一、引言
通過注水井向油層注水，是保證油層壓力，提高油藏采油速度和采收率而被廣泛采用的一項重要開發(fā)措施。在油田注水工程中，注水泵是滿足油田注水，保證地層壓力的源設備，為了保證較長時期內(nèi)滿足油田注水需要，在設計上注水泵的容量選型一般都較大，同時在實際生產(chǎn)中，日注水量又總是一個波動較大的參數(shù)。特別是在高壓注水系統(tǒng)中，大馬拉小車的現(xiàn)象比較普遍，注水泵泵壓與注水管線干壓之間存在較大的壓差" title="壓差">壓差，必須靠控制出口閥門來保證注水管網(wǎng)的注水壓力，這樣既造成大量的電能被白白的消耗掉，同時又由于泵壓較高對機泵的運行也十分不利。在保證油田配注要求的前提下，如何提高注水系統(tǒng)的效率，使其能耗降到最低，一直是我們研究探討的課題。近幾年國產(chǎn)高壓大功率變頻技術取得了新的突破，為我們在高壓注水系統(tǒng)采用交流變頻調(diào)速" title="變頻調(diào)速">變頻調(diào)速裝置創(chuàng)造了條件。變頻裝置依據(jù)注水管網(wǎng)需要的壓力進行參數(shù)設定，自動調(diào)節(jié)注水量，既節(jié)約大量的電能又降低了機泵的損耗，對降低油田生產(chǎn)運行成本有著十分積極的意義。
二、油田注水工藝概況
沈陽油田現(xiàn)有注水站5座，共安裝高壓注水泵16臺，總裝機容量23400KW，目前正常運行4-5臺注水泵，運行容量7900KW。為適應注水量的變化，實現(xiàn)合理注水，需不斷調(diào)整注水泵的運行方式。在沒有調(diào)速措施的情況下，只能通過開泵臺數(shù)或人工調(diào)節(jié)閥門來控制流量，必然造成注水系統(tǒng)能耗增高。以采油作業(yè)二區(qū)為例進行分析：
采油作業(yè)二區(qū)的注水任務主要由沈二注水站與沈四注水站聯(lián)網(wǎng)運行共同承擔，聯(lián)網(wǎng)主干管線約8公里，總注水量在8200至9700方/日變動，波動幅度+15%、-20%。該管網(wǎng)中正常啟運兩臺1800KW高壓注水泵，注水排量分別為250m3/h（沈二注水站）和200m3/h（沈四注水站），管網(wǎng)平均干壓為16.9MPa，泵壓為18.9MPa，存在2Mpa的壓差，注水量晝夜變化比較大，原設備又只能定速運行，所以只能靠調(diào)節(jié)閥門的開度來調(diào)節(jié)注水量的大小，人為地改變了管網(wǎng)的阻力，增加了管網(wǎng)損耗，造成相當大的一部分能量浪費在閥門上，致使注水單耗居高不下，不但不能夠經(jīng)濟運行，而且增加了工人的工作量，調(diào)節(jié)不及時還會造成管網(wǎng)壓力過高或過低，流量過大或過小，影響生產(chǎn)工藝及設備的安全運行，由此看來，如果給注水泵機組加裝變頻調(diào)速裝置，泵管壓差造成的能量損失就可以大大減小，甚至可能被消除。同時在變頻調(diào)速裝置的參與下，通過優(yōu)化仿真，根據(jù)最優(yōu)原則運行注水泵和調(diào)整注水管網(wǎng)的流量和壓力，盡可能減少配水間及井口節(jié)流損失，從而使整個注水系統(tǒng)在高效區(qū)運行，達到節(jié)能地目的。
三、注水系統(tǒng)進行高壓變頻" title="高壓變頻">高壓變頻改造方案
1、水泵調(diào)速運行的節(jié)能原理
水泵工頻定速運行時，為了保證管網(wǎng)壓力及流量，同時保證電機不過載，只能靠改變泵出口閥門來調(diào)節(jié)泵的運行。水泵經(jīng)關閥調(diào)節(jié)后，在小流量、高揚程（與原工況相對比）的工況下運行，泵管壓差增大，單耗增高。如圖一所示。 假設水泵原來在工況點B運行時，出口閥門處于全開狀態(tài)，出水流量為QB，揚程為HB，如果想減少注水量，下降為QA，水泵在沒有安裝任何調(diào)整裝置的情況下，只能通過關閥調(diào)節(jié)使出水量保持在QA，那么就有QA×（HA-HB）的功損失在出口閥門上，這樣，不僅浪費了大量電能，而且出口閥門長期在水流沖擊作用下故障增多，壽命縮短。
如圖二所示為泵的典型的工作曲線，AB是泵的性能曲線，與額定系統(tǒng)壓力曲線QB相匹配，在B點可以得到額定壓力下的額定流量，在該點泵有最高的效率，關閉閥門可控制流量，當流量減小時，泵分別工作在P、Q、R、S點，此時泵需要在很高的壓差下工作，因此泵的的能量輸出比實際系統(tǒng)需要多得多，多余的能量在閥上表現(xiàn)為熱量損耗，并被液體流動時帶走。用泵的輸出能量除以泵的效率，可以求得對泵的總輸入能量。用調(diào)節(jié)閥控制減小流量，能量損失相當大。利用變頻器調(diào)速，使電動機驅(qū)動泵在可變速情況下工作，要使得泵的特性曲線與系統(tǒng)在任何流量條件下的需要相匹配，流量與電機轉(zhuǎn)速" title="電機轉(zhuǎn)速">電機轉(zhuǎn)速成正比，產(chǎn)生的壓差與速度的平方成正比，因此可得一組特性曲線，如圖三所示，無級變頻調(diào)速后可得到AB～CD無數(shù)條水泵特性曲線，管路特性曲線與ABDC形成的陰影帶任何一個交點，都可作為工況點與外網(wǎng)水量變化相適應，在較小的揚程下達到P、Q、R、S點所對應的流量，而且只損失很少的能量，其節(jié)能效果相當可觀。
2、設備改造及運行情況
經(jīng)過我方多次論證，根據(jù)采油作業(yè)二區(qū)注水系統(tǒng)運行及現(xiàn)場實際情況，決定在沈四注水站1800KW注水電機上采用利德華福公司生產(chǎn)的HARSVERT-A06/220高壓大功率變頻器，該設備具有如下優(yōu)點：
全中文WINDOWS操作界面，彩色液晶觸摸屏；
輸入功率因數(shù)" title="功率因數(shù)">功率因數(shù)高，電流諧波少，無須功率因數(shù)補償/諧波抑制裝置；
輸出階梯正弦PWM波形，無須輸出濾波裝置，對電纜、電機絕緣無損害，電機諧波少，減少軸承、葉片的機械振動，輸出線可以長達1000米；
功率電路模塊化設計，維護簡單；
高壓主回路與控制器之間為光纖連接，安全可靠；
完整的故障監(jiān)測電路、精確的故障報警保護；
內(nèi)置PLC，易于改變控制邏輯關系，適應多變的現(xiàn)場需要；
可靈活選擇現(xiàn)場控制/遠程控制；
可接受和輸出0～10V/4～20mA工業(yè)標準信號；
可根據(jù)用戶需要內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器；
完整的通用變頻器參數(shù)設定功能；
高效率（>96%）
HARSVERT-A06/220高壓變頻調(diào)速設備于2003年7月24日開始試運行， 正式投入運行的時間是8月1日，最初采用開環(huán)方式運形，即通過觀測注水量變化，人工調(diào)節(jié)電機頻率，改變電機轉(zhuǎn)速，采集不同流量、壓力變化點，摸索運行經(jīng)驗，2003年8月27日改到閉環(huán)運行，通過采集管網(wǎng)干壓壓力信號，追蹤管網(wǎng)壓力幅值的變化，自動調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，達到人機一體，自能化控制。通過近兩個月的運行來看，HARSVERT-A06/220高壓變頻調(diào)速裝置各種保護功能齊全，具備直流母線過欠壓，功率單元驅(qū)動故障，變壓器溫度報警及UPS掉電，柜門非法打開等輕重故障報警，尤其具備流量及壓力上下限報警功能，可以有效避免流量過低時水泵發(fā)生氣蝕現(xiàn)象，保證的設備的安全運行。利用該設備的工控機界面，可以非常直觀的觀測到變頻器的輸入輸出電壓和電流波形、同時還可實時采集到注水泵的注水量、耗電量、實際管網(wǎng)壓力的瞬時變化和累計數(shù)據(jù)，便于現(xiàn)場工作人員進行節(jié)能分析和管理。
四、節(jié)能及經(jīng)濟效益分析
我們對2003年8月份、9月份沈四注水站注水泵1800KW高壓電機每天運行的主要參數(shù)電量、注水量進行了認真的統(tǒng)計，并與2002年同期統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行比較、分析，結(jié)論如下：
1、直接經(jīng)濟效益
1）注水單耗由去年同期的7.87KWh/m3降低到目前的6.33KWh/m3；
沈四注水站2002-2003年九月份注水單耗對比圖
2）按年注水量為150×104m3，電價按0.46元/KWh，年運行時間按7200小時計算，則年可節(jié)約電量為231×104KWh，節(jié)約電費為106.26萬元。
2、間接經(jīng)濟效益
1）在工頻50Hz電網(wǎng)直接啟動時,對電網(wǎng)和電機的機械沖擊較大,聲響很大,估算其啟動一次的損耗為:Ws=0.5J（1+r1/r2）Tm /（Tm-TL）,離心泵負載的平方轉(zhuǎn)矩特性與異步電動機起動時的機械特性曲線部分相似,可以Tm/（Tm-TL）=1計.而變頻軟起動損耗很小,只有上述Ws十分之一,則每年的起動節(jié)能也是很可觀的。
2）當采用變頻調(diào)速時，50Hz滿載時功率因數(shù)為接近l，工作電流比電機額定電流值要低許多,這是由于變頻裝置的內(nèi)濾波電容產(chǎn)生的改善功率因數(shù)的作用,可以為電網(wǎng)節(jié)約容量。
3）采用變頻調(diào)速后，可以避免因通過閥門控制使泵過多偏離額定工作區(qū)而引起的振動，這種振動嚴重時會引起懸臂泵軸頭斷裂。由于啟動緩慢及轉(zhuǎn)速的降低，相應地延長了許多零部件如密封、軸承的壽命，特別是減輕了起動機械轉(zhuǎn)矩對電機機械損傷，有效的延長了電機的使用壽命，減少了檢修維護開支，節(jié)約大量維護費用。
五、總結(jié)
1、根據(jù)高壓大功率變頻器在油田注水系統(tǒng)的運行情況以及實際節(jié)能效果來看，對注水泵采用變頻調(diào)速裝置的改造達到了預期的效果，實現(xiàn)了降低注水單耗及改善工藝的目的，由此證明該項目的改造是成功的。
2、通過運行實踐我們也發(fā)現(xiàn)，本系統(tǒng)中高壓變頻器的節(jié)能效果與系統(tǒng)管網(wǎng)的壓力及沈二注水站定速泵閥門的開度有著直接的關系，有必要逐步摸索運行規(guī)律，尋找一個最佳的運行工況點，以便充分發(fā)揮高壓變頻裝置的性能；挖掘更大的節(jié)能潛力。
3、如果將沈二注水站的定速泵改造成變速泵，二者同時進行變速調(diào)節(jié)，則綜合節(jié)能效果會更佳。
4、通過目前運行單耗對比分析，二年內(nèi)即可收回高壓大功率變頻系統(tǒng)改造的全部投資。