油田高壓注水泵能耗分析與探索

陶波 王同峰 劉永明 胡勇 陸文忠 馬軍（塔里木油田公司）

注水系統(tǒng)是油田生產(chǎn)系統(tǒng)的主要組成部分，它擔(dān)負著油田實現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，保持油層能量的主要任務(wù)，同時注水系統(tǒng)也是耗能大戶，注水耗電約占生產(chǎn)用電的19%以上，并呈逐年上升趨勢。注水工藝系統(tǒng)主要包括注水機組和注水系統(tǒng)管網(wǎng)兩部分，注水泵是注水系統(tǒng)的核心設(shè)備，能耗損耗達30%以上。如何降低注水系統(tǒng)能耗，提高注水有效率成為亟待解決的問題。

1 注水泵運行主要問題

隨著注水開發(fā)的不斷調(diào)整，油田區(qū)塊配注水量也隨之發(fā)生變化，部分注水泵的注水量與泵的額定排量不匹配，注水量一定，運行1臺泵排量不足、運行2臺泵排量有余，大小匹配欠佳，使注水泵運行在非高效段，造成注水單耗較高。同時，注水泵的出口調(diào)節(jié)方式落后，采用手動閥門調(diào)節(jié)，截流損失大，造成大量的能源浪費。如油田某注水站高壓注水泵，泵出口壓力為16.4MPa，而閥后壓力卻降為13.3MPa，注水泵出口閥截流損失達到10.6%，遠超截流損失率的指標(biāo)要求。部分油田的注水泵采用的變頻方式落后，采用高-低-高方案，兩次電壓變換，能量損耗大，發(fā)熱嚴重，無法正常投運。

2 注水泵改造措施

對于提高注水泵效的工作，塔里木油田和其他油田均采取了很多措施，特別是在離心泵的改造上卓有成效。主要有以下幾方面：

1）對離心泵結(jié)構(gòu)進行改造。車削葉輪直徑，打光流道，更換與葉輪不匹配的導(dǎo)翼，提高泵加工質(zhì)量，嚴格檢查泵的維修質(zhì)量。

2）提高泵的運行效率。在離心注水泵運行過程中，通過觀察泵的運行特性和管網(wǎng)狀態(tài)，使泵在高效區(qū)工作。當(dāng)水泵和注水干線的壓力差大于單級葉輪增壓值時，應(yīng)拆掉一級葉輪，同時拆去導(dǎo)翼，并安裝導(dǎo)流套，從而降低泵內(nèi)損失和泵管壓差控制損失。

泵的所需功率和電動機的功率相匹配。加裝變頻裝置，使注水泵輸出功率與注水量、注水管網(wǎng)壓力匹配。

3）推廣使用高效泵。在上述幾種節(jié)能措施中，注水泵加裝變頻裝置代表了節(jié)能的技術(shù)發(fā)展方向。變頻節(jié)能裝置通過改變電源頻率來降低電動機轉(zhuǎn)速，減少輸出功率，對注水泵電動機進行恒壓變頻調(diào)節(jié)，使注水泵的排量與動態(tài)的注水量實現(xiàn)很好的匹配，同時，杜絕高壓水打回流現(xiàn)象。變頻技術(shù)操作簡單、應(yīng)用廣泛、節(jié)能效果直觀，在小型泵的節(jié)能降耗方面應(yīng)用較為普遍，對像注水泵這樣的大型高壓設(shè)備應(yīng)用較為少見[1]。

3 注水泵變頻裝置的選擇

塔里木油田某站注水泵電動機額定參數(shù)：額定功率：630 kW，額定電流：44.3 A，額定電壓：10 kV，額定功率因數(shù)：0.87，額定轉(zhuǎn)速：1480 r/min。水泵額定參數(shù)：額定流量：80m3/h，實際流量：70m3/h，揚程：1480m。2臺泵實際每天流量2700m3，1臺泵全負荷運行，1臺泵間歇運行。運行參數(shù)：電動機運行電流：40 A，運行流量：70m3/h，平均運行時間：7000 h。

從現(xiàn)場運行情況分析，如果運行1臺注水泵，日注水量為1920m3，不能滿足注水要求。如果同時運行2臺注水泵，額定排量160m3/h，而實際注水流量僅為90～120m3/h左右。其中1臺注水泵不能滿負荷運行，該站目前采取截流的方法滿足注水需求，能量損耗較大。根據(jù)高壓注水泵的運行現(xiàn)狀，對該站3臺高壓注水泵采用一臺工頻運行、1臺變頻運行，通過注水泵變頻減少其流量從而將總流量調(diào)節(jié)至注水需求流量。經(jīng)充分論證，現(xiàn)場選擇并安裝了施耐德ATV1100綠色環(huán)保高壓變頻器，該系列變頻采用世界首創(chuàng)的三電平PWM輸出的功率單元直接串聯(lián)的方式實現(xiàn)直接高壓輸出。該系列變頻器具有對電網(wǎng)諧波污染極小，輸入功率因數(shù)高，輸出波形質(zhì)量好，不存在諧波引起的電動機附加發(fā)熱、轉(zhuǎn)矩脈動、噪音、dv/dt及共模電壓等問題的特性，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電動機[2]。

4 注水泵變頻裝置可行性分析

從流體力學(xué)的原理得知[3]，使用感應(yīng)電動機驅(qū)動的離心泵負載，軸功率P與流量Q，揚程H的關(guān)系為：P∝Q×H。

當(dāng)電動機的轉(zhuǎn)速由n1變化到n2時，Q、H、P與轉(zhuǎn)速的關(guān)系如下:

可見流量Q和電動機的轉(zhuǎn)速n是成正比關(guān)系的，而所需的軸功率P與轉(zhuǎn)速的立方成正比關(guān)系。所以當(dāng)需要80%的額定流量時，通過調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速的80%，即調(diào)節(jié)頻率到40 Hz即可，這時所需功率將僅為原來的51.2%

從離心泵的運行曲線圖來分析采用變頻調(diào)速后的節(jié)能效果[4]，見圖1。

當(dāng)所需流量從Q1減小到Q2時，如果采用調(diào)節(jié)閥門的辦法，管網(wǎng)阻力將會增加，管網(wǎng)特性曲線上移，系統(tǒng)的運行工況點從A點變到新的運行工況點B點運行，所需軸功率P2與面積H2×Q2成正比；如果采用調(diào)速控制方式，電機轉(zhuǎn)速由n1下降到n2，其管網(wǎng)特性并不發(fā)生改變，但風(fēng)機、風(fēng)機的特性曲線將下移，因此其運行工況點由A點移至C點。此時所需軸功率P3與面積HB×Q2成正比。從理論上分析，所節(jié)約的軸功率Delt(P)與（H2-HB）×（C-B）的面積成正比。

圖1 離心泵的運行曲線

改造前工頻運行功率計算公式：

其中：U——電動機電壓，kV；I——電動機電流，A；P1——單一負荷下工頻運行功率，kW；cosφ——單一負荷下運行功率因數(shù)，小于額定功率因數(shù)。

離心泵改造后變頻運行預(yù)計功率為602 kW。

根據(jù)流量數(shù)據(jù)可知：

其中Q原為原工頻時流量；P額為額定軸功率；Q1為變頻運行下的流量。

所以變頻改造后風(fēng)機平均功率在變頻下運行的離心泵為359 kW。

其中效率為變頻器效率與風(fēng)機效率的乘積，變頻器取保守值0.94，風(fēng)機效率取0.82。

所以理論上全年平均節(jié)電率（在變頻下運行的離心泵）：(P1-P2)/P1=40%

5 注水泵變頻裝置現(xiàn)場應(yīng)用

現(xiàn)場采用“一拖二”的方式安裝了一臺變頻器。安裝完成效果明顯，使用工頻時，出口調(diào)節(jié)閥的開度15%，但泵的運行參數(shù)就已經(jīng)達到了設(shè)計值。閥門開度增加到30%，電流就會超過額定值44.3A（正常運行值41 A）；使用變頻時，出口調(diào)節(jié)閥可以全開，阻力減小，泵壓降至9.0MPa，與注水匯管壓力（8.5MPa）接近。背壓降低，泵的流量相應(yīng)提高，使用變頻技術(shù)后，不僅達到節(jié)能的目的，還收到了如下功效[5]：

1）泵壓在11.0MPa，,污水密度為1140 kg/m3的情況下，泵的流量理論上可以達到152m3/h。目前泵的運行流量從額定流量：80m3/h（工頻運轉(zhuǎn)下外輸泵壓力17MPa）變?yōu)?10m3/h（變頻運轉(zhuǎn)下外輸泵壓力11MPa），大幅度提高了注水能力。

2）全開出口調(diào)節(jié)閥，減少了高壓污水對閥體的沖刷，可以延長閥的使用壽命，極大的減少了節(jié)流磨損能耗。

3）注水泵在正常運行時，電動機、泵噪音明顯降低。

4）按照現(xiàn)在的工況，一臺變頻注水泵正?？梢宰?600m3/d，已經(jīng)滿足了全站的污水回灌工作。

另外，根據(jù)節(jié)能監(jiān)測中心監(jiān)測，加裝變頻裝置后，注水泵實際能耗節(jié)省16%以上，雖然與理論值相差加大，但考慮到管網(wǎng)地形變化及高礦化度污水介質(zhì)等因素，節(jié)能效果還是令人滿意的。

6 結(jié)論

在注水泵的選型設(shè)計之初，設(shè)計人員會過多考慮設(shè)備使用的可靠性，選泵參數(shù)留有較大裕量，造成生產(chǎn)過程中泵的低效率運行。另一方面，由于地層料的不穩(wěn)定，造成注水泵的流量變化較大，若要使注水泵在大多數(shù)時間內(nèi)保持高效率運行，實際也是不現(xiàn)實的。通過實踐，注水泵增加變頻裝置能夠解決泵與工況的匹配。目前，變頻器技術(shù)已很成熟，在市場上有很多國內(nèi)外品牌的變頻器可供選擇，這為機泵增加變頻調(diào)速提供了充分的技術(shù)和物質(zhì)基礎(chǔ)。從現(xiàn)場實際應(yīng)用來看，注水泵加裝變頻裝置大幅度降低了注水系統(tǒng)的能耗，并且改變了現(xiàn)場注水泵的啟停管理方式，使人工勞動強度和設(shè)備的故障率得以降低。

[1]安婕姝.變頻器在含油污水處理中的應(yīng)用[J].油氣田地面工程,2008,10(10):69.

[2]喬玉芬.注水系統(tǒng)節(jié)能措施[J].石油規(guī)劃設(shè)計,1996(5):39-40.

[3]譚若濤.水泵變頻供水及節(jié)能分析[J].工業(yè)用水與廢水,2006,37(20):58-59.

[4]馬礦召.離心泵變頻調(diào)速的經(jīng)濟分析與應(yīng)用[J].國外油田工程,2004,20(7):26-27.

[5]姚錫祿.變頻控制技術(shù)與應(yīng)用[M].福州:福建科學(xué)技術(shù)出版社,2005:138-139.