油田供水系統(tǒng)中的變頻節(jié)能技術(shù)芻議

薛洪江 丁玉見 張建成

（1.華北油田公司供水供電服務(wù)中心，河北 滄州 062552；2.華北油田公司水電廠，河北 滄州 062552；3.華北油田公司器材供應(yīng)處企管科，河北 滄州 062552）

0 引言

20世紀(jì)80年代我國引進(jìn)變頻調(diào)速技術(shù)，并且以其高效、精準(zhǔn)的調(diào)速特點(diǎn)迅速躋身為國內(nèi)最被看好的調(diào)速技術(shù)，我國諸多的生產(chǎn)型企業(yè)所接納，運(yùn)用到實(shí)際的生產(chǎn)過程中。經(jīng)過多年的發(fā)展，只要有三相異步電動(dòng)機(jī)的地方，必然有變頻調(diào)速器的應(yīng)有，特別是在工業(yè)設(shè)備和家用電器領(lǐng)域更是取得了優(yōu)異的成績，大大促進(jìn)了我國在相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。如今變頻調(diào)速技術(shù)在我國的油田供水系統(tǒng)中也相繼得到了推廣與應(yīng)用，顯著降低了我國在油田開采方面的消耗。基于此，筆者將以變頻調(diào)速系統(tǒng)的節(jié)能原理和實(shí)際應(yīng)用為基礎(chǔ)，嘗試對(duì)我國油田供水系統(tǒng)中的變頻節(jié)能技術(shù)展開初步的探索。

1 變頻調(diào)速系統(tǒng)的節(jié)能原理

在輸水泵工頻運(yùn)轉(zhuǎn)維持在一定速度的情況下，通過改變泵出口閥門來控制泵的運(yùn)轉(zhuǎn)，降低電機(jī)的負(fù)荷。假設(shè)水泵本是在點(diǎn)A運(yùn)行的，在出口閥門全開的情況下，其出水量達(dá)到QA，揚(yáng)程為HA。如今為了減少注水量，想要將流量降至QB，如果沒有使用調(diào)速裝置，那只能是通過關(guān)閉閥門的方式來對(duì)出水量進(jìn)行調(diào)解，這種方法在出口閥門上就需作出QAx(HA-HB)的功，能耗較大，且出現(xiàn)故障的可能性較高，會(huì)縮短相關(guān)設(shè)備和設(shè)施的使用壽命。

而變頻調(diào)速系統(tǒng)，則是將AB視作泵的性能曲線，結(jié)合曲線QA計(jì)算在既定流量下所產(chǎn)生的相應(yīng)的壓力，在A點(diǎn)的水泵達(dá)到最高效率時(shí)，關(guān)閉閥門，而多出來的能耗則作為熱量損失被流動(dòng)的物質(zhì)帶走，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)出水量的有效控制。而變頻調(diào)速器，在這個(gè)過程中所承擔(dān)的任務(wù)就是在任何的流量條件下，都能匹配出與之相應(yīng)的泵的特性曲線，并且隨著流量的減小，電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度也要相應(yīng)的減慢，同時(shí)由于改變水流而產(chǎn)生的壓差也需與電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度的平方呈正相關(guān)。進(jìn)而根據(jù)實(shí)際的注水和出水變化來及時(shí)準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)水泵的揚(yáng)程，有效降低能耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的作用。

2 油田供水系統(tǒng)與變頻調(diào)速器的應(yīng)用

在油田注水的過程中，注水站是滿足油田注水系統(tǒng)的源頭，且輸水泵需要持續(xù)的變動(dòng)外輸泵的運(yùn)轉(zhuǎn)形式，來應(yīng)對(duì)供水過程中輸水量和壓力的改變。在沒有使用變頻調(diào)速技術(shù)時(shí)，人們多數(shù)是通過對(duì)開泵臺(tái)數(shù)和人工調(diào)節(jié)閥門的方式來控制水的流量，注水系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)較重，同時(shí)工作效率偏低。而在現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)工作中，一個(gè)承擔(dān)著15座注水站的供水以及調(diào)節(jié)相關(guān)地區(qū)的供水平衡的供水站，假設(shè)其平均日供水在

9000-10000m3之間，且擁有4臺(tái)型號(hào)為LzA200-630D外輸供水泵，平均每臺(tái)的裝機(jī)容量達(dá)132kW，日常工作中只運(yùn)轉(zhuǎn)其中的2臺(tái)，其余兩臺(tái)備用。由于在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，外圍注水站的注水量直接與供水系統(tǒng)的日供水量向掛鉤，假設(shè)油田供水系統(tǒng)的水壓為1.1MPa，受外圍注水量減小的影響，供水系統(tǒng)的供水壓強(qiáng)增加，這時(shí)為了對(duì)水量進(jìn)行高效的控制，人們采用變頻調(diào)速器，通過實(shí)際的情況，來對(duì)正在運(yùn)動(dòng)的水泵進(jìn)行變頻調(diào)速，使之與實(shí)際的注水和輸水相匹配。有研究報(bào)告曾表示在使用變頻節(jié)能技術(shù)進(jìn)行控制之前，我國油田供水系統(tǒng)的工作效率不足30%，而在使用變頻節(jié)能技術(shù)后，效率提升了5個(gè)百分點(diǎn)，同時(shí)在供水過程的耗能遠(yuǎn)低于之前供需水的消耗。

3 變頻調(diào)速器在供水系統(tǒng)應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)分析

3．1 減少管網(wǎng)穿孔和補(bǔ)漏次數(shù)

恒壓變量給水是油田供水系統(tǒng)中變頻節(jié)能技術(shù)所常用的一種措施，即為了使水泵出水口的壓力維持在一個(gè)恒定的水平，將壓力傳感器設(shè)置在水泵機(jī)組的出水口，并將該壓力值設(shè)為最不利于水泵出水所需的值。一旦管網(wǎng)出口的壓力超出傳感器上所設(shè)定的壓力值，那么壓力傳感器就會(huì)將實(shí)際檢測到的壓力值傳給PID調(diào)節(jié)器，由PID調(diào)節(jié)器對(duì)高于或者低于設(shè)定值的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將處理結(jié)果交給變頻器，再由變頻器對(duì)來改變電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，通過這樣一個(gè)過程來達(dá)到恒壓的目的。管網(wǎng)壓力越趨于穩(wěn)定，其在工作過程中所出現(xiàn)的壓力失恒現(xiàn)象也就越少，同時(shí)由于管網(wǎng)壓力過高而造成管網(wǎng)穿孔和補(bǔ)漏的次數(shù)也將明顯降低，有研究者曾對(duì)此作出相關(guān)的統(tǒng)計(jì)和分析，發(fā)現(xiàn)使用變頻調(diào)速技術(shù)而產(chǎn)生管網(wǎng)穿孔的概率僅為不適用變頻調(diào)速技術(shù)的一半，換句話說即使用變頻調(diào)速技術(shù)，管網(wǎng)穿孔的可能性將降低50%。管網(wǎng)穿孔的次數(shù)降低了相應(yīng)的由此而產(chǎn)生的補(bǔ)漏的次數(shù)也必然會(huì)隨著降低，減輕了維修人員工作負(fù)擔(dān)，節(jié)約了維修成本，同時(shí)延長了管網(wǎng)等設(shè)備的使用壽命，有效的控制了油田供水系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)成本，提高了其工作效率。

3.2 減少設(shè)備切換次數(shù)

通常在設(shè)計(jì)油田供水系統(tǒng)中的泵站時(shí)，一般都會(huì)對(duì)油田的用水量和實(shí)際所需水量做自己的考察、統(tǒng)計(jì)和分析，在充分考慮各種因素的基礎(chǔ)上，來確定在泵站中所安裝的水泵的型號(hào)、大小規(guī)模等，有針對(duì)性的選曲合適的水泵設(shè)備。比如，某中心泵站有六臺(tái)臥式離心泵，其中有三臺(tái)機(jī)是250S65A型號(hào)的，還有三臺(tái)是350S75B型號(hào)的，通常白天運(yùn)行一臺(tái)350S75B型號(hào)的離心泵，晚上運(yùn)行的則是一臺(tái)250S65A型號(hào)的離心泵，在沒有使用變頻節(jié)能技術(shù)前由于頻繁的切換水泵，使得電機(jī)水泵在啟動(dòng)時(shí)受到較大的沖擊，知識(shí)水泵和電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)故障需要維修，加大了維系人員的勞動(dòng)負(fù)擔(dān)，同時(shí)縮減了設(shè)備的使用年限，加快了資產(chǎn)折舊的速度，增加了供水系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的成本。而隨著變頻調(diào)速器的投入，大大的減少了油田供水系統(tǒng)中水泵等設(shè)備的切換次數(shù)，減少了設(shè)備應(yīng)頻繁切換而造成的損失，延長了設(shè)備的使用時(shí)間，從側(cè)面減少了油田供水所花費(fèi)的成本。

3．3 減少電機(jī)和管網(wǎng)的損耗

變頻調(diào)速器除了具備過壓、過流、過載、過熱等保護(hù)功能，其自身還自帶軟啟動(dòng)功能。在未使用變頻節(jié)能技術(shù)時(shí)，油田供水系統(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)一般都是以直接啟動(dòng)的方式加入系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)之中，然而這樣的方式卻會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的電流沖擊以及轉(zhuǎn)矩沖擊，這些都會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)本身的運(yùn)轉(zhuǎn)以及由其負(fù)載的水泵帶來十分不利的影響，會(huì)增大電動(dòng)機(jī)和管網(wǎng)的損耗。而變頻調(diào)節(jié)技術(shù)具備的相對(duì)比較全面的保護(hù)功能，在其軟啟動(dòng)功能的保護(hù)下，其電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的啟動(dòng)電流僅為試運(yùn)行電流的1-3倍，其在啟動(dòng)過程中所受到的沖擊遠(yuǎn)小于直接啟動(dòng)所受到的沖擊，電動(dòng)機(jī)和管網(wǎng)因沖擊而產(chǎn)生的折損明顯縮小，機(jī)泵、管網(wǎng)等設(shè)備的使用壽命得以延長。

此外，在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，變頻節(jié)能技術(shù)能夠有效降低油田供水系統(tǒng)的用電量。將兩臺(tái)同類型的設(shè)備放在一起，一臺(tái)使用工頻設(shè)備，另一臺(tái)使用變頻設(shè)備，在同等的工作時(shí)間下，在經(jīng)過研究對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，使用變頻設(shè)備平均每年可節(jié)約工業(yè)用電費(fèi)用至少20多萬元，在燒煤發(fā)電的形式下，平均每年減少燒煤量近40噸，這還只是一臺(tái)機(jī)器的每年所減少的能耗。如果是一個(gè)頗具規(guī)模的油田生產(chǎn)基地，變頻節(jié)能技術(shù)的運(yùn)用，每年為其所省去的相關(guān)生產(chǎn)成本將是不可估量的。

4 結(jié)語

總之，變頻節(jié)能技術(shù)所設(shè)計(jì)的內(nèi)容較廣，對(duì)促進(jìn)我國的油田供水和相關(guān)的生產(chǎn)工作有著非凡的意義，其在油田供水系統(tǒng)的具體應(yīng)用和優(yōu)勢(shì)絕不止上述文中所提到的內(nèi)容，筆者僅是對(duì)該技術(shù)做了初步的探索。但筆者有一點(diǎn)可以確定的就是，隨著該項(xiàng)技術(shù)在我國油田供水系統(tǒng)應(yīng)用的逐漸成熟，必將使油田工作的環(huán)境得到極大的改善，并且為我國的節(jié)能減排事業(yè)的不斷推進(jìn)做出貢獻(xiàn)。

［1］劉艷,陳峰杰,靖云琴.變頻調(diào)速技術(shù)在油田供水系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì),2011(06).

［2］房世杰,王超,聶繼虹,王麗敏,吳維權(quán).變頻節(jié)能技術(shù)在油田供水中的應(yīng)用[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量,2014(01).