1、引言 隨著近幾年油田注水系統(tǒng)柱塞泵應(yīng)用低壓變頻調(diào)速技術(shù)的日臻成熟和普及推廣，低滲透油藏注水壓力變化大、現(xiàn)場調(diào)控難、配注任務(wù)完成難、單耗高、系統(tǒng)效率低等問題逐步得到解決。油田注水系統(tǒng)地面設(shè)備的節(jié)能技改重點(diǎn)開始轉(zhuǎn)向6kv高壓及1000kw以上的大型離心泵機(jī)組。由于這些耗電“巨無霸”多數(shù)投產(chǎn)于計劃經(jīng)濟(jì)年代，機(jī)組設(shè)計普遍按照油田開采后期含水高，注水量大，地層滲透率降低考慮，因此設(shè)計流量大和揚(yáng)程高，配置的拖動電機(jī)功率大、電壓高。但是隨著地層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜多變，目前這些大功率離心泵機(jī)組絕大部分的運(yùn)行工況遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計流量和揚(yáng)程，并且受到傳統(tǒng)控制手段的限制，生產(chǎn)現(xiàn)場只能依靠調(diào)節(jié)開泵臺數(shù)進(jìn)行粗調(diào)和調(diào)節(jié)泵排出閥節(jié)流細(xì)調(diào)來控制注水量，由此造成注水系統(tǒng)泵干壓差大、單耗高、效率低。 2003年，我們基于對國內(nèi)外油田注水大型離心泵高能耗問題的認(rèn)識和對當(dāng)前自控領(lǐng)域高壓大功率電動機(jī)調(diào)速技術(shù)的比較研究，選擇目前世界上高壓大功率變頻技術(shù)領(lǐng)先的robicon第四代完美無諧波高壓變頻器為核心部件，通過系統(tǒng)集成與技術(shù)整合，形成了一套具有國內(nèi)領(lǐng)先水平的解決方案。2004年元月實施后，無論在改進(jìn)現(xiàn)場工藝方面，還是在節(jié)能降耗方面都取得了很好效果。 2、注水站現(xiàn)狀 2.1 設(shè)備現(xiàn)狀 注水泵機(jī)組3臺，離心泵為df120-150×10型，適配原動機(jī)為yksy1000-2型6kv高壓電動機(jī)。離心泵名牌主要技術(shù)參數(shù):額定流量120m3/h（極限流量220m3/h），揚(yáng)程1500m，轉(zhuǎn)速2950r/min，額定泵效70%; 配用電動機(jī)功率1000kw，電動機(jī)額定效率95%。 2.2 運(yùn)行參數(shù) 注水站正常生產(chǎn)情況下1臺泵運(yùn)行，主要運(yùn)行技術(shù)參數(shù):流量165m3/h，泵壓14.6mpa，干壓11.2mpa，泵干壓差3.4mpa，壓力損失23.3%。能耗參數(shù):泵效67.1%，注水單耗0.436kwh/m3.mpa。在系統(tǒng)來水多的特殊情況下2臺泵運(yùn)行。 2.3 能耗分析 單臺泵工頻運(yùn)行, 閘閥節(jié)流調(diào)節(jié), 導(dǎo)致泵干壓差大, 功率損失高達(dá)165m3/h×0.436kwh/m3mpa×3.4mpa= 244.596kw。造成年電費(fèi)支出高達(dá)244.596kw× 0.46=112.5萬元。 兩臺泵運(yùn)行下，由于僅僅相當(dāng)于1.5臺的注水量，因此功率損失更加嚴(yán)重。由此可見，在義一注水站實施變頻節(jié)能改造勢在必行，同時也反襯出節(jié)能技改將帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。 3、變頻調(diào)速與工頻節(jié)流調(diào)節(jié)的能耗對比分析 根據(jù)離心泵比例定律，同一臺泵的葉輪直徑不變時，改變轉(zhuǎn)速n，其性能參數(shù)可按比例關(guān)系計算，即流量q∝n、揚(yáng)程h∝n2、功率p∝n3。該定律說明變頻調(diào)速時，不同轉(zhuǎn)速下離心泵性能參數(shù)隨轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律，亦定性說明低轉(zhuǎn)速下離心泵功率消耗小，高轉(zhuǎn)速下功率消耗大。但在泵排出閥節(jié)流調(diào)節(jié)方式下，且排出閥開度較小時，流量等參數(shù)偏離比例定律，因此引用比例定律則無法進(jìn)行變頻調(diào)速與工頻節(jié)流調(diào)節(jié)的能耗比較。筆者認(rèn)為從離心泵特性與輸入功率關(guān)系的角度進(jìn)行分析比較適合適的。 3.1 單泵工頻下閘閥調(diào)節(jié)與變頻調(diào)節(jié)的功率分析 如圖1所示，工頻下閘閥調(diào)節(jié)即改變了管網(wǎng)的固有特性，特性曲線左移，隨著閘閥開度的調(diào)節(jié)變小，可以得到r1左側(cè)的一族曲線。當(dāng)按照需要流量q2固定閘閥開度后，裝置特性曲線由r1變?yōu)閞2，泵的工況點(diǎn)由a沿著h-q（g）左移到b點(diǎn)，泵排出閥上多消耗壓頭△h。從圖1的效率曲線可以看出，隨著閘閥開度的減少，泵效逐漸降低，工作在b點(diǎn)時，泵效為η1。 變頻調(diào)速不改變管網(wǎng)特性曲線，而是通過調(diào)整泵葉輪轉(zhuǎn)速改變流量，大型工業(yè)泵應(yīng)用的變頻調(diào)速一般都是通過降低電源的供電頻率實現(xiàn)調(diào)速，所以變頻調(diào)速基本都是使泵在低于額定轉(zhuǎn)速下的調(diào)速。隨著速度的降低，我們能夠得到一族工頻特性曲線h-q（g）下的泵特性曲線。如圖1所示，變頻調(diào)速情況下,流量為q2的泵特性曲線為h-q（f）。顯然，此時泵排出閥開度達(dá)到最大，排出閥上沒有壓頭損失△h，此時的泵效最高為η2。 3.2 相同流量條件下單泵工頻狀態(tài)閘閥節(jié)流調(diào)節(jié)與變頻調(diào)節(jié)的功率比較 由電動機(jī)軸功率計算公式p=ρgqh/（1000×η）可以得到: 閘閥節(jié)流調(diào)節(jié)時電動機(jī)輸入功率: pg=ρg×q2×hb/（1000×η1） （1） 變頻調(diào)節(jié)時電動機(jī)輸入功率: pf=ρg ×q2×hc/（1000×η2） （2） 式中:ρg—流體密度（kg/m3）與重力加速度 （9.81m/s2）乘積; q2—泵排出流量（m3/s）; hb—閘閥節(jié)流調(diào)節(jié)泵的揚(yáng)程（m）; hc—變頻狀態(tài)泵的揚(yáng)程（m）; η1—閘閥節(jié)流調(diào)節(jié)泵效; η2—變頻調(diào)速的泵效。 （1）式-（2）式: δp=pg-pf =ρg q2×（hb/η1-hc/η2）/1000 （3） 因hb-hc=△h，故hb＞hc ，又η1＜η2，所以△p＞0，由此可得相同流量條件下，單泵變頻調(diào)速控制流量較工頻下閘閥節(jié)流調(diào)節(jié)減少了功率消耗的定論。顯然，變頻調(diào)速節(jié)能主要原因是消除了泵排除閥的壓頭損失和在高效區(qū)運(yùn)行減少了電動機(jī)輸入功率。 3.3 不同流量等條件下的能耗分析 由圖1可以進(jìn)一步分析變頻調(diào)速在各種情況下對離心泵運(yùn)行功率的影響。由于工頻狀態(tài)下閘閥節(jié)流調(diào)節(jié)均使管網(wǎng)特性曲線由額定工況點(diǎn)a左移，因此可以得出閘閥節(jié)流調(diào)節(jié)均存在泵排出閥壓頭hb永遠(yuǎn)大于ha，而變頻調(diào)速時泵的工況點(diǎn)均在管網(wǎng)工作特性曲線上a下面的各點(diǎn)，所以總是存在hb＞hc，既便是油田注水站使用的高揚(yáng)程大排量離心泵的特性曲線都比較平坦，這個結(jié)論依然成立。又由于變頻調(diào)速不改變管網(wǎng)特性，所以變頻調(diào)速均使泵工作在高效區(qū)，即在變頻器正常調(diào)節(jié)范圍內(nèi)總存在η2＞η1。根據(jù)公式（3），則均有△p＞0成立，由此可以推論:變頻調(diào)速在各種情況下均較閘閥節(jié)流調(diào)節(jié)節(jié)能。 在注水管網(wǎng)特性曲線也比較平坦的情況下，泵的工況點(diǎn)如果在大于額定排量接近極限排量的較陡區(qū)間內(nèi)時，節(jié)能效果會更明顯。 4、注水站應(yīng)用變頻器實施節(jié)能技改的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計 4.1 變頻器的的選型 近幾年來，隨著高壓大功率變頻器的不斷換代，國內(nèi)其它油田在高壓大功率電動機(jī)居多的注水系統(tǒng)實施變頻節(jié)能改造也逐漸增多。 從國產(chǎn)品牌的生產(chǎn)和使用情況看，雖然國內(nèi)的成都佳靈和北京利德華福生產(chǎn)的高壓大功率變頻器在市場有一定的份額，但涉足油田注水系統(tǒng)高壓大功率離心泵改造的卻寥寥無幾。主要原因:一是產(chǎn)品起步較晚，二是產(chǎn)品主要性能指標(biāo)距國外知名品牌還有差距。鑒于高壓變頻投資大、風(fēng)險高，所以目前條件下，應(yīng)用國外最先進(jìn)的成熟高壓變頻技術(shù)是必要的。 從國外品牌的使用情況看，國內(nèi)多數(shù)是從2000年后才開始應(yīng)用，據(jù)了解多為二代或三代產(chǎn)品，使用中諧波的污染問題、英文界面帶來的管理不便問題、輸出波形畸變造成的轉(zhuǎn)矩振動問題、變頻器自身損耗大效率低的問題等等，都在一定程度上對現(xiàn)場生產(chǎn)造成了不良影響。 基于以上原因，為了確保勝利油田第一次應(yīng)用高壓變頻器實施注水站節(jié)能改造取得成功，我們確定采用美國robicon第四代完美無諧波高壓（6kv）變頻器作為義一注水站實施節(jié)能改造的核心設(shè)備。 該設(shè)備的技術(shù)先進(jìn)性具體體現(xiàn)在主要性能指標(biāo)均高于同類產(chǎn)品:無諧波污染，符合ieee 5191992和gb/t14549-93標(biāo)準(zhǔn)的最嚴(yán)格要求;功率因數(shù)高，在20～100%的負(fù)載下均能達(dá)到或超過0.95的功率因數(shù);效率高，總效率達(dá)到97%;頻率精度高，在所有因素下都能達(dá)到 ±0.5%;適用性強(qiáng)，可適用國產(chǎn)各種普通異步電機(jī);用戶界面人性化程度高，可顯示速度，電流，電壓，功率，用電度數(shù)的數(shù)字表。也可現(xiàn)場設(shè)置工控機(jī)或筆記本電腦，參數(shù)調(diào)整方便;隔離變壓器能保護(hù)電機(jī)不受共模電壓的影響;變頻器對電網(wǎng)電壓有極強(qiáng)的適應(yīng)能力;完善的變頻器固有保護(hù)功能;功率單元為模塊化設(shè)計，不須專用工具，維修方便。 4.2 系統(tǒng)集成設(shè)計采用的幾項關(guān)鍵技術(shù) （1） 采用一機(jī)多控方案，電氣一次系統(tǒng)如圖2所示，系統(tǒng)設(shè)計采用工頻和變頻分別輸出到切換柜，兩個高壓切換開關(guān)實施電氣互鎖，防止同時操作合閘，這樣保持了每臺電動機(jī)仍由一條電纜供電，節(jié)省了設(shè)備投資。 （2） 通過plc編程，可根據(jù)現(xiàn)場需要，靈活設(shè)置輸入開關(guān)量和輸出開關(guān)量，實現(xiàn)現(xiàn)場接口和開關(guān)信號的邏輯處理。 （3） 閉環(huán)自動控制系統(tǒng)按照配水間干壓恒定和注水站事故罐液面穩(wěn)定條件設(shè)計。可根據(jù)生產(chǎn)需要設(shè)定干線壓力sv1，當(dāng)實際壓力pv1達(dá)到設(shè)定壓力sv1，自動降低電動機(jī)轉(zhuǎn)速，反之亦然;為防止注水大罐污水外溢，設(shè)定大罐上/下限壓力，當(dāng)大罐現(xiàn)場壓力到達(dá)上限壓力,自動停止變頻運(yùn)行，報警后由值班人員切換到工頻運(yùn)行;現(xiàn)場干線和大罐壓力傳感器均采用國外名牌產(chǎn)品，確保采集數(shù)據(jù)的精度要求。 （4） 柜式隔離變壓器、變頻器均采用一體化設(shè)計，內(nèi)部連線，現(xiàn)場只須連接高壓輸入、輸出、低壓控制電源和控制信號線即可。節(jié)省了安裝和土建成本。 （5） 開發(fā)的中英文轉(zhuǎn)換軟件，可實現(xiàn)本地工控機(jī)中文界面下的運(yùn)行監(jiān)控和變頻器參數(shù)調(diào)整。 （6） 滿足系統(tǒng)開放性要求，借助現(xiàn)場通訊或移動通訊網(wǎng)絡(luò)，可實現(xiàn)變頻器運(yùn)行參數(shù)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。 （7） 本系統(tǒng)采用高壓變頻器獨(dú)立電源設(shè)計，簡化了配電系統(tǒng)，節(jié)省了高壓隔離開關(guān)的臺數(shù)，節(jié)省了投資。 （8） 系統(tǒng)選用了高壓變頻器專用保護(hù)避雷器和專用除霜器，能夠有效防止雷電及電力系統(tǒng)有害過電壓的侵入。 5、效果評價 5.1 單耗測試 執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn):《sy/t5265-1996油田注水地面系統(tǒng)效率測試和單耗計算方法》。 用電量及注水量數(shù)據(jù)采集:義一注水站應(yīng)用高壓變頻實施節(jié)能改造前后，中石化勝利油田有限公司河口采油廠能源監(jiān)測站進(jìn)行了跟蹤測試，測試采用的義一注水站用電量為變電站每天早8:00記錄的義一注水站用電量，水量采用義一注水站每天早8:00記錄的各臺泵實際注水量。 比較時間:改造前取2003年12月1日-31日為原態(tài)測試日期，改造后取2004年元月12日-2月10日為節(jié)能態(tài)測試日期。 經(jīng)過計算，改造前后，注水站綜合注水單耗由原來的5.23kwh/m3下降到3.05kwh/m3，單耗降低幅度達(dá)到 41.68%，按義一注水站平均每天注水量4500m3計算，改造前后日用電量減少9810kwh，每月節(jié)電29.43萬kwh，每月實際節(jié)約電費(fèi)約15萬元，年節(jié)電費(fèi)180萬元。投資回收期282.4411/180=1.57年。 5.2 泵效測試 按照勝利油田企業(yè)標(biāo)準(zhǔn):《sy/t5265-1996油田注水地面系統(tǒng)效率測試和單耗計算方法》，泵效測試采用了現(xiàn)場測試方法。 經(jīng)測試，原工頻時的泵效為58.92%，改造后泵效為87.27%。 5.2 改造后的工藝效果 首先，系統(tǒng)采用一控三方案，任何一臺電機(jī)都可以實現(xiàn)“工/變”頻切換、“手動/自動”切換，提高了自動化程度，降低了調(diào)節(jié)閘閥的勞動強(qiáng)度。其次，實現(xiàn)了管網(wǎng)壓力、液位的智能控制，達(dá)到注水站來液和注水的“供注平衡”，優(yōu)化了生產(chǎn)參數(shù)。再次，變頻器控制電動機(jī)軟啟動，消除了高速啟動時電動機(jī)的沖擊損傷，提高了電動機(jī)壽命，同時延長了各處軸瓦的壽命和檢修周期。此外，改造后，泵的工況點(diǎn)在大于額定排量接近極限排量的區(qū)間內(nèi)，單泵流量達(dá)到了210m3/h，接近設(shè)計流量的上限220m3/h，原來由2臺泵工頻運(yùn)行完成的任務(wù)，現(xiàn)在只用一臺泵變頻運(yùn)行即可，這也是單耗大大降低的主要原因。如附表所示。 6、結(jié)束語 從試驗的情況看，本次應(yīng)用robicon第四代完美無諧波一體化高壓變頻器實施節(jié)能改造是成功的，它為油田注水系統(tǒng)應(yīng)用新型高壓變頻器提供了成功案例。特別適用于節(jié)流調(diào)節(jié)泵干壓差較大注水站實施節(jié)能改造，因此具有很高的推廣應(yīng)用價值?？梢韵嘈?，隨著高壓變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用的日益增多，油田注水生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益會越來越好，無疑對促進(jìn)油田整體經(jīng)濟(jì)效益的提高起到促進(jìn)作用。