（1）工頻狀態(tài)下，ηpum隨外輸水量變化有明顯變化[8]，如圖2所示；ηM變化不明顯（薩南油田注水電動機負載率都在50%以上）[9]，如圖3所示。

圖2 工頻注水泵性能曲線Fig.2 Performancecurveofpowerfrequencywaterinjection pump

圖3 工頻電動機效率與負荷率關(guān)系曲線Fig.3 Relation curve between power frequency motor efficiency and load rate

（2）變頻狀態(tài)下，當管網(wǎng)特性曲線為狹義管網(wǎng)特性曲線時，管網(wǎng)不變，水泵變頻調(diào)節(jié)時，ηpum相等，如圖4 所示；同一個負載下，頻率降低，ηM降低，如圖5所示。

圖4 不同頻率下水泵效率曲線Fig.4 Efficiency curve of water pump at different frequencies

圖5 不同頻率不同負載下電動機效率曲線Fig.5 Motor efficiency curve under different frequency and load

設(shè)想把ηM×ηpum=ηM·pum當做一個變量考慮，通過實測數(shù)據(jù)（表2）繪制了基本效率曲線（圖6）。

圖6 某注水站機泵效率曲線圖Fig.6 Pump efficiency curve of a water injection station

表2 某注水站機泵工、變頻效率對比Tab.2 Comparison of power frequency and frequency conversion efficiency of pumps in a water injection station

可以看出，無論工頻還是變頻，ηM·pum值均隨水量的減小而減小，與泵效曲線走向趨勢接近，ηM·pum·G（注水機組工頻效率，包括電動機和注水泵效率）和ηM·pum·B（注水機組變頻效率，包括電動機、注水泵和變頻器效率）的走向趨勢也接近。用ηM·pum·G替代ηM·pum·B，編制了注水站注水泵運行狀況，見表3，并依此繪制了工頻和變頻狀態(tài)下實際電量和公式計算電量曲線，如圖7所示。

表3 某注水站注水泵運行狀況Tab.3 Operation status of water injection pump in a water injection station

圖7 某注水站注水泵流量-耗電量曲線Fig.7 Flow-power consumption curve of water injection pump in a water injection station

用ηM·pum·G替代ηM·pum·B，采用公式（4）計算注水機組耗電，理論耗電和計量耗電走勢基本相同，最大誤差率4.9%。在多座注水站試驗后發(fā)現(xiàn)結(jié)果相近，因此得出結(jié)論，應(yīng)用公式（4）計算注水機組耗電，允許最大誤差率＜10%時，可認為ηM·pum·G=ηM·pum·B。

2.3 建立簡化技術(shù)經(jīng)濟評價公式

（1）建立方案論證節(jié)電數(shù)學(xué)模型WJ=。

注水機組應(yīng)用高壓變頻節(jié)電可表述為

式中：WJ為注水機組年節(jié)電量，kWh；WG為安裝變頻器前注水機組年耗電量，kWh；WB為安裝變頻器后注水機組年耗電量，kWh；PG為安裝變頻器前注水機組功率，kW；PB為安裝變頻器后注水機組功率，kW；t為注水泵在變頻器應(yīng)用前、后的運行時間，h；HG為安裝變頻器前水泵揚程，MPa；HB為安裝變頻器后水泵揚程，MPa；ηM·pum·G為注水機組工頻效率；ηM·pum·B為注水機組變頻頻效率。

薩南油田注水泵實際變頻運行時，泵管壓差通?！?.1 MPa，注水來水壓力0.05 MPa左右，可認為注水泵揚程約等于注水管網(wǎng)壓力；注水量大于額定值的50%，可認為電動機和注水泵轉(zhuǎn)速亦高于額定轉(zhuǎn)速的50%，ηB按0.97 考慮，如圖8 所示，公式（5）可簡化為

圖8 東芝變頻器效率曲線Fig.8 Toshiba frequency conversion efficiency curve

式中：Hg為注水管網(wǎng)壓力，MPa。

該公式采取的都是近似值，因此只適合用在技術(shù)論證階段。采集了2座注水站的耗電數(shù)據(jù)，對其誤差進行了驗證，如表4所示，誤差占比最大不超過5.9%，可滿足技術(shù)論證階段需求。

表4 數(shù)學(xué)模型節(jié)電誤差驗證Tab.4 Power saving error verification of mathematical model

表4 數(shù)學(xué)模型節(jié)電誤差驗證Tab.4 Power saving error verification of mathematical model

《建筑用省電裝置應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》給出的方案階段投資回收期法公式[9]為

式中：T為回報期，a；I為投資額，萬元；ΔC為安裝省電裝置后每年節(jié)省的電費，包含每年維護等支出費用，萬元。

薩南油田注水系統(tǒng)最早安裝的2臺高壓變頻調(diào)速裝置已穩(wěn)定運行17 年，超出折舊年限，年均維護成本3.3 萬元，根據(jù)其實際運行狀況，該公式表述為

式中：TY為預(yù)期回報時間，a；GJ為每年節(jié)省的電費，萬元。

將節(jié)電公式（6）代入經(jīng)濟評價公式（8）中，進一步化簡得出技術(shù)經(jīng)濟評價公式為

式中：GG為安裝變頻器前注水機組年耗電費，萬元。

該公式中HC、HG、GG均為注水機組工頻運行時常用數(shù)據(jù)，站內(nèi)有儀表計量，只要明確高壓變頻器價格I和投資回收預(yù)期TY，即可知道變頻器可實施論證方案投資是否合理，與傳統(tǒng)評價方法相比，計算簡便，實用性強，準確高效。

3 結(jié)論

注水系統(tǒng)耗電量高，應(yīng)用高壓變頻器節(jié)電效果好，但高壓變頻器設(shè)備價格較高，還需要考慮投資回收期。本文通過大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和推導(dǎo)公式，建立了前期立項論證用節(jié)電預(yù)測方法、項目實施后節(jié)電效果計算方法以及簡化經(jīng)濟技術(shù)界限評價方法，具有公式簡單、計算便捷、準確性高的優(yōu)點，能夠滿足相關(guān)技術(shù)人員今后在油田注水系統(tǒng)應(yīng)用高壓變頻器的技術(shù)論證和效果評價的需求。