高压变频技术在注水泵节能降耗上的应用

张爱龙（大庆油田有限责任公司第五采油厂）

1 影响注水耗电的因素

1.1 机械因素

离心泵最高效率点的工况称为最佳工况点，一般离心泵的额定参数即设计工况点与最佳工况点相重合或很接近，泵在最佳工况点效率区间运行，既节能又能保证泵正常工作，因此了解泵的特性曲线相当重要。

离心泵特性曲线见图1，是在泵转速一定时，列出扬程(H)、轴功率(N)、效率(η)等随流量(Q)变化的函数关系用曲线来表示，称这些曲线为离心泵的特性曲线，在曲线上效率最高点即为最佳工况点，其对应的流量和扬程一般为水泵的额定流量和扬程。理论上注水泵运行时压力、流量越接近额定值，水泵的效率就越高，也就越节能。因此根据实际需求合理设计使用的注水泵可以有效的提高效率，降低能耗。

图1 离心泵特性曲线

1.2 泵管压差与耗电关系

正常运行时，生产区块的注水量须满足计划注水需求，即保证一定的流量。管路特性曲线见图2，管路的阻力越大，则要达到同一流量时需要的压力也越大，消耗的能源也越多。反映在压力上就是注水泵压与井口压差越大管路造成的能源浪费就越多。要降低这部分能源浪费，主要通过降低泵管压差和降低管路压降。

图2 管路特性曲线

管路中的节流增大（M1点），则管路特性曲线越陡（曲线1）说明管路中的压力损失就越大，能源损失也就越大[1]。

1.3 注水泵维护保养与能耗的关系

对于设备来说，良好的维护保养也是影响设备运转性能的关键因素，因为注水泵运行压力较高，长时间不保养的情况下易出异响、渗漏、震动增大，发热量增加等情况，影响注水泵的运行效率。因此定期进行全面的维护保养可以增加注水泵的使用寿命，降低故障率，同时一定程度提高泵效[2]。

1.4 吸入口压力

注水泵吸入口压力通常变化不大，但当注水泵吸入口滤网堵塞时，会造成压力过低，泵吸入量不足，泵体声音异常，震动量变大，引发泵气蚀[3]。

2 降低注水单耗的措施

对于泵站来说，要降低注水单耗就必须要保证注水泵运行的平稳，同时要启运单耗低的注水泵，泵站的注水单耗才能保持一个较低水平。但很多时候生产区块的注水量及管网压力需求并不固定，而注水泵安装数量及单泵额定排量是固定的，调节能力存在一定的局限性，因此可能由于实际注水量的变化，造成原来的高效泵效率降低、单耗升高。为了解决这一问题采取了如下的一些措施。

2.1 管理措施

1）提高设备维护保养质量，在规定的保养时问内，严格按照操作规范进行设备保养，发现设备运转存在问题，例如震动量变大、温度升高和声音异常等情况及时上报、及时解决。

2）加强运行机组运转参数监测，为及时掌握注水泵机组的运行状态；定期过滤、更换润滑油，提高润滑油润滑效果和使用寿命[4]。

3）注水泵出口阀门全开，降低泵管压差，定期冲洗注水干线，防止干线结垢增加管路压降。

4）泵站配备了红外线测温仪和震动测试仪，要求每天对运行机组的轴瓦温度、轴瓦震动量及底座震动量等有关参数进行2次检测，发现异常及时处理[5]。

2.2 技术措施

由于生产区块的注水需要逐年发生变化，注水泵额定排量与实际生产需要出现差距，无法确保注水泵在高效区运行，为了解决这一问题，通过采取不同的技术措施，满足注水泵高效运行的需求。

2.2.1 更换叶轮

2003—2004年，注水站日注入量为6600m3，注水单耗6.0kWh/m3左右。当时的常运泵额定排量为250m3/h。额定日注为6000m3，额定排量小于实际排量，无法使泵运行在高效区，泵效过低单耗过高。为了解决问题，更换原DN250泵的叶轮，使其泵额定排量处于250~300m3/h，既可满足注水需求，又能够在高效区运行，改造后单耗降至5.6kWh/m3。在注水量相对稳定的情况下，这种方式可以起到降低耗电和单耗的效果，但由于油田开发需求注水量需要再次发生调整时，将失去节能效果。

2.2.2 采取前置泵控泵技术

2010年为了优化注水系统，降低注水单耗，投产了一套前置泵控泵变频控制注水系统。前置泵低压变频调速技术是基于双泵的串联，通过对前置泵的变频控制来使注水泵的工作点始终达到最高泵效，从而使系统效率最高，达到节能的目的。实际运行中，注水泵本身的耗电确实降低，但前置泵自身也存在耗电，如果综合考虑注水泵及前置泵的电量，则注水单耗下降并不明显，因此节能效果并不大[6]。

2.2.3 注水泵更新

为了满足生产需求，同时考虑原有的注水泵运行年限过长，于2019年对注水岗设备进行整体升级改造，新注水岗于2019年11月全部投产完成，共安装两台注水泵，额定扬程1700m，电动机功率1800kW。该泵额定日注入量为6000m3，而区块生产需求为4500m3左右，由于注水泵额定排量大于实际注水量，且扬程也大于油田生产区块实际需求，泵压经常过高，出现憋泵、机泵震动过大、过热等问题，同时由于生产区块为独立区块，多余水量无其他方式调运，为此只能打开回流泄压，将压力保持在16.5MPa以下，方可保持注水泵稳定运行[7]，新注水岗投产后运行情况见表1。

表1 新注水岗投产后运行情况

投产后由于泵压较高，需要开回流泄压，因此注水量每天约为6000m3，耗电量每天接近4×104kWh，泵压控制在16.3kWh/m3左右。当时注水泵的控制方式为出口阀门全开，根据泵压调整回流阀门的开度，泵压超过16.5MPa时开打回流阀门，泵压小于16.0MPa时关小回流阀门。因此每日的回流量难以计算，导致泵前流量计的注水量比实际注水量高，且差值难以确定。

2.2.4 增设高压变频

为解决该问题，采取增设高压变频，利用变频调速控制注水泵的压力和排量。

交流电动机的同步转速表达式为：

式中：n为异步电动机的转速，r/min；f为异步电动机的频率，Hz；s为电动机转差率；p为电动机极对数。

通过公式可知，转速与频率成正比，只要改变频率，即可改变电动机的转速，实现速度调节[8-9]。

变频器于2020年8月28日正式投产试运行，根据高压变频的特点，进行管理模式的摸索实验，力求优化高压变频注水泵的运行参数，寻找低能耗的运行模式。目前，在满足生产区块注水需求的同时，降低泵压1MPa，降低注水耗电8000~10000kWh。高压变频投运前后对比见表2，高压变频投运后，由于关闭了高压回流，因此日注水量有了明显降低，同时注水耗电也相应的大幅减少。

表2 高压变频投运前后对比

3 经济效益分析

高压变频投产后，在日常运行中，根据生产需求，通过逐步调整高压变频输出频率来调节注水泵的电动机频率，达到调节注水泵压的目的，目前变频器输出频率91%，即变频频率45Hz左右。虽然注水单耗有小幅上升，但实现了通过调节变频器的频率来达到调节注水泵泵压和流量的目的，注水泵平均日耗电也相应的降低了约1.04×104kWh，年可减少电量消耗379.6×104kWh，减少电费成本241.81万元。如果未来生产区块的注水量继续降低，届时注水泵的转速仍可通过变频的方式进一步调整，这种情况高压变频注水泵是否还能继续稳定、经济运行，将通过实际生产进一步验证[10]。

4 结论

在油田实际生产运行中，受各种条件限制和影响，油层注水量、注水压力需要不断调整，注水泵很难保持在额定排量和压力下运行，经常会出现注水泵额定值大于实际注水需求的现象。对于大的油田生产区块，由于建设多个注水站，且管网相通，可以通过调整启泵方案、注水调运等方式进行调节，降低或保持整个区块的注水单耗。但在独立的生产区块，单一注水泵站注水调节能力弱，注水泵能耗高，高压变频对油田注水泵的节能降耗具有显著的效果，同时，由于其通过改变供电电源频率，实现调节电动机转速，在保持压力的前提下，对注水泵的注入量起到了调节作用，弥补了注水电动机工频运行没有调节能力的不足，非常适合油田独立生产区块注水的要求。