前置變頻調(diào)速技術(shù)在注水系統(tǒng)的適應(yīng)性分析

霍東英（大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠）

前置變頻調(diào)速技術(shù)在注水系統(tǒng)的適應(yīng)性分析

霍東英（大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠）

注水系統(tǒng)受產(chǎn)能建設(shè)、周期注水等因素影響，系統(tǒng)壓力、水量等運(yùn)行參數(shù)發(fā)生較大波動(dòng)，產(chǎn)生供需矛盾，導(dǎo)致系統(tǒng)低效高耗運(yùn)行。前置變頻作為一項(xiàng)注水泵低壓調(diào)速技術(shù)，以其靈活可調(diào)的特點(diǎn)得到推廣應(yīng)用。但是，在實(shí)際應(yīng)用過程中，發(fā)現(xiàn)了該技術(shù)的一些不適應(yīng)性，節(jié)能效果參差不齊。為此，開展前置變頻調(diào)速技術(shù)適應(yīng)性分析，研究其適用范圍。

前置變頻調(diào)速 節(jié)流損失率 單耗

截至 2012 年 12 月，采油廠共建成注水站 17座，安裝注水泵機(jī)組 58 臺(tái)，設(shè)計(jì)注水規(guī)模 27.84× 104m3/d。 自 2006 年開始， 進(jìn) 行 前置變 頻 調(diào) 速 技術(shù)現(xiàn)場改造并推廣應(yīng)用，至 2012年 12 月，共進(jìn)行注水泵前置變頻調(diào)速技術(shù)改造7臺(tái)，其中1臺(tái)進(jìn)行產(chǎn)能建設(shè)改造，6臺(tái)進(jìn)行節(jié)能改造。

1 前置變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用節(jié)能效果

1.1注水系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)分析

注水系統(tǒng)分為普通水注水、深度水注水和三采水注水三套注水管網(wǎng)，注水系統(tǒng)注水井網(wǎng)不同、相對(duì)獨(dú)立運(yùn)行。前置變頻調(diào)速技術(shù)在普通注水系統(tǒng)應(yīng)用2臺(tái)，深度注水系統(tǒng)應(yīng)用5臺(tái)，三采注水系統(tǒng)未應(yīng)用。根據(jù) 2012 年注水系統(tǒng)生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，普通注水系統(tǒng)平均運(yùn)行管壓 15.01MPa，深度注水系 統(tǒng) 平均運(yùn)行管 壓 14.77MPa， 三 采 注 水 系統(tǒng)平均運(yùn)行管壓 15.27MPa，見表1。

1.2節(jié)能效果分析

截至 2012 年 12月，共有 5臺(tái)前置變頻改造注水泵投產(chǎn)運(yùn)行。根據(jù)注水系統(tǒng)各套管網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行情況，在平均管網(wǎng)壓力上下 0.2MPa范圍內(nèi) （即普通注 水 系 統(tǒng) 14.8～15.2MPa、 深 度 注 水 系 統(tǒng) 14.6～15 MPa），注水泵前置變頻改造前后能耗指標(biāo)日運(yùn)行數(shù)據(jù)，見表2。

從表2可以看出，經(jīng)過前置變頻調(diào)速技術(shù)改造后，注水泵運(yùn)行能耗：F注水站和E注水站注水泵運(yùn)行單耗增加，耗電量增加 101.57×104kWh；B 注水站、D注水站和C注水站注水泵運(yùn)行單耗降低，耗電量節(jié)約 775.72×104kWh。運(yùn)行的 5 臺(tái)注水泵節(jié)能效果疊加累計(jì)節(jié)電約 674.15×104kWh，節(jié)約資金約 397.75 萬元。

表1 注水系統(tǒng) 2012年運(yùn)行壓力數(shù)據(jù) 單位：MPa

表2 注水泵前置變頻改造前后運(yùn)行情況

2 前置變頻調(diào)速技術(shù)適應(yīng)性分析

注水泵進(jìn)行前置變頻調(diào)速技術(shù)改造后，節(jié)能效果參差不齊，下面根據(jù)前置變頻改造注水泵運(yùn)行情況，進(jìn)行該項(xiàng)技術(shù)適應(yīng)性分析。

2.1分析原理

根據(jù)中國石油天然氣集團(tuán)公司節(jié)能技術(shù)監(jiān)測評(píng)價(jià)中心節(jié)能監(jiān)測計(jì)算方法，注水機(jī)泵運(yùn)行效率、單耗等參數(shù)計(jì)算如下。

1）測量法，電動(dòng)機(jī)效率計(jì)算公式：

式中：

ηe——電動(dòng)機(jī)效率，%;

Pe——電動(dòng)機(jī)輸入功率，kW；

I——電動(dòng)機(jī)線電流，A；

V ——電動(dòng)機(jī)線電壓，kV；

cos? ——電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)；

P0——電動(dòng)機(jī)空載功率，kW；

R——電動(dòng)機(jī)定子直流電阻，kΩ；

K——損耗系數(shù)（隨電動(dòng)機(jī)雜散耗、轉(zhuǎn)子銅耗功率的增大而增加；常用的 2 極 1000～2250kW 電動(dòng) 機(jī)的 K 值 為 0.009～ 0.011， 一 般可取 0.01）。

2）注水泵運(yùn)行效率流量法計(jì)算公式：

式中：

ηP——注水泵效率，%；

qVP——注水泵流量，m3／h；

P1——泵進(jìn)口壓力，MPa；

P2——泵出口壓力，MPa。

3）注水站效率計(jì)算公式：

式中：

ηs——注水站效率，%；

P3——注水站外輸水出站壓力，MPa；

qvp——注水站外輸水流量，m3/h；

4）注水站泵水單耗計(jì)算公式：

式中：

DH1——注水站泵水單耗，kWh／m3；

W1——注水站電動(dòng)機(jī)耗電量，kWh；

V1——注水泵泵出水量，m3。

5）注水站節(jié)流損失率計(jì)算公式：

6）注水泵實(shí)際揚(yáng)程計(jì)算公式：

式中：

HP——注水泵實(shí)際揚(yáng)程， m；

ν1——注水泵進(jìn)口流速，m/s；

ν2——注水泵出口流速，m/s。

2.2技術(shù)適應(yīng)性分析

根據(jù)各套注水系統(tǒng)運(yùn)行壓力情況，選取平均管網(wǎng)壓力區(qū)間內(nèi)前置變頻注水泵運(yùn)行參數(shù)（主要包括機(jī)泵額定參數(shù)和實(shí)際運(yùn)行泵壓、管壓、泵水流量等主要參數(shù)），計(jì)算節(jié)流損失率、運(yùn)行單耗、注水泵效、機(jī)組效率和泵水揚(yáng)程，見表3，分析前置變頻注 水 泵 運(yùn) 行適應(yīng)性[1]。

表3 節(jié)能監(jiān)測理論計(jì)算結(jié)果

從表3中理論分析數(shù)據(jù)可以看出，E和F注水站注水泵前置變頻調(diào)速技術(shù)改造后，運(yùn)行單耗增加，其余3座注水站的注水泵改造后運(yùn)行單耗降低。對(duì)比表2中實(shí)際泵水單耗跟蹤統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，效果是一致的。

通過改造前后其它參數(shù)對(duì)比，運(yùn)行單耗與泵效及機(jī)組效率呈負(fù)相關(guān)變化。注水泵效、運(yùn)行單耗與注水站運(yùn)行節(jié)流損失率直接關(guān)聯(lián)。

根據(jù)實(shí)際情況，以 4%～6%節(jié)流損失率為上、下界限，高于6%界限點(diǎn)改造的注水泵節(jié)能，低于4%界限點(diǎn)改造的注水泵不節(jié)能。按照150×11級(jí)離心泵揚(yáng)程 16.5MPa計(jì)算，6%節(jié)流損失對(duì)應(yīng)泵管壓差為 1MPa，即界限點(diǎn)為泵管壓差持續(xù)達(dá)到 1MPa以上，見圖1。

圖1 泵水單耗與節(jié)流損失率關(guān)系

從注水泵揚(yáng)程上看，F(xiàn)和E注水站注水泵的實(shí)際揚(yáng)程在改造前不足 16MPa，改造后注水泵平均揚(yáng)程不超過 14.8MPa，而普通注水系統(tǒng)和深度注水系統(tǒng)的 運(yùn)行管 網(wǎng)平 均壓力 分別 為 15MPa 和 14.8MPa，改造后泵的揚(yáng)程能力（實(shí)際揚(yáng)程）低于外界阻力（管網(wǎng)壓力），發(fā)生“以流量換揚(yáng)程”的現(xiàn)象，導(dǎo)致泵水量減少，泵效降低，水泵單耗增加。B、C和D注水站注水泵的實(shí)際揚(yáng)程均在 16MPa以上，改造后水泵平均揚(yáng)程仍能達(dá)到 15.2MPa以上，高于系統(tǒng)管網(wǎng)平均壓力，改造后泵管壓差明顯降低，注水泵效率提高，水泵單耗降低。

另外，以節(jié)能效果好的B注水站前置泵和節(jié)能效果差的F注水站前置泵運(yùn)行情況進(jìn)行對(duì)比，2臺(tái)泵均為 D300 注水泵，運(yùn)行參數(shù)見表4、表5。

表4 F注水站運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)

從以上表中數(shù)據(jù)可以看出，F(xiàn)注水站前置單級(jí)離心泵單耗較B注水站的高，注水泵運(yùn)行效率差異較大。B 注水站前置泵為 2006 年改造，F(xiàn)注水站前置泵為 2010 年改造，設(shè)備本身的質(zhì)量和效率差異，也是導(dǎo)致節(jié)能效果差異大的原因之一。

表5 B注水站運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)

3 認(rèn)識(shí)及建議

1）杏北油田注水泵進(jìn)行前置變頻調(diào)速技術(shù)改造，應(yīng)該同時(shí)考慮注水泵額定揚(yáng)程和注水站運(yùn)行泵管節(jié)流損失率兩個(gè)因素。

2）根據(jù)杏北油田注水井網(wǎng)實(shí)際注水壓力需求，注水泵揚(yáng)程應(yīng)在 1600m 以上可進(jìn)行前置變頻技 術(shù) 改 造[2]。

3）注水站在站外系統(tǒng)管網(wǎng)壓力波動(dòng)較大情況下，泵管節(jié)流損失率持續(xù)保持在6%以上時(shí)，注水泵可進(jìn)行前置變頻技術(shù)改造。

滿足以上條件改造的前置變頻裝置可以在低頻率工況下運(yùn)行，達(dá)到節(jié)能降耗的效果。

[1]賈光政,常玉連,鄒龍慶,等.油田大型注水系統(tǒng)調(diào)速節(jié)能 技 術(shù)[J].大 慶 石 油 學(xué) 院 學(xué) 報(bào),2000（1）:58-62.

[2]周玉花.注水泵采用前置泵變頻技術(shù)的認(rèn)識(shí)[J].石油石化節(jié)能,2011(4):16-17.

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.011.019

2013-07-12）

霍東英，工程師，2002年畢業(yè)于西南石油大學(xué)（油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)），從事規(guī)劃管理工作，E-mail：huodogying@petrochina.com.cn，地址：黑龍江省大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠計(jì)劃規(guī)劃部，163511。