1、引言 隨著近幾年油田注水系統柱塞泵應用低壓變頻調速技術的日臻成熟和普及推廣，低滲透油藏注水壓力變化大、現場調控難、配注任務完成難、單耗高、系統效率低等問題逐步得到解決。油田注水系統地面設備的節能技改重點開始轉向6kv高壓及1000kw以上的大型離心泵機組。由于這些耗電“巨無霸”多數投產于計劃經濟年代，機組設計普遍按照油田開采后期含水高，注水量大，地層滲透率降低考慮，因此設計流量大和揚程高，配置的拖動電機功率大、電壓高。但是隨著地層結構的復雜多變，目前這些大功率離心泵機組絕大部分的運行工況遠遠低于設計流量和揚程，并且受到傳統控制手段的限制，生產現場只能依靠調節開泵臺數進行粗調和調節泵排出閥節流細調來控制注水量，由此造成注水系統泵干壓差大、單耗高、效率低。 2003年，我們基于對國內外油田注水大型離心泵高能耗問題的認識和對當前自控領域高壓大功率電動機調速技術的比較研究，選擇目前世界上高壓大功率變頻技術領先的robicon第四代完美無諧波高壓變頻器為核心部件，通過系統集成與技術整合，形成了一套具有國內領先水平的解決方案。2004年元月實施后，無論在改進現場工藝方面，還是在節能降耗方面都取得了很好效果。 2、注水站現狀 2.1 設備現狀 注水泵機組3臺，離心泵為df120-150×10型，適配原動機為yksy1000-2型6kv高壓電動機。離心泵名牌主要技術參數:額定流量120m3/h（極限流量220m3/h），揚程1500m，轉速2950r/min，額定泵效70%; 配用電動機功率1000kw，電動機額定效率95%。 2.2 運行參數 注水站正常生產情況下1臺泵運行，主要運行技術參數:流量165m3/h，泵壓14.6mpa，干壓11.2mpa，泵干壓差3.4mpa，壓力損失23.3%。能耗參數:泵效67.1%，注水單耗0.436kwh/m3.mpa。在系統來水多的特殊情況下2臺泵運行。 2.3 能耗分析 單臺泵工頻運行, 閘閥節流調節, 導致泵干壓差大, 功率損失高達165m3/h×0.436kwh/m3mpa×3.4mpa= 244.596kw。造成年電費支出高達244.596kw× 0.46=112.5萬元。 兩臺泵運行下，由于僅僅相當于1.5臺的注水量，因此功率損失更加嚴重。由此可見，在義一注水站實施變頻節能改造勢在必行，同時也反襯出節能技改將帶來巨大的經濟效益。 3、變頻調速與工頻節流調節的能耗對比分析 根據離心泵比例定律，同一臺泵的葉輪直徑不變時，改變轉速n，其性能參數可按比例關系計算，即流量q∝n、揚程h∝n2、功率p∝n3。該定律說明變頻調速時，不同轉速下離心泵性能參數隨轉速變化的規律，亦定性說明低轉速下離心泵功率消耗小，高轉速下功率消耗大。但在泵排出閥節流調節方式下，且排出閥開度較小時，流量等參數偏離比例定律，因此引用比例定律則無法進行變頻調速與工頻節流調節的能耗比較。筆者認為從離心泵特性與輸入功率關系的角度進行分析比較適合適的。 3.1 單泵工頻下閘閥調節與變頻調節的功率分析 如圖1所示，工頻下閘閥調節即改變了管網的固有特性，特性曲線左移，隨著閘閥開度的調節變小，可以得到r1左側的一族曲線。當按照需要流量q2固定閘閥開度后，裝置特性曲線由r1變為r2，泵的工況點由a沿著h-q（g）左移到b點，泵排出閥上多消耗壓頭△h。從圖1的效率曲線可以看出，隨著閘閥開度的減少，泵效逐漸降低，工作在b點時，泵效為η1。 變頻調速不改變管網特性曲線，而是通過調整泵葉輪轉速改變流量，大型工業泵應用的變頻調速一般都是通過降低電源的供電頻率實現調速，所以變頻調速基本都是使泵在低于額定轉速下的調速。隨著速度的降低，我們能夠得到一族工頻特性曲線h-q（g）下的泵特性曲線。如圖1所示，變頻調速情況下,流量為q2的泵特性曲線為h-q（f）。顯然，此時泵排出閥開度達到最大，排出閥上沒有壓頭損失△h，此時的泵效最高為η2。 3.2 相同流量條件下單泵工頻狀態閘閥節流調節與變頻調節的功率比較 由電動機軸功率計算公式p=ρgqh/（1000×η）可以得到: 閘閥節流調節時電動機輸入功率: pg=ρg×q2×hb/（1000×η1） （1） 變頻調節時電動機輸入功率: pf=ρg ×q2×hc/（1000×η2） （2） 式中:ρg—流體密度（kg/m3）與重力加速度 （9.81m/s2）乘積; q2—泵排出流量（m3/s）; hb—閘閥節流調節泵的揚程（m）; hc—變頻狀態泵的揚程（m）; η1—閘閥節流調節泵效; η2—變頻調速的泵效。 （1）式-（2）式: δp=pg-pf =ρg q2×（hb/η1-hc/η2）/1000 （3） 因hb-hc=△h，故hb＞hc ，又η1＜η2，所以△p＞0，由此可得相同流量條件下，單泵變頻調速控制流量較工頻下閘閥節流調節減少了功率消耗的定論。顯然，變頻調速節能主要原因是消除了泵排除閥的壓頭損失和在高效區運行減少了電動機輸入功率。 3.3 不同流量等條件下的能耗分析 由圖1可以進一步分析變頻調速在各種情況下對離心泵運行功率的影響。由于工頻狀態下閘閥節流調節均使管網特性曲線由額定工況點a左移，因此可以得出閘閥節流調節均存在泵排出閥壓頭hb永遠大于ha，而變頻調速時泵的工況點均在管網工作特性曲線上a下面的各點，所以總是存在hb＞hc，既便是油田注水站使用的高揚程大排量離心泵的特性曲線都比較平坦，這個結論依然成立。又由于變頻調速不改變管網特性，所以變頻調速均使泵工作在高效區，即在變頻器正常調節范圍內總存在η2＞η1。根據公式（3），則均有△p＞0成立，由此可以推論:變頻調速在各種情況下均較閘閥節流調節節能。 在注水管網特性曲線也比較平坦的情況下，泵的工況點如果在大于額定排量接近極限排量的較陡區間內時，節能效果會更明顯。 4、注水站應用變頻器實施節能技改的系統優化設計 4.1 變頻器的的選型 近幾年來，隨著高壓大功率變頻器的不斷換代，國內其它油田在高壓大功率電動機居多的注水系統實施變頻節能改造也逐漸增多。 從國產品牌的生產和使用情況看，雖然國內的成都佳靈和北京利德華福生產的高壓大功率變頻器在市場有一定的份額，但涉足油田注水系統高壓大功率離心泵改造的卻寥寥無幾。主要原因:一是產品起步較晚，二是產品主要性能指標距國外知名品牌還有差距。鑒于高壓變頻投資大、風險高，所以目前條件下，應用國外最先進的成熟高壓變頻技術是必要的。 從國外品牌的使用情況看，國內多數是從2000年后才開始應用，據了解多為二代或三代產品，使用中諧波的污染問題、英文界面帶來的管理不便問題、輸出波形畸變造成的轉矩振動問題、變頻器自身損耗大效率低的問題等等，都在一定程度上對現場生產造成了不良影響。 基于以上原因，為了確保勝利油田第一次應用高壓變頻器實施注水站節能改造取得成功，我們確定采用美國robicon第四代完美無諧波高壓（6kv）變頻器作為義一注水站實施節能改造的核心設備。 該設備的技術先進性具體體現在主要性能指標均高于同類產品:無諧波污染，符合ieee 5191992和gb/t14549-93標準的最嚴格要求;功率因數高，在20～100%的負載下均能達到或超過0.95的功率因數;效率高，總效率達到97%;頻率精度高，在所有因素下都能達到 ±0.5%;適用性強，可適用國產各種普通異步電機;用戶界面人性化程度高，可顯示速度，電流，電壓，功率，用電度數的數字表。也可現場設置工控機或筆記本電腦，參數調整方便;隔離變壓器能保護電機不受共模電壓的影響;變頻器對電網電壓有極強的適應能力;完善的變頻器固有保護功能;功率單元為模塊化設計，不須專用工具，維修方便。 4.2 系統集成設計采用的幾項關鍵技術 （1） 采用一機多控方案，電氣一次系統如圖2所示，系統設計采用工頻和變頻分別輸出到切換柜，兩個高壓切換開關實施電氣互鎖，防止同時操作合閘，這樣保持了每臺電動機仍由一條電纜供電，節省了設備投資。 （2） 通過plc編程，可根據現場需要，靈活設置輸入開關量和輸出開關量，實現現場接口和開關信號的邏輯處理。 （3） 閉環自動控制系統按照配水間干壓恒定和注水站事故罐液面穩定條件設計。可根據生產需要設定干線壓力sv1，當實際壓力pv1達到設定壓力sv1，自動降低電動機轉速，反之亦然;為防止注水大罐污水外溢，設定大罐上/下限壓力，當大罐現場壓力到達上限壓力,自動停止變頻運行，報警后由值班人員切換到工頻運行;現場干線和大罐壓力傳感器均采用國外名牌產品，確保采集數據的精度要求。 （4） 柜式隔離變壓器、變頻器均采用一體化設計，內部連線，現場只須連接高壓輸入、輸出、低壓控制電源和控制信號線即可。節省了安裝和土建成本。 （5） 開發的中英文轉換軟件，可實現本地工控機中文界面下的運行監控和變頻器參數調整。 （6） 滿足系統開放性要求，借助現場通訊或移動通訊網絡，可實現變頻器運行參數的遠程數據傳輸。 （7） 本系統采用高壓變頻器獨立電源設計，簡化了配電系統，節省了高壓隔離開關的臺數，節省了投資。 （8） 系統選用了高壓變頻器專用保護避雷器和專用除霜器，能夠有效防止雷電及電力系統有害過電壓的侵入。 5、效果評價 5.1 單耗測試 執行標準:《sy/t5265-1996油田注水地面系統效率測試和單耗計算方法》。 用電量及注水量數據采集:義一注水站應用高壓變頻實施節能改造前后，中石化勝利油田有限公司河口采油廠能源監測站進行了跟蹤測試，測試采用的義一注水站用電量為變電站每天早8:00記錄的義一注水站用電量，水量采用義一注水站每天早8:00記錄的各臺泵實際注水量。 比較時間:改造前取2003年12月1日-31日為原態測試日期，改造后取2004年元月12日-2月10日為節能態測試日期。 經過計算，改造前后，注水站綜合注水單耗由原來的5.23kwh/m3下降到3.05kwh/m3，單耗降低幅度達到 41.68%，按義一注水站平均每天注水量4500m3計算，改造前后日用電量減少9810kwh，每月節電29.43萬kwh，每月實際節約電費約15萬元，年節電費180萬元。投資回收期282.4411/180=1.57年。 5.2 泵效測試 按照勝利油田企業標準:《sy/t5265-1996油田注水地面系統效率測試和單耗計算方法》，泵效測試采用了現場測試方法。 經測試，原工頻時的泵效為58.92%，改造后泵效為87.27%。 5.2 改造后的工藝效果 首先，系統采用一控三方案，任何一臺電機都可以實現“工/變”頻切換、“手動/自動”切換，提高了自動化程度，降低了調節閘閥的勞動強度。其次，實現了管網壓力、液位的智能控制，達到注水站來液和注水的“供注平衡”，優化了生產參數。再次，變頻器控制電動機軟啟動，消除了高速啟動時電動機的沖擊損傷，提高了電動機壽命，同時延長了各處軸瓦的壽命和檢修周期。此外，改造后，泵的工況點在大于額定排量接近極限排量的區間內，單泵流量達到了210m3/h，接近設計流量的上限220m3/h，原來由2臺泵工頻運行完成的任務，現在只用一臺泵變頻運行即可，這也是單耗大大降低的主要原因。如附表所示。 6、結束語 從試驗的情況看，本次應用robicon第四代完美無諧波一體化高壓變頻器實施節能改造是成功的，它為油田注水系統應用新型高壓變頻器提供了成功案例。特別適用于節流調節泵干壓差較大注水站實施節能改造，因此具有很高的推廣應用價值。可以相信，隨著高壓變頻調速技術應用的日益增多，油田注水生產的經濟效益會越來越好，無疑對促進油田整體經濟效益的提高起到促進作用。