水源井供水系統優化變頻設計與應用*

高寶元（中國石油川慶鉆探工程公司鉆采工程技術研究院）

目前，長慶油田有2000 多口水源井。在水源井供水系統中，電潛泵的電動機最小功率37 kW，最大功率55 kW，地面控制柜采用自耦降壓啟動。主要存在的問題：水源井的電潛泵容量大，與出水管線小規格不相匹配，電潛泵處于“大馬拉小車”的狀況，發生節流現象，造成功率因數低下，有功功率和無功功率消耗過大，電能浪費十分嚴重。據統計，因沒有采取相應的節能措施，年平均浪費約1×108kWh 電能。

對水源井供水系統進行優化，采用變頻調速器進行供水，控制效果好，能優化電潛泵運行狀態，及時調整運行參數，自動調節供水需要的量，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 供水系統主要設備配置

水源井供水系統主要設備包括：變頻調速器（由西門子可編程控制器PLC 及其擴展模塊、人機界面觸摸屏、ABB-AC510 變頻器、軟啟動器、低壓電器等組成）、電動機和電潛泵、出口壓力表和流量計、測水位液位變送器、單通閥和閘閥、出水管線、儲水罐，水源井供水系統見圖1。

圖1 水源井供水系統工況圖

2 變頻調速器控制電潛泵設計

針對油田水源井發生節流現象，設計一種變頻調速器控制電潛泵流程，見圖2。

圖2 變頻調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、電潛泵以及驅動電潛泵的異步電動機組成一個完整的變頻調速器控制電潛泵系統。其中，電潛泵與異步電動機做成為一體。該控制系統通過安裝在管道上的壓力變送器實時地測量參考點的壓力，檢測出水管線的出水壓力，并由壓力變送器將其轉換為4～20 mA 的電信號，此檢測信號是實現變頻控制的關鍵參數。由于電信號為模擬量，故必須通過PLC 的A/D 轉換模塊才能讀入并與設定值進行比較，將比較后的偏差值進行PID 運算，再將運算后的數字信號通過D/A 轉換模塊轉換成模擬信號作為變頻器操作面板的輸入信號，控制變頻器的輸出頻率，從而控制異步電動機的轉速，進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，實現變頻調速控制。電潛泵功率因數可提高到0.95，綜合節電率達到20%以上，改善了電潛泵供電電源質量，保證了電潛泵的功率與實際負荷相匹配，達到系統節能運行的目的，同時減少了供電線路的損耗，增加了變壓器帶載能力。另外，當變頻器出現故障時，異步電動機與軟啟動器連接，變頻軟啟動能使電潛泵啟動平穩，減少對電網和機械設備的沖擊。

3 應用效益計算

2012年11月，在長慶油田分公司第三采油廠油坊莊作業區油385 水源井安裝1 臺變頻調速器，電潛泵型號YQS200-55，功率55 kW，揚程550 m，泵掛256 m，實際排量15 m3/h。

3.1 安裝前后節電計算

依據石油天然氣行業標準SY/T 6275—2007《油田生產系統節能監測規范》【1】、SY/T 6422—2008《石油企業節能產品節能效果測定》【2】和SY/T 5264—2012《油田生產系統能耗測試和計算方法》【3】對水源井供水系統優化進行測試和評定，見表1。

表1 水源井變頻調速器在工頻50 Hz 和變頻45 Hz 運轉狀態數據統計

通過對比，日節電量262.3 kWh。以電費0.8元/kWh，水源井有效工作時間按360 天計算，油385 水源井供水系統應用變頻調速器每年可節約電費62 952 元。

3.2 變頻調速器安裝前后供電系統負載側能耗分析

電潛泵使用變頻調速器后，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）得出變頻調速器投入后有功線損降低率為85.4% 。

根據測試數據，變頻調速器投入前、后的功率因數為：變頻前0.889，變頻后0.996。由式ξCu≈[1 -( P2cos1/P1cos2)2]×100% 得出變頻調速器投入后，電網銅損降低率為22.4% 。

以上效益僅為直接效益，對水源井供水系統由于低壓側損耗的降低而折合到高壓側的損耗降低沒有計算在內，因此，通過變頻優化設計與應用，能減少負載電流、有功功率和無功功率，提高綜合節電率，降低電網損耗和電費支出，增加變壓器帶載能力。

4 結語

水源井供水系統應用變頻調速器，能自動調節供水量，提高了電潛泵的效率，節約了大量的電能；出口閥門只要全開，無須手動調節進水閥，極大地減輕了工人的勞動強度，提高了工作效率；啟泵和停泵電流很小，延長了電潛泵的使用壽命，減少了閥門的維護量，節約了運行成本，滿足了油田節能減排的需要。

[1]SY/T 6275-2007 油田生產系統節能監測規范[S].北京:石油工業出版社,2008.

[2]SY/T 6422-2008 石油企業節能產品節能效果測定[S].北京:石油工業出版社,2008.

[3]SY/T 5264-2012 油田生產系統能耗測試和計算方法[S].北京:石油工業出版社,2013.