前置变频调速技术在注水系统的适应性分析

霍东英（大庆油田有限责任公司第四采油厂）

前置变频调速技术在注水系统的适应性分析

霍东英（大庆油田有限责任公司第四采油厂）

注水系统受产能建设、周期注水等因素影响，系统压力、水量等运行参数发生较大波动，产生供需矛盾，导致系统低效高耗运行。前置变频作为一项注水泵低压调速技术，以其灵活可调的特点得到推广应用。但是，在实际应用过程中，发现了该技术的一些不适应性，节能效果参差不齐。为此，开展前置变频调速技术适应性分析，研究其适用范围。

前置变频调速 节流损失率 单耗

截至 2012 年 12 月，采油厂共建成注水站 17座，安装注水泵机组 58 台，设计注水规模 27.84× 104m3/d。 自 2006 年开始， 进 行 前置变 频 调 速 技术现场改造并推广应用，至 2012年 12 月，共进行注水泵前置变频调速技术改造7台，其中1台进行产能建设改造，6台进行节能改造。

1 前置变频调速技术应用节能效果

1.1注水系统运行参数分析

注水系统分为普通水注水、深度水注水和三采水注水三套注水管网，注水系统注水井网不同、相对独立运行。前置变频调速技术在普通注水系统应用2台，深度注水系统应用5台，三采注水系统未应用。根据 2012 年注水系统生产运行数据统计，普通注水系统平均运行管压 15.01MPa，深度注水系 统 平均运行管 压 14.77MPa， 三 采 注 水 系统平均运行管压 15.27MPa，见表1。

1.2节能效果分析

截至 2012 年 12月，共有 5台前置变频改造注水泵投产运行。根据注水系统各套管网实际运行情况，在平均管网压力上下 0.2MPa范围内 （即普通注 水 系 统 14.8～15.2MPa、 深 度 注 水 系 统 14.6～15 MPa），注水泵前置变频改造前后能耗指标日运行数据，见表2。

从表2可以看出，经过前置变频调速技术改造后，注水泵运行能耗：F注水站和E注水站注水泵运行单耗增加，耗电量增加 101.57×104kWh；B 注水站、D注水站和C注水站注水泵运行单耗降低，耗电量节约 775.72×104kWh。运行的 5 台注水泵节能效果叠加累计节电约 674.15×104kWh，节约资金约 397.75 万元。

表1 注水系统 2012年运行压力数据 单位：MPa

表2 注水泵前置变频改造前后运行情况

2 前置变频调速技术适应性分析

注水泵进行前置变频调速技术改造后，节能效果参差不齐，下面根据前置变频改造注水泵运行情况，进行该项技术适应性分析。

2.1分析原理

根据中国石油天然气集团公司节能技术监测评价中心节能监测计算方法，注水机泵运行效率、单耗等参数计算如下。

1）测量法，电动机效率计算公式：

式中：

ηe——电动机效率，%;

Pe——电动机输入功率，kW；

I——电动机线电流，A；

V ——电动机线电压，kV；

cosϕ ——电动机功率因数；

P0——电动机空载功率，kW；

R——电动机定子直流电阻，kΩ；

K——损耗系数（随电动机杂散耗、转子铜耗功率的增大而增加；常用的 2 极 1000～2250kW 电动 机的 K 值 为 0.009～ 0.011， 一 般可取 0.01）。

2）注水泵运行效率流量法计算公式：

式中：

ηP——注水泵效率，%；

qVP——注水泵流量，m3／h；

P1——泵进口压力，MPa；

P2——泵出口压力，MPa。

3）注水站效率计算公式：

式中：

ηs——注水站效率，%；

P3——注水站外输水出站压力，MPa；

qvp——注水站外输水流量，m3/h；

4）注水站泵水单耗计算公式：

式中：

DH1——注水站泵水单耗，kWh／m3；

W1——注水站电动机耗电量，kWh；

V1——注水泵泵出水量，m3。

5）注水站节流损失率计算公式：

6）注水泵实际扬程计算公式：

式中：

HP——注水泵实际扬程， m；

ν1——注水泵进口流速，m/s；

ν2——注水泵出口流速，m/s。

2.2技术适应性分析

根据各套注水系统运行压力情况，选取平均管网压力区间内前置变频注水泵运行参数（主要包括机泵额定参数和实际运行泵压、管压、泵水流量等主要参数），计算节流损失率、运行单耗、注水泵效、机组效率和泵水扬程，见表3，分析前置变频注 水 泵 运 行适应性[1]。

表3 节能监测理论计算结果

从表3中理论分析数据可以看出，E和F注水站注水泵前置变频调速技术改造后，运行单耗增加，其余3座注水站的注水泵改造后运行单耗降低。对比表2中实际泵水单耗跟踪统计数据，效果是一致的。

通过改造前后其它参数对比，运行单耗与泵效及机组效率呈负相关变化。注水泵效、运行单耗与注水站运行节流损失率直接关联。

根据实际情况，以 4%～6%节流损失率为上、下界限，高于6%界限点改造的注水泵节能，低于4%界限点改造的注水泵不节能。按照150×11级离心泵扬程 16.5MPa计算，6%节流损失对应泵管压差为 1MPa，即界限点为泵管压差持续达到 1MPa以上，见图1。

图1 泵水单耗与节流损失率关系

从注水泵扬程上看，F和E注水站注水泵的实际扬程在改造前不足 16MPa，改造后注水泵平均扬程不超过 14.8MPa，而普通注水系统和深度注水系统的 运行管 网平 均压力 分别 为 15MPa 和 14.8MPa，改造后泵的扬程能力（实际扬程）低于外界阻力（管网压力），发生“以流量换扬程”的现象，导致泵水量减少，泵效降低，水泵单耗增加。B、C和D注水站注水泵的实际扬程均在 16MPa以上，改造后水泵平均扬程仍能达到 15.2MPa以上，高于系统管网平均压力，改造后泵管压差明显降低，注水泵效率提高，水泵单耗降低。

另外，以节能效果好的B注水站前置泵和节能效果差的F注水站前置泵运行情况进行对比，2台泵均为 D300 注水泵，运行参数见表4、表5。

表4 F注水站运行情况统计

从以上表中数据可以看出，F注水站前置单级离心泵单耗较B注水站的高，注水泵运行效率差异较大。B 注水站前置泵为 2006 年改造，F注水站前置泵为 2010 年改造，设备本身的质量和效率差异，也是导致节能效果差异大的原因之一。

表5 B注水站运行情况统计

3 认识及建议

1）杏北油田注水泵进行前置变频调速技术改造，应该同时考虑注水泵额定扬程和注水站运行泵管节流损失率两个因素。

2）根据杏北油田注水井网实际注水压力需求，注水泵扬程应在 1600m 以上可进行前置变频技 术 改 造[2]。

3）注水站在站外系统管网压力波动较大情况下，泵管节流损失率持续保持在6%以上时，注水泵可进行前置变频技术改造。

满足以上条件改造的前置变频装置可以在低频率工况下运行，达到节能降耗的效果。

[1]贾光政,常玉连,邹龙庆,等.油田大型注水系统调速节能 技 术[J].大 庆 石 油 学 院 学 报,2000（1）:58-62.

[2]周玉花.注水泵采用前置泵变频技术的认识[J].石油石化节能,2011(4):16-17.

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.011.019

2013-07-12）

霍东英，工程师，2002年毕业于西南石油大学（油气储运工程专业），从事规划管理工作，E-mail：huodogying@petrochina.com.cn，地址：黑龙江省大庆油田有限责任公司第四采油厂计划规划部，163511。