變頻調(diào)速技術(shù)在油田柱塞式往復(fù)注水泵上的節(jié)能與應(yīng)用

李亮 郝世雄 彌有華

[摘 要]本文主要闡述變頻調(diào)速技術(shù)在油田柱塞式往復(fù)注水泵上使用的必要性、柱塞式往復(fù)注水泵變頻調(diào)速節(jié)能原理、注水系統(tǒng)變頻調(diào)速工作原理及柱塞式往復(fù)注水泵使用變頻控制技術(shù)的原因和應(yīng)用。

[關(guān)鍵詞] 變頻調(diào)速技術(shù) 油田柱塞式往復(fù)式注水泵 節(jié)能與應(yīng)用

1.變頻調(diào)速技術(shù)在油田柱塞式往復(fù)注水泵上使用的必要性

油田開發(fā)過程中地層能量不斷衰減，常用注水方式以保持地層能量，進(jìn)行油田開發(fā)。一方面，注水壓力高低是決定油田合理開發(fā)和地面管線及設(shè)備的重要參數(shù)?？紤]到后期開發(fā)注水井的增多，注水工藝設(shè)計(jì)和機(jī)電設(shè)備配置都比較寬裕，加之地質(zhì)情況的變化，開關(guān)井?dāng)?shù)的增減、洗井及供水不足的影響，經(jīng)常引起注水壓力波動(dòng)，注水量不均勻，不穩(wěn)定。注水壓力低，注水量滿足不了油田開發(fā)的需要，必然會(huì)造成油層壓力下降；注水壓力過高，浪費(fèi)動(dòng)力，也造成超注，導(dǎo)致水淹、水竄；注水壓力控制難度大，也給油田生產(chǎn)帶來諸多不便，因而要求油田注水壓力恒定；另一方面，由于儲(chǔ)油層的壓力及油氣水分布不斷發(fā)生變化，其數(shù)值很難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和控制，考慮到油田開發(fā)中的需要，在工藝和機(jī)電設(shè)備配置上都按照油田最大可能的需求來設(shè)計(jì)，這一點(diǎn)在注水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)當(dāng)中顯得尤為突出。一般油田注水泵流程大多采用傳統(tǒng)的水源井深井泵，將水供到儲(chǔ)水大罐，再由喂水泵將水從儲(chǔ)水罐供給注水泵，最后由注水泵將水注入地層。注水泵電動(dòng)機(jī)大多為大功率電動(dòng)機(jī)，注水泵出口壓力通常是通過調(diào)節(jié)閥門來實(shí)現(xiàn)的，操作人員隨時(shí)靠觀察壓力表的壓力來調(diào)節(jié)閥門來實(shí)現(xiàn)的，而注水泵電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速基本保持不變，這樣，對(duì)電動(dòng)機(jī)而言，一般配置功率都較大，啟動(dòng)沖擊電流大，能耗也大。“大馬拉小車”的現(xiàn)象十分嚴(yán)重，管網(wǎng)水泵較多，流程復(fù)雜，既浪費(fèi)電能，又增加了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

油田注水普遍采用柱塞式往復(fù)注水泵，在工頻條件下，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，柱塞往復(fù)頻率是恒定的，因此，排量也是恒定的。在油田的實(shí)際開發(fā)過程中，對(duì)注水量的需求是變化的，在傳統(tǒng)的方式下，為滿足配注要求，主要是通過調(diào)節(jié)注水泵的回流量來實(shí)現(xiàn)，泵的無效功耗很大。同時(shí)，由于柱塞、閥片長期滿載、高速工作，填料的磨損以及閥片的損壞頻率也很高?；亓髡{(diào)節(jié)閥長期處于半開狀態(tài)，受高壓水的沖擊，閥心容易磨損、變形導(dǎo)致關(guān)閉不嚴(yán)，給生產(chǎn)帶來不便。

變頻調(diào)速技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)注水泵電動(dòng)機(jī)的無級(jí)調(diào)速，依據(jù)注水壓力的要求自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，在用水量變化時(shí)保持管網(wǎng)水壓恒定，以滿足注水要求。變頻調(diào)速技術(shù)是先進(jìn)合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)，實(shí)際應(yīng)用中得到了很大發(fā)展，隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，變頻器的功能也越來越強(qiáng)，充分利用變頻器的各種功能，能很好解決注水泵能耗高，維修率高的問題。

2. 柱塞式往復(fù)注水泵變頻調(diào)速節(jié)能原理

柱塞式往復(fù)泵電機(jī)安裝變頻后，可通過改變變頻器的頻率來控制注水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從公式可知，由于注水泵是衡轉(zhuǎn)矩負(fù)載，功率的變化與轉(zhuǎn)速的變化成一定比例關(guān)系，注水泵安裝變頻調(diào)速裝置后，變頻器運(yùn)行頻率降低，機(jī)泵轉(zhuǎn)速降低，消耗在電機(jī)上的功率降低，從而達(dá)到節(jié)能降降耗的目的。

p/p0 =（n/n0）?

式中p0——為額定功率，Kw p——為實(shí)際功率，Kw

n0——為額定轉(zhuǎn)速，r/min n——為實(shí)際轉(zhuǎn)速，r/min

假如轉(zhuǎn)速降了一半，即n/n0=1/2時(shí)，則p/p0=1/8，可見降低轉(zhuǎn)速能大大降低軸功率達(dá)到節(jié)能的目的。降低了轉(zhuǎn)速，流量就不再用關(guān)小出口閥來控制，出口閥始終處于全開狀態(tài)，避免了由于關(guān)小閥門引起的水力損失增加，也避免了總效率下降，確保了能源的充分利用。

3.注水系統(tǒng)變頻調(diào)速工作原理

當(dāng)注水系統(tǒng)安裝變頻調(diào)速裝置后，可通過已設(shè)定的注水管網(wǎng)壓力來控制注水泵的開啟，確保穩(wěn)壓、高壓注水。在注水泵出口管網(wǎng)上安裝一只壓力變送器來控制注水泵變頻器的運(yùn)行，控制變頻器輸出頻率的大小，從而改變水泵的轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制管網(wǎng)壓力恒定的目的、當(dāng)實(shí)際管網(wǎng)壓力小于給定壓力值時(shí)，變頻器輸出頻率上升，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速加快，管網(wǎng)壓力開始升高；反之，變頻器輸出頻率降低，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，管網(wǎng)壓力降低，系統(tǒng)通過自動(dòng)調(diào)節(jié)，使實(shí)際壓力圍繞設(shè)定壓力保持管網(wǎng)壓力恒定。變頻器控制系統(tǒng)在水泵運(yùn)行過程中形成可控參數(shù)閉環(huán)控制，實(shí)行恒壓供水，保持注水系統(tǒng)和用量處于平衡狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

4.柱塞式往復(fù)注水泵使用變頻控制技術(shù)的原因

1、實(shí)現(xiàn)了電機(jī)軟啟動(dòng)、自由停車。電機(jī)均通過變頻器從0～50Hz作緩慢加速啟動(dòng)，可減少機(jī)泵因突然高速啟動(dòng)所帶來的影響，減少了直接啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)和機(jī)械設(shè)備的沖擊。

2、提高了功率因數(shù)，改善了電機(jī)電源質(zhì)量，電機(jī)功率與實(shí)際負(fù)荷相配，系統(tǒng)達(dá)到節(jié)能運(yùn)行的目的。

3、消除了泵的喘振現(xiàn)象，使泵運(yùn)行處于最佳工況狀態(tài)。

4、實(shí)現(xiàn)壓力自動(dòng)控制，使調(diào)節(jié)量得到更平穩(wěn)的調(diào)節(jié)、增強(qiáng)了系的穩(wěn)定性和可靠性。

5、應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，對(duì)注水設(shè)備的電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到穩(wěn)壓、穩(wěn)流注水。

6、不會(huì)造成管網(wǎng)壓力、流量、流速的劇烈變化，不需要閥門截流或回流調(diào)節(jié)，因此對(duì)防止汽蝕、水擊、喘振極為有利，可以延長管網(wǎng)、泵、閥門的維修周期和使用壽命。

7、通過改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量的，能有效抑制機(jī)泵運(yùn)行中存在的大馬拉小車現(xiàn)象，減少用電設(shè)備的損耗。這樣既減輕了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，還能節(jié)省電能，延長設(shè)備使用壽命，而且還能簡化供水流程，提高工作效率。

5.變頻調(diào)速技術(shù)在油田柱塞式往復(fù)注水泵上應(yīng)用

目前在長慶油田大展中，在滯后注水、同步注水，尤其在超低滲透油田采用超前注水，變頻調(diào)速技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，不僅調(diào)速效果顯著，而且產(chǎn)生了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)用前景非常廣闊。

6.結(jié)束語

變頻調(diào)速技術(shù)在油田柱塞式往復(fù)注水泵的應(yīng)用中，是根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定管網(wǎng)水壓自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使注水管網(wǎng)中的壓力保持在給定值，以求最大限度的節(jié)約電能，并且系統(tǒng)能處于可靠運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)恒壓供水、注水，系統(tǒng)水壓、水量的任何變化均能使管網(wǎng)中的壓力保持恒定，大大提高了注水質(zhì)量，同時(shí)也解決了電動(dòng)機(jī)大馬拉小車，操作員工操作復(fù)雜、工作強(qiáng)度大等問題，變頻器故障維修期間，仍能使用工頻拖動(dòng)，保證注水工作的進(jìn)行，具有一定的先進(jìn)性。

參考文獻(xiàn)

[1] 董硯 孫鶴旭編著·變頻器的使用與維護(hù)·北京·化學(xué)工業(yè)出版社·2009

[2] 方利國主編·節(jié)能技術(shù)應(yīng)用與評(píng)價(jià)·北京·化學(xué)工業(yè)出版社·2008