變頻器精細(xì)調(diào)整技術(shù)節(jié)電效果分析

蔣松全（大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

變頻器是一種使泵耗能更少，控制更精細(xì)，設(shè)備壽命更長的裝置，在油田生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越廣泛[1]。目前，油田轉(zhuǎn)油站普遍根據(jù)實(shí)際采液量，采用變頻自動(dòng)調(diào)整的方式控制輸油泵、摻水泵配用電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速來調(diào)整泵的輸液量。變頻自動(dòng)調(diào)整雖然相對(duì)工頻節(jié)省一部分電能[2]，但在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行情況可通過手動(dòng)調(diào)整來實(shí)現(xiàn)頻器頻率的合理設(shè)置，從而進(jìn)一步降低設(shè)備能耗，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)油站泵機(jī)組節(jié)能降耗的目的。

1 轉(zhuǎn)油站泵機(jī)組運(yùn)行現(xiàn)狀

轉(zhuǎn)油站是接收各計(jì)量間來液場所，在進(jìn)行油氣分離時(shí)，分離后的氣體進(jìn)到下一個(gè)處理站，脫氣后的液量再外輸?shù)铰?lián)合站進(jìn)一步處理，是油井采出液處理的中間環(huán)節(jié)。主要設(shè)備有加熱爐，分離器，緩沖罐，輸油泵，摻水泵等。耗電主要設(shè)備來自站內(nèi)外輸油泵、摻水泵，因此挖潛節(jié)電潛力主要是進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)泵運(yùn)行模式。

1.1 輸油泵運(yùn)行現(xiàn)狀

原油生產(chǎn)過程中的產(chǎn)液輸送過程，需要各種設(shè)備的協(xié)調(diào)配合，輸油泵機(jī)組的運(yùn)行情況直按影響輸送的效率，對(duì)于電能也有很大消耗。

目前油田部分輸油泵電動(dòng)機(jī)存在輸油泵與輸油管道特性不匹配的現(xiàn)象，這直接影響了輸液量與實(shí)際需求的適應(yīng)性。因此輸油泵電動(dòng)機(jī)調(diào)速、高效率輸油挖潛余地大。在雙泵運(yùn)行和三泵運(yùn)行多種運(yùn)行方式的情況下，為了避免輸油泵電動(dòng)機(jī)超出額定電流造成電動(dòng)機(jī)超負(fù)荷運(yùn)行的情況發(fā)生，通常會(huì)控制輸油泵閥門出口的開度不超過10%，此情況將會(huì)消耗大量的電能用在閥門節(jié)流上，還會(huì)縮短輸油泵機(jī)組的維護(hù)周期。可見，將變頻調(diào)速技術(shù)合理的應(yīng)用到輸油泵機(jī)組上對(duì)節(jié)電有重要作用[3]。

1.2 摻水泵運(yùn)行現(xiàn)狀

東北冬夏溫差高達(dá)40℃，在滿足平穩(wěn)集輸?shù)臈l件下，轉(zhuǎn)油站在冬季會(huì)加大摻水量，增加能耗[4]。同時(shí)，摻水泵在冬季的摻水能力與單井摻水量不匹配，也會(huì)造成摻水單耗偏高。因此冬季也有可挖潛余地。

另外在人工控制摻水泵出口閥門時(shí)，由于單井生產(chǎn)的不確定性，往往造成摻水過多使能量浪費(fèi)，或摻水太少起不到良好的摻水效果，影響油井生產(chǎn)。通過閥門調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)水量的控制，不僅工作量大，一旦人工調(diào)節(jié)不及時(shí)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)壓力過高，使摻水管道穿孔。因季節(jié)的變化摻水量也不同，摻水泵的外輸量不能隨著需求量的變化而進(jìn)行調(diào)整會(huì)造成能源的浪費(fèi)，因此變頻器在摻水系統(tǒng)應(yīng)用起到很大作用，為了進(jìn)一步挖潛，在站庫摻水系統(tǒng)采用變頻手動(dòng)調(diào)整頻率的運(yùn)行方式可減少能耗。

2 變頻器基本原理及精細(xì)調(diào)整方法

2.1 基本原理

離心泵工作時(shí)主要工況調(diào)節(jié)方式為調(diào)節(jié)流量，流量的調(diào)節(jié)方式主要包括出口閥開度調(diào)節(jié)和泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。采用出口閥開度調(diào)節(jié)流量，出口閥前后壓力形成壓降，造成節(jié)流損失，浪費(fèi)大量能源。當(dāng)采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)流量時(shí)（出口閥全開），根據(jù)離心泵的基本原理，在管路特性不變的情況下，流量與轉(zhuǎn)速成正比，揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，避免了出口閥的節(jié)流損失，可節(jié)約大量能源[5]。

泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)有多種方式，其中變頻調(diào)速是最常用的方式。變頻調(diào)速系統(tǒng)由整流器、濾波器和逆變器三部分組成，首先將三相交流電整流為直流電，直流電經(jīng)濾波后，在微處理器控制下逆變?yōu)槿囝l率和電壓可調(diào)的交流電輸出給交流電動(dòng)機(jī)，由于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與交流電頻率成正比，通過改變變頻器輸出頻率即可調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而調(diào)節(jié)離心泵轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)離心泵流量調(diào)節(jié)[6]。

2.2 精細(xì)調(diào)整方法

油田生產(chǎn)中，調(diào)整變頻器頻率的方式主要有兩種：自動(dòng)調(diào)整和手動(dòng)調(diào)整。自動(dòng)調(diào)整是指利用自控技術(shù)，通過緩沖罐液位、輸送流量、干線壓力等被控參數(shù)信號(hào)由變送器轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)送入PLC（可編程控制器），與設(shè)定信號(hào)比較，其差值模擬量輸送給變頻器，對(duì)機(jī)泵進(jìn)行實(shí)時(shí)變頻控制，控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，改變泵輸出流量[7-8]。自動(dòng)調(diào)整的控制模型一般在變頻器初始安裝時(shí)設(shè)定、調(diào)整完畢，隨著轉(zhuǎn)油站工藝調(diào)整或工況的變化，有時(shí)變頻器自動(dòng)調(diào)整已不適應(yīng)轉(zhuǎn)油站運(yùn)行工況，由于現(xiàn)場工作人員不具備調(diào)整PLC控制模型的能力，而且變頻器生產(chǎn)廠家眾多，有的已找不到售后技術(shù)人員進(jìn)行調(diào)整，以上原因造成了部分電能的浪費(fèi)。

手動(dòng)調(diào)整是指通過人工調(diào)整變頻頻率，調(diào)整控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，改變泵輸出流量。手動(dòng)調(diào)整根據(jù)轉(zhuǎn)油站及離心泵實(shí)際運(yùn)行工況，可實(shí)現(xiàn)精細(xì)調(diào)整，與自動(dòng)調(diào)整相比，離心泵運(yùn)行更為平穩(wěn)、靈活，具有進(jìn)一步的節(jié)電空間。

輸油泵變頻手動(dòng)精細(xì)調(diào)整方法：變頻器從緩沖罐液位參數(shù)自動(dòng)控制頻率改為按日平均來液量手動(dòng)控制頻率；摻水泵變手動(dòng)精細(xì)調(diào)整方法，變頻器從泵出口壓力參數(shù)自動(dòng)控制頻率改為按總摻水量手動(dòng)控制頻率。

離心泵變頻控制后的流量[9]計(jì)算公式為：

式中：Q為離心泵的額定流量，m3/h；Q1為變頻后的流量，m3/h；n為電動(dòng)機(jī)工頻轉(zhuǎn)速，r/min；n1為電動(dòng)機(jī)變頻轉(zhuǎn)速，r/min。

其中，電動(dòng)機(jī)變頻轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為：

式中：f為變頻器輸出頻率，Hz；p為電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)。

3 轉(zhuǎn)油站泵機(jī)組變頻精細(xì)調(diào)整效果

3.1 輸油泵變頻精細(xì)調(diào)整節(jié)能效果

自動(dòng)調(diào)整和手動(dòng)調(diào)整二者相比，在站庫機(jī)泵外輸流量負(fù)荷不是處于滿負(fù)荷運(yùn)行條件下，例如某570站現(xiàn)場變頻試驗(yàn)運(yùn)行效果[9-10]：

1）變頻器自動(dòng)頻率運(yùn)行24 h，由于用變頻自動(dòng)運(yùn)行，站內(nèi)緩沖罐液位需設(shè)定一定安全生產(chǎn)運(yùn)行液位高度，當(dāng)來液超過設(shè)定高度時(shí)，自動(dòng)變頻頻率就滿負(fù)荷運(yùn)行達(dá)到近50 Hz，當(dāng)運(yùn)行液位抽到低于緩沖罐設(shè)定高度時(shí)，外輸泵變頻頻率自動(dòng)降低至最小控制頻率，這樣每天波動(dòng)運(yùn)行幅度大。某570站變頻器自動(dòng)運(yùn)行生產(chǎn)24 h，平均為40 Hz運(yùn)行，24 h耗電為590 kWh。

2）變頻器自動(dòng)改為手動(dòng)調(diào)整頻率運(yùn)行24 h，根據(jù)站庫來液負(fù)荷人為手動(dòng)調(diào)整頻率，使變頻頻率在很小范圍波動(dòng)，近似于穩(wěn)定頻率，24 h頻率值平均為30 Hz耗電為289 kWh，相對(duì)自動(dòng)調(diào)整變頻多節(jié)約電301 kWh，手動(dòng)調(diào)整由于調(diào)整頻率范圍波動(dòng)不大，能保證外輸平穩(wěn)運(yùn)行，自動(dòng)調(diào)整存在頻率波動(dòng)范圍大，因此手動(dòng)調(diào)整較自動(dòng)調(diào)整節(jié)電。

另外在某550站和某511站兩個(gè)轉(zhuǎn)油站進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，變頻手動(dòng)調(diào)整與自動(dòng)調(diào)整在輸油泵應(yīng)用中的對(duì)比測試數(shù)據(jù)見表1：應(yīng)用變頻器自動(dòng)調(diào)整時(shí)，輸油泵平均單耗為0.25 kWh/m3；應(yīng)用變頻器手動(dòng)調(diào)整時(shí)，輸油泵平均單耗為0.17 kWh/m3，單耗下降了0.08 kWh/m3，即手動(dòng)調(diào)整相對(duì)自動(dòng)調(diào)整平均節(jié)電率降低30.66%。

表1 變頻手動(dòng)調(diào)整與自動(dòng)調(diào)整在輸油泵應(yīng)用中的對(duì)比測試數(shù)據(jù)Tab.1 Comparison test data of frequency conversion manual adjustment and automatic automatic application in oil transfer pump

全作業(yè)區(qū)共7個(gè)轉(zhuǎn)油站，日輸液量28 056 m3，如果單耗下降了0.08 kWh/m3，每天節(jié)電量為2 624 kWh，全年節(jié)電量95.776×104kWh。

3.2 摻水泵變頻精細(xì)調(diào)整節(jié)能效果

在某591站2#摻水泵進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，摻水變頻初期人們認(rèn)為不節(jié)電而不被認(rèn)可，因?yàn)樽畛醪扇〉亩▔鹤詣?dòng)變頻運(yùn)行存在很大弊端，定壓以后摻水排量隨壓力變化而變化，當(dāng)冬季管井工人開大單井摻水量，站內(nèi)壓力降低，由于設(shè)定壓力瞬間降低，摻水變頻頻率自動(dòng)提高，摻水泵排量增大，耗電量上升；如果根據(jù)定量，手動(dòng)調(diào)節(jié)頻率控制摻水量，就能保證摻水量波動(dòng)范圍較小，耗電量穩(wěn)定，摻水泵挖潛余地更大了。運(yùn)用變頻手動(dòng)調(diào)整與自動(dòng)調(diào)整進(jìn)行對(duì)比，通過測試計(jì)算得到：應(yīng)用變頻器自動(dòng)調(diào)整時(shí)，摻水泵平均單耗為0.57 kWh/m3；應(yīng)用變頻器手動(dòng)調(diào)整時(shí)，摻水泵平均單耗為0.50 kWh/m3，單耗下降了0.07 kWh/m3，即手動(dòng)調(diào)整相對(duì)自動(dòng)調(diào)整平均節(jié)電率12.28%，某591站手動(dòng)變頻與自動(dòng)變頻在摻水泵應(yīng)用中的對(duì)比測度數(shù)據(jù)見表2。

表2 變頻手動(dòng)調(diào)整與自動(dòng)調(diào)整在摻水泵應(yīng)用中的對(duì)比測試數(shù)據(jù)Tab.2 Comparison test data of frequency conversion manual frequency conversion and automatic frequency conversion in the application of mixing pump

全作業(yè)區(qū)所轄11座轉(zhuǎn)油站摻水泵每天正常生產(chǎn)22臺(tái)，日摻水量52 800 m3，如果單耗下降了0.07 kWh/m3，每天節(jié)電量為3 630 kWh，全年節(jié)電量132.49×104kWh。

4 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

1）通過輸油泵試驗(yàn)，輸油泵應(yīng)用變頻手動(dòng)調(diào)整較自動(dòng)調(diào)整單耗下降0.08 kWh/m3，全作業(yè)區(qū)應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)年節(jié)電95.776×104kWh。

2）通過摻水泵試驗(yàn)，摻水泵應(yīng)用變頻手動(dòng)調(diào)整較自動(dòng)調(diào)整單耗下降0.07 kWh/m3，全作業(yè)區(qū)應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)年節(jié)電132.49×104kWh。

3）現(xiàn)場生產(chǎn)中，根據(jù)各轉(zhuǎn)油站每臺(tái)泵的實(shí)際運(yùn)行情況，及時(shí)進(jìn)行變頻精細(xì)調(diào)整，可以挖掘節(jié)能潛力，降低集輸系統(tǒng)能耗。