變頻調(diào)速控制系統(tǒng)在采油注水泵站的應(yīng)用

田傳凱 陳建燕

摘 要：變頻調(diào)速技術(shù)是現(xiàn)代電機電泵使用當中最為常見的主流技術(shù)，其不僅能夠保證用戶對油、水的正常使用，而且還能夠降低使用過程中的能耗和設(shè)備磨損，并且實現(xiàn)了電力設(shè)備的自動化改造。本文即是對變頻調(diào)速控制系統(tǒng)在采油注水泵站中的應(yīng)用進行研究，探討了泵站當中變頻調(diào)速技術(shù)的相關(guān)概念，并說明了這項技術(shù)的工作原理，最終以大慶油廠某泵站的改造方案作為案例說明了這一技術(shù)的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速；采油注水泵站；原理；應(yīng)用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.07.219

在石油采集工程當中，由于地下的原油被不斷地抽到地面之上，導(dǎo)致地下巖層所承受的壓力逐漸減小，這樣既會對原油抽取時的壓力產(chǎn)生影響，降低原油采集效率；又會對地下巖層的穩(wěn)定性造成應(yīng)影響。因此通常采用高壓注水維持地下壓力的方法，所需要的水流壓力應(yīng)保持在30MPa以上，這就大大增加了泵站設(shè)備的能耗的磨損，加之傳統(tǒng)水泵所產(chǎn)生的壓力不夠穩(wěn)定，因此應(yīng)利用現(xiàn)代變頻調(diào)速技術(shù)進行更換和完善。

1 采油注水泵站變頻調(diào)速技術(shù)的含義

目前我國變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)非常深入，各地采油注水泵站內(nèi)所使用的均為恒壓供水技術(shù)，其利用現(xiàn)代智能化的變頻調(diào)速技術(shù)對水泵的輸出頻率進行有規(guī)律的改變，可以調(diào)節(jié)水泵的運轉(zhuǎn)速率，進而保障注水水壓能夠有效維持在小范圍可控變化內(nèi)。該技術(shù)主要借助于注水管道內(nèi)壓力變化感應(yīng)器的遠程監(jiān)控，將水壓的變化信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮訑?shù)據(jù)，實時向控制中心發(fā)送，控制中心則利用這些數(shù)據(jù)對水壓的變化進行調(diào)節(jié)，降低了單位時間內(nèi)注水所需要的能源量[1]。

2 現(xiàn)代變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理

現(xiàn)代我國各地采油注水泵站所使用的變頻調(diào)速系統(tǒng)均是根據(jù)實際用水壓力大小來設(shè)置變頻調(diào)速的控制。其原理具體為：

當使用者所需水壓為L0時，其低于實際的水壓L，此時采油注水泵站的機組當中就會有部分水泵進入變頻調(diào)速的狀態(tài)，另外部分機組則有計算機自動控制到斷開停機狀態(tài)，這樣就可以適當降低管道內(nèi)的輸出水壓，節(jié)省不必要的能量損耗。而如果在運行過程中，實際的水壓L低于所需水壓L0時，則計算機能夠?qū)⒉捎妥⑺谜緝?nèi)機組所有水泵均調(diào)整到全工頻運行狀態(tài)，保證水壓能夠快速提升到限定范圍。利用公式進行表示后則為：當L0≥L時，水泵電機切換為全工頻運行狀態(tài)；當L0

3 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的實際應(yīng)用——以大慶某采油注水泵站為例

該采油注水泵站始建于1984年，當時本站機組內(nèi)所使用的均為高壓全工頻離心水泵，機組中共5臺，采用交替運行的方式，同一時間內(nèi)運行水泵電機數(shù)量為2臺，注水壓力保持在14MPa范圍內(nèi)，每天的供水量可以達到2.1萬立方米。當時由于我國正處于石油開采的起步階段，油田均位于底層下較淺位置，因此對于注水的壓力要求較低。而隨著石油開展量和效率的不斷提升，使得近幾年采油注水的水壓要求越來越高，傳統(tǒng)的單純?nèi)ゎl電機已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代石油開采的需求，因此在早期是開始使用人工調(diào)節(jié)方式，每隔1h均需要對閥門進行調(diào)節(jié)，用以控制水流的壓強，但頻繁的手動控制會對閥門本身產(chǎn)生損耗，根據(jù)研究顯示這類損耗占總輸出功率的1/3左右，發(fā)現(xiàn)人工調(diào)節(jié)的局限性較大。

當前該注水泵站內(nèi)每小時的供水量可以達到700立方米，經(jīng)過改造之后安裝了1臺全工頻水泵電機，輸出量為每小時500立方米，另外安裝1臺變頻調(diào)速水泵，其輸出量為每小時250立方米。在改造的過程中共提出了兩個備選方案，其一是加裝離心調(diào)速泵，其二是加裝柱塞調(diào)速泵。

其中離心調(diào)速泵的技術(shù)目前已經(jīng)發(fā)展成熟，該電機本身體積較小，但排水量較大，根據(jù)現(xiàn)代流體動力學(xué)理論研究，該變頻調(diào)速泵的流量與其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的一次方成振臂，也就是流量Qn；而該離心泵的水壓則與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的二次方成正比，也就是水壓Hn2；電機輸出功率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的三次方成正比，也就是功率Pn3，同時功率也與水泵流量的三次方成正比，即PQ3[3]。根據(jù)這一特性可以看出，離心泵在變頻調(diào)速時隨著水流量的下降，其水泵內(nèi)水壓也會降低，并且無法保證注水過程中干壓的恒定，可調(diào)控的范圍較小。

柱塞調(diào)速泵的運行特性與離心調(diào)速泵有著明顯的差異，其Q與電機轉(zhuǎn)速n有關(guān)，但H與電機轉(zhuǎn)速沒有關(guān)聯(lián)，而是與電機的轉(zhuǎn)矩成正比，并且P也與電機轉(zhuǎn)速的一次方成正比。但這種電機本身體積較大，容量較低，最大排水量僅為每小時120立方米。因此，該采油注水泵站在選擇方案是為了彌補柱塞調(diào)速泵的注水量低的缺點，加裝了兩臺，在所需水流量較大時兩臺同時開啟，這樣可以進一步降低使用過程中的能耗。在使用這一改造方案之后，小時每立方米能耗由以前的4.7kW降低為4.0kW，整個本站的總節(jié)能率達到了15%。

4 結(jié)語

利用變頻調(diào)速控制系統(tǒng)可以有效提升采油注水泵站的節(jié)能效果，提升水泵電機的運行效率，既滿足了采油時對于水壓水量的需求，又為企業(yè)節(jié)約了大量的能源消耗和設(shè)備磨損費用。同時變頻調(diào)速控制系統(tǒng)是現(xiàn)代智能化、自動化的主要表現(xiàn)，可以有效降低人工成本。

參考文獻：

[1]趙中偉，翟全良.文二聯(lián)注水站變頻調(diào)速控制系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用[J].Inner Mongulia Petrochemical Industry，2012（11）：101.

[2]姚杰.前置泵變頻調(diào)速技術(shù)在油田注水系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電氣應(yīng)用，2012（03）：62-65.

[3]路偉，李勇，康紅濱.變頻調(diào)速控制系統(tǒng)在油田注水泵上的節(jié)能探討[J].科技與企業(yè)，2012（20）：264.