楊迪 劉書(shū)孟 闞正玉 馬天水 侯佳榮

1大慶油田第二采油廠工藝研究所

2天津匯鑄石油設(shè)備科技有限公司

大慶油田已進(jìn)入特高含水開(kāi)發(fā)后期，注水需求逐年加大，注水耗電呈上升趨勢(shì)。2020 年薩南油田注水泵耗電7.03×108kWh，電費(fèi)支出4.48 億元，占油田生產(chǎn)用電39.3%。薩南油田年運(yùn)行注水泵47臺(tái)，平均單臺(tái)年耗電1 497×104kWh，可以看出，注水泵節(jié)電對(duì)油田降本增效意義重大。薩南油田自2003 年在注水系統(tǒng)成功應(yīng)用第一臺(tái)高壓變頻器以來(lái)，截至2020年底已陸續(xù)安裝5臺(tái)，實(shí)現(xiàn)累計(jì)節(jié)電5 565.6×104kWh，節(jié)約電費(fèi)3 545.3萬(wàn)元，取得了顯著的節(jié)電效果。實(shí)際應(yīng)用表明，高壓變頻器節(jié)能效果與安裝地點(diǎn)的選擇密切相關(guān)，經(jīng)過(guò)十余年試驗(yàn)研究，建立了注水系統(tǒng)應(yīng)用高壓變頻器的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)模型，引入泵壓管壓比概念，采用常規(guī)數(shù)據(jù)作為參數(shù)計(jì)算出節(jié)電效果和投資收益。

1 變頻器節(jié)能原理

交流異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速公式為

式中：n為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；p為電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)；s為轉(zhuǎn)差率；f為定子頻率，Hz。

通過(guò)公式（1）可以看出，只要改變電動(dòng)機(jī)頻率就可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化。變頻器應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)的原理，通過(guò)改變交流電動(dòng)機(jī)工作電源頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速變化[1-3]。

水泵節(jié)能原理如圖1所示，泵額定轉(zhuǎn)速時(shí)注水系統(tǒng)工作點(diǎn)為A，流量為Qa，揚(yáng)程為Ha，對(duì)應(yīng)的軸功率為Pa。如注水流量降為Qb，采用閥門控制方式，工作點(diǎn)移到B，揚(yáng)程升高到Hb，對(duì)應(yīng)的軸功率為Pb；采用降低泵轉(zhuǎn)速方式，工作點(diǎn)移到C，揚(yáng)程降為Hc，對(duì)應(yīng)的軸功率為Pc。通過(guò)泵的負(fù)載特性可知，泵轉(zhuǎn)速降低，流量、揚(yáng)程、軸功率都相應(yīng)降低[2]。電動(dòng)機(jī)與水泵通過(guò)聯(lián)軸器直接連接，因此變頻器可通過(guò)自身頻率改變電動(dòng)機(jī)和泵的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制注水泵水量。

圖1 管道流量壓力特性曲線Fig.1 Pressure characteristic curve of pipeline flow

2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型

2.1 已知數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用

《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》等專業(yè)技術(shù)手冊(cè)用來(lái)預(yù)測(cè)和分析水泵應(yīng)用變頻器節(jié)電效果[2-5]的常規(guī)公式為水泵負(fù)載特性公式，即

式中：n1、n2為水泵轉(zhuǎn)速，r/min；Q1、Q2為水泵流量，m3/s；P1、P2為泵軸功率，kW；H1、H2為水泵揚(yáng)程，MPa；T1、T2為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，N·m。

表1 某注水站注水泵變頻運(yùn)行時(shí)流量比-功率比-泵壓比統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of flow ratio-power ratio-pump pressure ratio during frequency conversion operation of injection pump in a water injection station

水泵軸功率的計(jì)算公式在《鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計(jì)手冊(cè)》中描述為

注水機(jī)組功率計(jì)算公式為

式中：Pzh為軸功率，kW；γ為液體密度，kg/m3；Q為水泵出水量，m3/s；H為水泵揚(yáng)程，MPa；g為重力加速度，m/s2；ηpum為水泵效率；P為電動(dòng)機(jī)輸入功率，kW；ηM為電動(dòng)機(jī)效率。

公式（3）和（4）通常用來(lái)計(jì)算水泵和注水機(jī)組耗電[5-7]。實(shí)際工作中，Q和H可通過(guò)表計(jì)讀取，ηM和ηpum無(wú)表計(jì)計(jì)量或公式推導(dǎo)，依靠產(chǎn)品樣本提供的泵效和電動(dòng)機(jī)效率曲線計(jì)算，讀取不便，且機(jī)泵因運(yùn)行時(shí)間、生產(chǎn)批次等因素造成真實(shí)值與樣本曲線有一定的誤差；另外，注水泵和電動(dòng)機(jī)在工、變頻狀態(tài)下的泵效和電動(dòng)機(jī)效率曲線完全不同，該曲線值不滿足變頻狀態(tài)下使用，即變頻狀態(tài)下，應(yīng)用公式（4）計(jì)算耗電，ηM和ηpum無(wú)法確定。

2.2 ηM·pum 曲線的引入及ηM·pum·B 值的確定

圖2～圖5為水泵和電動(dòng)機(jī)工、變頻狀態(tài)下曲線圖，通過(guò)圖可以看出：

（1）工頻狀態(tài)下，ηpum隨外輸水量變化有明顯變化[8]，如圖2所示；ηM變化不明顯（薩南油田注水電動(dòng)機(jī)負(fù)載率都在50%以上）[9]，如圖3所示。

圖2 工頻注水泵性能曲線Fig.2 Performancecurveofpowerfrequencywaterinjection pump

圖3 工頻電動(dòng)機(jī)效率與負(fù)荷率關(guān)系曲線Fig.3 Relation curve between power frequency motor efficiency and load rate

（2）變頻狀態(tài)下，當(dāng)管網(wǎng)特性曲線為狹義管網(wǎng)特性曲線時(shí)，管網(wǎng)不變，水泵變頻調(diào)節(jié)時(shí)，ηpum相等，如圖4 所示；同一個(gè)負(fù)載下，頻率降低，ηM降低，如圖5所示。

圖4 不同頻率下水泵效率曲線Fig.4 Efficiency curve of water pump at different frequencies

圖5 不同頻率不同負(fù)載下電動(dòng)機(jī)效率曲線Fig.5 Motor efficiency curve under different frequency and load

設(shè)想把ηM×ηpum=ηM·pum當(dāng)做一個(gè)變量考慮，通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（表2）繪制了基本效率曲線（圖6）。

圖6 某注水站機(jī)泵效率曲線圖Fig.6 Pump efficiency curve of a water injection station

表2 某注水站機(jī)泵工、變頻效率對(duì)比Tab.2 Comparison of power frequency and frequency conversion efficiency of pumps in a water injection station

可以看出，無(wú)論工頻還是變頻，ηM·pum值均隨水量的減小而減小，與泵效曲線走向趨勢(shì)接近，ηM·pum·G（注水機(jī)組工頻效率，包括電動(dòng)機(jī)和注水泵效率）和ηM·pum·B（注水機(jī)組變頻效率，包括電動(dòng)機(jī)、注水泵和變頻器效率）的走向趨勢(shì)也接近。用ηM·pum·G替代ηM·pum·B，編制了注水站注水泵運(yùn)行狀況，見(jiàn)表3，并依此繪制了工頻和變頻狀態(tài)下實(shí)際電量和公式計(jì)算電量曲線，如圖7所示。

表3 某注水站注水泵運(yùn)行狀況Tab.3 Operation status of water injection pump in a water injection station

圖7 某注水站注水泵流量-耗電量曲線Fig.7 Flow-power consumption curve of water injection pump in a water injection station

用ηM·pum·G替代ηM·pum·B，采用公式（4）計(jì)算注水機(jī)組耗電，理論耗電和計(jì)量耗電走勢(shì)基本相同，最大誤差率4.9%。在多座注水站試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)結(jié)果相近，因此得出結(jié)論，應(yīng)用公式（4）計(jì)算注水機(jī)組耗電，允許最大誤差率＜10%時(shí)，可認(rèn)為ηM·pum·G=ηM·pum·B。

2.3 建立簡(jiǎn)化技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)公式

（1）建立方案論證節(jié)電數(shù)學(xué)模型WJ=。

注水機(jī)組應(yīng)用高壓變頻節(jié)電可表述為

式中：WJ為注水機(jī)組年節(jié)電量，kWh；WG為安裝變頻器前注水機(jī)組年耗電量，kWh；WB為安裝變頻器后注水機(jī)組年耗電量，kWh；PG為安裝變頻器前注水機(jī)組功率，kW；PB為安裝變頻器后注水機(jī)組功率，kW；t為注水泵在變頻器應(yīng)用前、后的運(yùn)行時(shí)間，h；HG為安裝變頻器前水泵揚(yáng)程，MPa；HB為安裝變頻器后水泵揚(yáng)程，MPa；ηM·pum·G為注水機(jī)組工頻效率；ηM·pum·B為注水機(jī)組變頻頻效率。

薩南油田注水泵實(shí)際變頻運(yùn)行時(shí)，泵管壓差通常≤0.1 MPa，注水來(lái)水壓力0.05 MPa左右，可認(rèn)為注水泵揚(yáng)程約等于注水管網(wǎng)壓力；注水量大于額定值的50%，可認(rèn)為電動(dòng)機(jī)和注水泵轉(zhuǎn)速亦高于額定轉(zhuǎn)速的50%，ηB按0.97 考慮，如圖8 所示，公式（5）可簡(jiǎn)化為

圖8 東芝變頻器效率曲線Fig.8 Toshiba frequency conversion efficiency curve

式中：Hg為注水管網(wǎng)壓力，MPa。

該公式采取的都是近似值，因此只適合用在技術(shù)論證階段。采集了2座注水站的耗電數(shù)據(jù)，對(duì)其誤差進(jìn)行了驗(yàn)證，如表4所示，誤差占比最大不超過(guò)5.9%，可滿足技術(shù)論證階段需求。

表4 數(shù)學(xué)模型節(jié)電誤差驗(yàn)證Tab.4 Power saving error verification of mathematical model

表4 數(shù)學(xué)模型節(jié)電誤差驗(yàn)證Tab.4 Power saving error verification of mathematical model

《建筑用省電裝置應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》給出的方案階段投資回收期法公式[9]為

式中：T為回報(bào)期，a；I為投資額，萬(wàn)元；ΔC為安裝省電裝置后每年節(jié)省的電費(fèi)，包含每年維護(hù)等支出費(fèi)用，萬(wàn)元。

薩南油田注水系統(tǒng)最早安裝的2臺(tái)高壓變頻調(diào)速裝置已穩(wěn)定運(yùn)行17 年，超出折舊年限，年均維護(hù)成本3.3 萬(wàn)元，根據(jù)其實(shí)際運(yùn)行狀況，該公式表述為

式中：TY為預(yù)期回報(bào)時(shí)間，a；GJ為每年節(jié)省的電費(fèi)，萬(wàn)元。

將節(jié)電公式（6）代入經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)公式（8）中，進(jìn)一步化簡(jiǎn)得出技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)公式為

式中：GG為安裝變頻器前注水機(jī)組年耗電費(fèi)，萬(wàn)元。

該公式中HC、HG、GG均為注水機(jī)組工頻運(yùn)行時(shí)常用數(shù)據(jù)，站內(nèi)有儀表計(jì)量，只要明確高壓變頻器價(jià)格I和投資回收預(yù)期TY，即可知道變頻器可實(shí)施論證方案投資是否合理，與傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法相比，計(jì)算簡(jiǎn)便，實(shí)用性強(qiáng)，準(zhǔn)確高效。

3 結(jié)論

注水系統(tǒng)耗電量高，應(yīng)用高壓變頻器節(jié)電效果好，但高壓變頻器設(shè)備價(jià)格較高，還需要考慮投資回收期。本文通過(guò)大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和推導(dǎo)公式，建立了前期立項(xiàng)論證用節(jié)電預(yù)測(cè)方法、項(xiàng)目實(shí)施后節(jié)電效果計(jì)算方法以及簡(jiǎn)化經(jīng)濟(jì)技術(shù)界限評(píng)價(jià)方法，具有公式簡(jiǎn)單、計(jì)算便捷、準(zhǔn)確性高的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足相關(guān)技術(shù)人員今后在油田注水系統(tǒng)應(yīng)用高壓變頻器的技術(shù)論證和效果評(píng)價(jià)的需求。