水源井供水系統(tǒng)優(yōu)化變頻設(shè)計(jì)與應(yīng)用*

高寶元（中國(guó)石油川慶鉆探工程公司鉆采工程技術(shù)研究院）

目前，長(zhǎng)慶油田有2000 多口水源井。在水源井供水系統(tǒng)中，電潛泵的電動(dòng)機(jī)最小功率37 kW，最大功率55 kW，地面控制柜采用自耦降壓?jiǎn)?dòng)。主要存在的問題：水源井的電潛泵容量大，與出水管線小規(guī)格不相匹配，電潛泵處于“大馬拉小車”的狀況，發(fā)生節(jié)流現(xiàn)象，造成功率因數(shù)低下，有功功率和無功功率消耗過大，電能浪費(fèi)十分嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，因沒有采取相應(yīng)的節(jié)能措施，年平均浪費(fèi)約1×108kWh 電能。

對(duì)水源井供水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，采用變頻調(diào)速器進(jìn)行供水，控制效果好，能優(yōu)化電潛泵運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，自動(dòng)調(diào)節(jié)供水需要的量，從而提高了電潛泵的功效，解決了油田水源井存在的問題。

1 供水系統(tǒng)主要設(shè)備配置

水源井供水系統(tǒng)主要設(shè)備包括：變頻調(diào)速器（由西門子可編程控制器PLC 及其擴(kuò)展模塊、人機(jī)界面觸摸屏、ABB-AC510 變頻器、軟啟動(dòng)器、低壓電器等組成）、電動(dòng)機(jī)和電潛泵、出口壓力表和流量計(jì)、測(cè)水位液位變送器、單通閥和閘閥、出水管線、儲(chǔ)水罐，水源井供水系統(tǒng)見圖1。

圖1 水源井供水系統(tǒng)工況圖

2 變頻調(diào)速器控制電潛泵設(shè)計(jì)

針對(duì)油田水源井發(fā)生節(jié)流現(xiàn)象，設(shè)計(jì)一種變頻調(diào)速器控制電潛泵流程，見圖2。

圖2 變頻調(diào)速器控制電潛泵流程圖

如圖2 所示，由壓力變送器、可編程控制器（PLC）、變頻器、電潛泵以及驅(qū)動(dòng)電潛泵的異步電動(dòng)機(jī)組成一個(gè)完整的變頻調(diào)速器控制電潛泵系統(tǒng)。其中，電潛泵與異步電動(dòng)機(jī)做成為一體。該控制系統(tǒng)通過安裝在管道上的壓力變送器實(shí)時(shí)地測(cè)量參考點(diǎn)的壓力，檢測(cè)出水管線的出水壓力，并由壓力變送器將其轉(zhuǎn)換為4～20 mA 的電信號(hào)，此檢測(cè)信號(hào)是實(shí)現(xiàn)變頻控制的關(guān)鍵參數(shù)。由于電信號(hào)為模擬量，故必須通過PLC 的A/D 轉(zhuǎn)換模塊才能讀入并與設(shè)定值進(jìn)行比較，將比較后的偏差值進(jìn)行PID 運(yùn)算，再將運(yùn)算后的數(shù)字信號(hào)通過D/A 轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)作為變頻器操作面板的輸入信號(hào)，控制變頻器的輸出頻率，從而控制異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制電潛泵連接的出水管線的水量，最終使管道壓力恒定，實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速控制。電潛泵功率因數(shù)可提高到0.95，綜合節(jié)電率達(dá)到20%以上，改善了電潛泵供電電源質(zhì)量，保證了電潛泵的功率與實(shí)際負(fù)荷相匹配，達(dá)到系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行的目的，同時(shí)減少了供電線路的損耗，增加了變壓器帶載能力。另外，當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)與軟啟動(dòng)器連接，變頻軟啟動(dòng)能使電潛泵啟動(dòng)平穩(wěn)，減少對(duì)電網(wǎng)和機(jī)械設(shè)備的沖擊。

3 應(yīng)用效益計(jì)算

2012年11月，在長(zhǎng)慶油田分公司第三采油廠油坊莊作業(yè)區(qū)油385 水源井安裝1 臺(tái)變頻調(diào)速器，電潛泵型號(hào)YQS200-55，功率55 kW，揚(yáng)程550 m，泵掛256 m，實(shí)際排量15 m3/h。

3.1 安裝前后節(jié)電計(jì)算

依據(jù)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6275—2007《油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測(cè)規(guī)范》【1】、SY/T 6422—2008《石油企業(yè)節(jié)能產(chǎn)品節(jié)能效果測(cè)定》【2】和SY/T 5264—2012《油田生產(chǎn)系統(tǒng)能耗測(cè)試和計(jì)算方法》【3】對(duì)水源井供水系統(tǒng)優(yōu)化進(jìn)行測(cè)試和評(píng)定，見表1。

表1 水源井變頻調(diào)速器在工頻50 Hz 和變頻45 Hz 運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

通過對(duì)比，日節(jié)電量262.3 kWh。以電費(fèi)0.8元/kWh，水源井有效工作時(shí)間按360 天計(jì)算，油385 水源井供水系統(tǒng)應(yīng)用變頻調(diào)速器每年可節(jié)約電費(fèi)62 952 元。

3.2 變頻調(diào)速器安裝前后供電系統(tǒng)負(fù)載側(cè)能耗分析

電潛泵使用變頻調(diào)速器后，能減少線路損耗及變壓器的銅損。

式中：ξline為線損；P1為變頻前功率；P2為變頻后功率。

由公式（1）得出變頻調(diào)速器投入后有功線損降低率為85.4% 。

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，變頻調(diào)速器投入前、后的功率因數(shù)為：變頻前0.889，變頻后0.996。由式ξCu≈[1 -( P2cos1/P1cos2)2]×100% 得出變頻調(diào)速器投入后，電網(wǎng)銅損降低率為22.4% 。

以上效益僅為直接效益，對(duì)水源井供水系統(tǒng)由于低壓側(cè)損耗的降低而折合到高壓側(cè)的損耗降低沒有計(jì)算在內(nèi)，因此，通過變頻優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用，能減少負(fù)載電流、有功功率和無功功率，提高綜合節(jié)電率，降低電網(wǎng)損耗和電費(fèi)支出，增加變壓器帶載能力。

4 結(jié)語

水源井供水系統(tǒng)應(yīng)用變頻調(diào)速器，能自動(dòng)調(diào)節(jié)供水量，提高了電潛泵的效率，節(jié)約了大量的電能；出口閥門只要全開，無須手動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)水閥，極大地減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率；啟泵和停泵電流很小，延長(zhǎng)了電潛泵的使用壽命，減少了閥門的維護(hù)量，節(jié)約了運(yùn)行成本，滿足了油田節(jié)能減排的需要。

[1]SY/T 6275-2007 油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測(cè)規(guī)范[S].北京:石油工業(yè)出版社,2008.

[2]SY/T 6422-2008 石油企業(yè)節(jié)能產(chǎn)品節(jié)能效果測(cè)定[S].北京:石油工業(yè)出版社,2008.

[3]SY/T 5264-2012 油田生產(chǎn)系統(tǒng)能耗測(cè)試和計(jì)算方法[S].北京:石油工業(yè)出版社,2013.