一、引言

通過注水井向油層注水，是保證油層壓力，提高油藏采油速度和采收率而被廣泛采用的一項(xiàng)重要開發(fā)措施。在油田注水工程中，注水泵是滿足油田注水，保證地層壓力的源設(shè)備，為了保證較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)滿足油田注水需要，在設(shè)計(jì)上注水泵的容量選型一般都較大，同時(shí)在實(shí)際生產(chǎn)中，日注水量又總是一個(gè)波動(dòng)較大的參數(shù)。特別是在高壓注水系統(tǒng)中，大馬拉小車的現(xiàn)象比較普遍，注水泵泵壓與注水管線干壓之間存在較大的壓差，必須靠控制出口閥門來保證注水管網(wǎng)的注水壓力，這樣既造成大量的電能被白白的消耗掉，同時(shí)又由于泵壓較高對(duì)機(jī)泵的運(yùn)行也十分不利。在保證油田配注要求的前提下，如何提高注水系統(tǒng)的效率，使其能耗降到最低，一直是我們研究探討的課題。近幾年國(guó)產(chǎn)高壓大功率變頻技術(shù)取得了新的突破，為我們?cè)诟邏鹤⑺到y(tǒng)采用交流變頻調(diào)速裝置創(chuàng)造了條件。變頻裝置依據(jù)注水管網(wǎng)需要的壓力進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，自動(dòng)調(diào)節(jié)注水量，既節(jié)約大量的電能又降低了機(jī)泵的損耗，對(duì)降低油田生產(chǎn)運(yùn)行成本有著十分積極的意義。

二、油田注水工藝概況

沈陽(yáng)油田現(xiàn)有注水站5座，共安裝高壓注水泵16臺(tái)，總裝機(jī)容量23400KW，目前正常運(yùn)行4-5臺(tái)注水泵，運(yùn)行容量7900KW。為適應(yīng)注水量的變化，實(shí)現(xiàn)合理注水，需不斷調(diào)整注水泵的運(yùn)行方式。在沒有調(diào)速措施的情況下，只能通過開泵臺(tái)數(shù)或人工調(diào)節(jié)閥門來控制流量，必然造成注水系統(tǒng)能耗增高。以采油作業(yè)二區(qū)為例進(jìn)行分析：

采油作業(yè)二區(qū)的注水任務(wù)主要由沈二注水站與沈四注水站聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行共同承擔(dān)，聯(lián)網(wǎng)主干管線約8公里，總注水量在8200至9700方/日變動(dòng)，波動(dòng)幅度+15%、-20%。該管網(wǎng)中正常啟運(yùn)兩臺(tái)1800KW高壓注水泵，注水排量分別為250m3/h（沈二注水站）和200m3/h（沈四注水站），管網(wǎng)平均干壓為16.9MPa，泵壓為18.9MPa，存在2Mpa的壓差，注水量晝夜變化比較大，原設(shè)備又只能定速運(yùn)行，所以只能靠調(diào)節(jié)閥門的開度來調(diào)節(jié)注水量的大小，人為地改變了管網(wǎng)的阻力，增加了管網(wǎng)損耗，造成相當(dāng)大的一部分能量浪費(fèi)在閥門上，致使注水單耗居高不下，不但不能夠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，而且增加了工人的工作量，調(diào)節(jié)不及時(shí)還會(huì)造成管網(wǎng)壓力過高或過低，流量過大或過小，影響生產(chǎn)工藝及設(shè)備的安全運(yùn)行，由此看來，如果給注水泵機(jī)組加裝變頻調(diào)速裝置，泵管壓差造成的能量損失就可以大大減小，甚至可能被消除。同時(shí)在變頻調(diào)速裝置的參與下，通過優(yōu)化仿真，根據(jù)最優(yōu)原則運(yùn)行注水泵和調(diào)整注水管網(wǎng)的流量和壓力，盡可能減少配水間及井口節(jié)流損失，從而使整個(gè)注水系統(tǒng)在高效區(qū)運(yùn)行，達(dá)到節(jié)能地目的。

三、注水系統(tǒng)進(jìn)行高壓變頻改造方案

1、水泵調(diào)速運(yùn)行的節(jié)能原理

水泵工頻定速運(yùn)行時(shí)，為了保證管網(wǎng)壓力及流量，同時(shí)保證電機(jī)不過載，只能靠改變泵出口閥門來調(diào)節(jié)泵的運(yùn)行。水泵經(jīng)關(guān)閥調(diào)節(jié)后，在小流量、高揚(yáng)程（與原工況相對(duì)比）的工況下運(yùn)行，泵管壓差增大，單耗增高。如圖一所示。 假設(shè)水泵原來在工況點(diǎn)B運(yùn)行時(shí)，出口閥門處于全開狀態(tài)，出水流量為QB，揚(yáng)程為HB，如果想減少注水量，下降為QA，水泵在沒有安裝任何調(diào)整裝置的情況下，只能通過關(guān)閥調(diào)節(jié)使出水量保持在QA，那么就有QA×（HA-HB）的功損失在出口閥門上，這樣，不僅浪費(fèi)了大量電能，而且出口閥門長(zhǎng)期在水流沖擊作用下故障增多，壽命縮短。

如圖二所示為泵的典型的工作曲線，AB是泵的性能曲線，與額定系統(tǒng)壓力曲線QB相匹配，在B點(diǎn)可以得到額定壓力下的額定流量，在該點(diǎn)泵有最高的效率，關(guān)閉閥門可控制流量，當(dāng)流量減小時(shí)，泵分別工作在P、Q、R、S點(diǎn)，此時(shí)泵需要在很高的壓差下工作，因此泵的的能量輸出比實(shí)際系統(tǒng)需要多得多，多余的能量在閥上表現(xiàn)為熱量損耗，并被液體流動(dòng)時(shí)帶走。用泵的輸出能量除以泵的效率，可以求得對(duì)泵的總輸入能量。用調(diào)節(jié)閥控制減小流量，能量損失相當(dāng)大。利用變頻器調(diào)速，使電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)泵在可變速情況下工作，要使得泵的特性曲線與系統(tǒng)在任何流量條件下的需要相匹配，流量與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，產(chǎn)生的壓差與速度的平方成正比，因此可得一組特性曲線，如圖三所示，無級(jí)變頻調(diào)速后可得到AB～CD無數(shù)條水泵特性曲線，管路特性曲線與ABDC形成的陰影帶任何一個(gè)交點(diǎn)，都可作為工況點(diǎn)與外網(wǎng)水量變化相適應(yīng)，在較小的揚(yáng)程下達(dá)到P、Q、R、S點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的流量，而且只損失很少的能量，其節(jié)能效果相當(dāng)可觀。

2、設(shè)備改造及運(yùn)行情況

經(jīng)過我方多次論證，根據(jù)采油作業(yè)二區(qū)注水系統(tǒng)運(yùn)行及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，決定在沈四注水站1800KW注水電機(jī)上采用利德華福公司生產(chǎn)的HARSVERT-A06/220高壓大功率變頻器，該設(shè)備具有如下優(yōu)點(diǎn)：

全中文WINDOWS操作界面，彩色液晶觸摸屏；

輸入功率因數(shù)高，電流諧波少，無須功率因數(shù)補(bǔ)償/諧波抑制裝置

輸出階梯正弦PWM波形，無須輸出濾波裝置，對(duì)電纜、電機(jī)絕緣無損害，電機(jī)諧波少，減少軸承、葉片的機(jī)械振動(dòng)，輸出線可以長(zhǎng)達(dá)1000米；

功率電路模塊化設(shè)計(jì)，維護(hù)簡(jiǎn)單；

高壓主回路與控制器之間為光纖連接，安全可靠；

完整的故障監(jiān)測(cè)電路、精確的故障報(bào)警保護(hù)；

內(nèi)置PLC，易于改變控制邏輯關(guān)系，適應(yīng)多變的現(xiàn)場(chǎng)需要；

可靈活選擇現(xiàn)場(chǎng)控制/遠(yuǎn)程控制；

可接受和輸出0～10V/4～20mA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)；

可根據(jù)用戶需要內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器；

完整的通用變頻器參數(shù)設(shè)定功能；

高效率（>96%）

HARSVERT-A06/220高壓變頻調(diào)速設(shè)備于2003年7月24日開始試運(yùn)行， 正式投入運(yùn)行的時(shí)間是8月1日，最初采用開環(huán)方式運(yùn)形，即通過觀測(cè)注水量變化，人工調(diào)節(jié)電機(jī)頻率，改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，采集不同流量、壓力變化點(diǎn)，摸索運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，2003年8月27日改到閉環(huán)運(yùn)行，通過采集管網(wǎng)干壓壓力信號(hào)，追蹤管網(wǎng)壓力幅值的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到人機(jī)一體，自能化控制。通過近兩個(gè)月的運(yùn)行來看，HARSVERT-A06/220高壓變頻調(diào)速裝置各種保護(hù)功能齊全，具備直流母線過欠壓，功率單元驅(qū)動(dòng)故障，變壓器溫度報(bào)警及UPS掉電，柜門非法打開等輕重故障報(bào)警，尤其具備流量及壓力上下限報(bào)警功能，可以有效避免流量過低時(shí)水泵發(fā)生氣蝕現(xiàn)象，保證的設(shè)備的安全運(yùn)行。利用該設(shè)備的工控機(jī)界面，可以非常直觀的觀測(cè)到變頻器的輸入輸出電壓和電流波形、同時(shí)還可實(shí)時(shí)采集到注水泵的注水量、耗電量、實(shí)際管網(wǎng)壓力的瞬時(shí)變化和累計(jì)數(shù)據(jù)，便于現(xiàn)場(chǎng)工作人員進(jìn)行節(jié)能分析和管理。

四、節(jié)能及經(jīng)濟(jì)效益分析

我們對(duì)2003年8月份、9月份沈四注水站注水泵1800KW高壓電機(jī)每天運(yùn)行的主要參數(shù)電量、注水量進(jìn)行了認(rèn)真的統(tǒng)計(jì)，并與2002年同期統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較、分析，結(jié)論如下：

1、直接經(jīng)濟(jì)效益

1）注水單耗由去年同期的7.87KWh/m3降低到目前的6.33KWh/m3；

沈四注水站2002-2003年九月份注水單耗對(duì)比圖

2）按年注水量為150×104m3，電價(jià)按0.46元/KWh，年運(yùn)行時(shí)間按7200小時(shí)計(jì)算，則年可節(jié)約電量為231×104KWh，節(jié)約電費(fèi)為106.26萬元。

2、間接經(jīng)濟(jì)效益

1）在工頻50Hz電網(wǎng)直接啟動(dòng)時(shí),對(duì)電網(wǎng)和電機(jī)的機(jī)械沖擊較大,聲響很大,估算其啟動(dòng)一次的損耗為:Ws=0.5J（1+r1/r2）Tm/（Tm-TL）,離心泵負(fù)載的平方轉(zhuǎn)矩特性與異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的機(jī)械特性曲線部分相似,可以Tm/（Tm-TL）=1計(jì).而變頻軟起動(dòng)損耗很小,只有上述Ws十分之一,則每年的起動(dòng)節(jié)能也是很可觀的。

2）當(dāng)采用變頻調(diào)速時(shí)，50Hz滿載時(shí)功率因數(shù)為接近l，工作電流比電機(jī)額定電流值要低許多,這是由于變頻裝置的內(nèi)濾波電容產(chǎn)生的改善功率因數(shù)的作用,可以為電網(wǎng)節(jié)約容量。

3）采用變頻調(diào)速后，可以避免因通過閥門控制使泵過多偏離額定工作區(qū)而引起的振動(dòng)，這種振動(dòng)嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起懸臂泵軸頭斷裂。由于啟動(dòng)緩慢及轉(zhuǎn)速的降低，相應(yīng)地延長(zhǎng)了許多零部件如密封、軸承的壽命，特別是減輕了起動(dòng)機(jī)械轉(zhuǎn)矩對(duì)電機(jī)機(jī)械損傷，有效的延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命，減少了檢修維護(hù)開支，節(jié)約大量維護(hù)費(fèi)用。

五、總結(jié)

1、根據(jù)高壓大功率變頻器在油田注水系統(tǒng)的運(yùn)行情況以及實(shí)際節(jié)能效果來看，對(duì)注水泵采用變頻調(diào)速裝置的改造達(dá)到了預(yù)期的效果，實(shí)現(xiàn)了降低注水單耗及改善工藝的目的，由此證明該項(xiàng)目的改造是成功的。

2、通過運(yùn)行實(shí)踐我們也發(fā)現(xiàn)，本系統(tǒng)中高壓變頻器的節(jié)能效果與系統(tǒng)管網(wǎng)的壓力及沈二注水站定速泵閥門的開度有著直接的關(guān)系，有必要逐步摸索運(yùn)行規(guī)律，尋找一個(gè)最佳的運(yùn)行工況點(diǎn)，以便充分發(fā)揮高壓變頻裝置的性能；挖掘更大的節(jié)能潛力。

3、如果將沈二注水站的定速泵改造成變速泵，二者同時(shí)進(jìn)行變速調(diào)節(jié)，則綜合節(jié)能效果會(huì)更佳。

4、通過目前運(yùn)行單耗對(duì)比分析，二年內(nèi)即可收回高壓大功率變頻系統(tǒng)改造的全部投資。

作者簡(jiǎn)介：蔡國(guó)慶，1965年9月生人，現(xiàn)任遼河油田沈陽(yáng)采油廠工程師，主要從事電力系統(tǒng)管理、油田節(jié)能設(shè)備的開發(fā)、應(yīng)用等方面的工作。