孙伟 李乐乐
中国石化胜利油田分公司滨南采油厂采油管理五区注采五站
摘要：注水开发依然是油田开发最有效的手段，在采油注水泵站使用变频调速器能够降低注水开发的能耗，提高油田生产效率和经济效益。采油方面，将传统的变频调速控制技术更加深入细化，根据实时功图进行载荷随动控制，达到了降低抽油机冲击载荷、提高泵最大有效冲程、提高充满度和降低机械疲劳损耗的目的。
关键词：变频调速技术；采油注水；生产效率；节能降耗
一、引言
油田注水系统主要由电机、注水泵、泵出口调节阀、注水管网、及注水井等构成。系统的总能耗除了注入地层的有效能量外主要消耗在上述的系统构成中,其中电机和注水泵的损耗将近一半,其中注水泵的损耗占20%左右。随着原油含水率的增高和提高采收率的需要,部分油田注水量每年以将近30%的速度增长,耗电量也急剧增加,因此注水节能对节约生产成本、提高生产效率和经济效益具有重大意义。在注水系统优化中,注水泵运行于高效工作区是整个注水系统优化运行和节能降耗的关键。目前国内大部分注水系统的运行主要是依靠注水管理人员的认识和经验来实施,由于高压注水泵站采用的均是多级高压离心泵增压注水,其高效工作区很狭窄,当注水工况发生变化时,由于得不到及时调整,致使注水泵偏离高效区工作,注水管网效率低,注水单耗高。采用调速运行才能达到最佳状态。针对注水系统存在的问题,采用变频调速的方法调整注水泵前的增压泵的运行状态,可以有效地降低甚至消除注水泵出口泵管压差节流损失,提高注水泵泵效,降低注水综合单耗,实现系统能量损失最小,从而使整个注水系统高效运行。
二、增压泵变频调速技术原理
高压大功率注水泵和中、低压小功率(相对高压注水泵的功率而言)增压泵串联,小功率增压泵(简称小泵)为大功率注水泵(简称大泵)提供吸入压力,使高压注水泵工作在高效区,并通过计算机控制、变频调速调节增压泵的输出压力和流量,最终调节注水泵站出口的输出压力和流量,实现以增压泵来控制注水泵,这种技术简称(小)泵控(大)泵技术(PCP)。
在泵控泵系统中,水流经由增压泵增压及调节流量,再送入注水泵,经多级增压后输出,因此泵控泵系统的输出特性与增压泵和注水泵的特性有关,系统特性实质上就是注水泵和增压泵特性的串联叠加。由于注水泵和增压泵串接,流过注水泵和增压泵的流量相同,根据连续流量原理和泵的特性叠加原理,管网入口处的压力等于注水泵和增压泵的工作压力之和显然,在高压注水泵前串联一个增压泵(小功率泵),为注水泵提供吸入压力,改善其吸入性能,并以注水泵出口压力作为变频的调控信号,通过变频调速器改变增压泵的转速,从而改变增压泵的出口压力或流量,达到调控注水泵出口压力或流量的目的。通过这样的调整,可以使注水泵尽量保持在高效区运行。
三、节能原理及节能计算
对于主泵来讲,原来出口阀门无法完全打开(如果打开就会出现过流、电动机过载等),只能采用憋压运行,这样能源就浪费阀门上,采用PCP技术后,注水泵出口阀门可以完全打开,由增压泵来控制压力和流量,这样浪费在阀门上的能源就可以节约下来;增压泵的加入,提高了注水泵入口压力,从而改善了注水泵的工作状况,使注水泵的工作点向高效区移动,因此注水泵的效率得以增加;PCP技术应用主泵拆级后,原来完全由注水泵输出的能量,现在由增压泵来承担一部分。由于注水泵是多级泵,泵效相对偏低,而增压泵泵效相对比较高。由高效率的增压泵来替换低效率的注水泵的拆级部分功能,拆级后省下的能量增压泵没有用完,其差值就是节能部分,通过增压泵的变频调节,可以更进一步节约能量;PCP技术可以进行压力、流量的自动化调节,这样一来可最大限度地对泵管压差进行减少,直到趋近于零。而泵管压差的降低实际就是系统有用功率的提高,从而达到节能的目的;吸负作用,注水泵和增压泵的合理匹配,利用主泵的吸空能力可以提高系统效率,降低增压泵负荷。
通过使用增压泵变频调速可以达到以下节能效果：泵管损耗节能、拆级节能、提高注水泵效率节能、阀门开度使用时阀门基本打开节能和吸负特性节能。总的系统节能就为以上节能的总和。
四、注水系统构成
整套前置泵变频调速压力控制系统系统主要包括了四个部分。
(1)注水泵:注水泵是整个泵站的核心部分,其功率大,对系统的效率影响最大,因此,必须使注水泵工作在高效区。润滑系统、冷却系统是注水泵站的必须辅助系统,它们为主泵正常运行提供必要的保障。(2)增压泵:增压泵使用的目的主要是为了给注水泵提供前置压力,以改善注水泵的吸入能力,因为增压泵的功率较注水泵小,对其进行变频调速能很好的调节系统的压力和流量与注水泵匹配。(3)转速调节控制系统:控制增压泵驱动电动机,可以允许输出压力有0~1.5Mpa的变化范围。转速系统同样具备节能功能,该系统采用专用变频柜,实现分步控制,增压电机和注水电机的联锁控制,带有调节回路和软启动功能,负荷调节工能,大大减少对低压供电系统的扰动和破坏,实现了最佳的驱动控制性能。
采油厂注水站通过使用增压泵变频调速技术使主泵可控制始终工作在高效区,泵效由过去的76%左右提升到80%以上,单耗下降值0.41kWh/m3,有功节电率达到7.03%,节能效果显著。
五、抽油机载荷随动控制系统
抽油机载荷随动控制是依据抽油机地面功图的汇总分析而自动生成的单周期无级变速控制技术，将抽油机运行载荷曲线按照上、下冲程的方式平铺展开，多张功图重叠分析，采用一阶滞后滤波算法减少数据采集的波动，借鉴大数据分析理论降低突发事件概率，形成最终的单周期变速策略，通过单周期速度匹配模型进行变速控制。抽油机卸载后进行大幅度提速控制，加快下泵桶排空，提升抽汲效率。整个周期的速度控制是按照位移数值进行精确位置对应控制的，控制曲线由载荷曲线周期形态决定，控制点由实际载荷和理论载荷最大最小值决定，利用速度变化的反向加速度改善整个抽汲杆柱的受力情况，降低抽油杆弯曲度，增大有效冲程，提高充满度。
总之，采用增压泵变频调速技术,对串联的前置泵进行变频控制使主泵的输出压力和流量可调并始终工作在高效区,有效的控制了泵管压差,扩展了原有注水泵的应用范围,提高的注水泵的效率,解决了部分电机出现的超载运行的问题,具有显著的节能效果。
参考文献
[1]王强.南十五注水站节能降耗研究[D].东北石油大学,2017.