變頻調速技術在油田柱塞式往復注水泵上的節能與應用

李亮 郝世雄 彌有華

[摘 要]本文主要闡述變頻調速技術在油田柱塞式往復注水泵上使用的必要性、柱塞式往復注水泵變頻調速節能原理、注水系統變頻調速工作原理及柱塞式往復注水泵使用變頻控制技術的原因和應用。

[關鍵詞] 變頻調速技術 油田柱塞式往復式注水泵 節能與應用

1.變頻調速技術在油田柱塞式往復注水泵上使用的必要性

油田開發過程中地層能量不斷衰減，常用注水方式以保持地層能量，進行油田開發。一方面，注水壓力高低是決定油田合理開發和地面管線及設備的重要參數。考慮到后期開發注水井的增多，注水工藝設計和機電設備配置都比較寬裕，加之地質情況的變化，開關井數的增減、洗井及供水不足的影響，經常引起注水壓力波動，注水量不均勻，不穩定。注水壓力低，注水量滿足不了油田開發的需要，必然會造成油層壓力下降；注水壓力過高，浪費動力，也造成超注，導致水淹、水竄；注水壓力控制難度大，也給油田生產帶來諸多不便，因而要求油田注水壓力恒定；另一方面，由于儲油層的壓力及油氣水分布不斷發生變化，其數值很難準確預測和控制，考慮到油田開發中的需要，在工藝和機電設備配置上都按照油田最大可能的需求來設計，這一點在注水系統的設計當中顯得尤為突出。一般油田注水泵流程大多采用傳統的水源井深井泵，將水供到儲水大罐，再由喂水泵將水從儲水罐供給注水泵，最后由注水泵將水注入地層。注水泵電動機大多為大功率電動機，注水泵出口壓力通常是通過調節閥門來實現的，操作人員隨時靠觀察壓力表的壓力來調節閥門來實現的，而注水泵電動機的額定轉速基本保持不變，這樣，對電動機而言，一般配置功率都較大，啟動沖擊電流大，能耗也大。“大馬拉小車”的現象十分嚴重，管網水泵較多，流程復雜，既浪費電能，又增加了操作人員的勞動強度。

油田注水普遍采用柱塞式往復注水泵，在工頻條件下，由于電機轉速恒定，柱塞往復頻率是恒定的，因此，排量也是恒定的。在油田的實際開發過程中，對注水量的需求是變化的，在傳統的方式下，為滿足配注要求，主要是通過調節注水泵的回流量來實現，泵的無效功耗很大。同時，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。回流調節閥長期處于半開狀態，受高壓水的沖擊，閥心容易磨損、變形導致關閉不嚴，給生產帶來不便。

變頻調速技術可以實現對注水泵電動機的無級調速，依據注水壓力的要求自動調節系統的運行參數，在用水量變化時保持管網水壓恒定，以滿足注水要求。變頻調速技術是先進合理的節能型供水系統，實際應用中得到了很大發展，隨著電力電子技術的飛速發展，變頻器的功能也越來越強，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. 柱塞式往復注水泵變頻調速節能原理

柱塞式往復泵電機安裝變頻后，可通過改變變頻器的頻率來控制注水泵電機的轉速，從公式可知，由于注水泵是衡轉矩負載，功率的變化與轉速的變化成一定比例關系，注水泵安裝變頻調速裝置后，變頻器運行頻率降低，機泵轉速降低，消耗在電機上的功率降低，從而達到節能降降耗的目的。

p/p0 =（n/n0）?

式中p0——為額定功率，Kw p——為實際功率，Kw

n0——為額定轉速，r/min n——為實際轉速，r/min

假如轉速降了一半，即n/n0=1/2時，則p/p0=1/8，可見降低轉速能大大降低軸功率達到節能的目的。降低了轉速，流量就不再用關小出口閥來控制，出口閥始終處于全開狀態，避免了由于關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.注水系統變頻調速工作原理

當注水系統安裝變頻調速裝置后，可通過已設定的注水管網壓力來控制注水泵的開啟，確保穩壓、高壓注水。在注水泵出口管網上安裝一只壓力變送器來控制注水泵變頻器的運行，控制變頻器輸出頻率的大小，從而改變水泵的轉速，達到控制管網壓力恒定的目的、當實際管網壓力小于給定壓力值時，變頻器輸出頻率上升，電動機轉速加快，管網壓力開始升高；反之，變頻器輸出頻率降低，電動機轉速下降，管網壓力降低，系統通過自動調節，使實際壓力圍繞設定壓力保持管網壓力恒定。變頻器控制系統在水泵運行過程中形成可控參數閉環控制，實行恒壓供水，保持注水系統和用量處于平衡狀態，實現自動控制。

4.柱塞式往復注水泵使用變頻控制技術的原因

1、實現了電機軟啟動、自由停車。電機均通過變頻器從0～50Hz作緩慢加速啟動，可減少機泵因突然高速啟動所帶來的影響，減少了直接啟動時啟動電流對電網和機械設備的沖擊。

2、提高了功率因數，改善了電機電源質量，電機功率與實際負荷相配，系統達到節能運行的目的。

3、消除了泵的喘振現象，使泵運行處于最佳工況狀態。

4、實現壓力自動控制，使調節量得到更平穩的調節、增強了系的穩定性和可靠性。

5、應用變頻調速技術，對注水設備的電機轉速進行調節，達到穩壓、穩流注水。

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

7、通過改變電動機轉速來調節流量的，能有效抑制機泵運行中存在的大馬拉小車現象，減少用電設備的損耗。這樣既減輕了操作者的勞動強度，還能節省電能，延長設備使用壽命，而且還能簡化供水流程，提高工作效率。

5.變頻調速技術在油田柱塞式往復注水泵上應用

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，變頻調速技術得到了廣泛的應用，不僅調速效果顯著，而且產生了可觀的經濟效益，應用前景非常廣闊。

6.結束語

變頻調速技術在油田柱塞式往復注水泵的應用中，是根據實際情況設定管網水壓自動調節水泵電動機的轉速，使注水管網中的壓力保持在給定值，以求最大限度的節約電能，并且系統能處于可靠運行狀態，實現恒壓供水、注水，系統水壓、水量的任何變化均能使管網中的壓力保持恒定，大大提高了注水質量，同時也解決了電動機大馬拉小車，操作員工操作復雜、工作強度大等問題，變頻器故障維修期間，仍能使用工頻拖動，保證注水工作的進行，具有一定的先進性。

參考文獻

[1] 董硯 孫鶴旭編著·變頻器的使用與維護·北京·化學工業出版社·2009

[2] 方利國主編·節能技術應用與評價·北京·化學工業出版社·2008