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，同時在實際生產中，日注水量又總是一個波動較大的參數。特別是在高壓注水系統中，大馬拉小車的現象比較普遍，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采用交流變頻調速" title="變頻調速">變頻調速裝置創造了條件。變頻裝置依據注水管網需要的壓力進行參數設定，自動調節注水量，既節約大量的電能又降低了機泵的損耗，對降低油田生產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，實現合理注水，需不斷調整注水泵的運行方式。在沒有調速措施的情況下，只能通過開泵臺數或人工調節閥門來控制流量，必然造成注水系統能耗增高。以采油作業二區為例進行分析：
采油作業二區的注水任務主要由沈二注水站與沈四注水站聯網運行共同承擔，聯網主干管線約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，所以只能靠調節閥門的開度來調節注水量的大小，人為地改變了管網的阻力，增加了管網損耗，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，不但不能夠經濟運行，而且增加了工人的工作量，調節不及時還會造成管網壓力過高或過低，流量過大或過小，影響生產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。同時在變頻調速裝置的參與下，通過優化仿真，根據最優原則運行注水泵和調整注水管網的流量和壓力，盡可能減少配水間及井口節流損失，從而使整個注水系統在高效區運行，達到節能地目的。
三、注水系統進行高壓變頻" title="高壓變頻">高壓變頻改造方案
1、水泵調速運行的節能原理
水泵工頻定速運行時，為了保證管網壓力及流量，同時保證電機不過載，只能靠改變泵出口閥門來調節泵的運行。水泵經關閥調節后，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，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整裝置的情況下，只能通過關閥調節使出水量保持在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需要多得多，多余的能量在閥上表現為熱量損耗，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。用調節閥控制減小流量，能量損失相當大。利用變頻器調速，使電動機驅動泵在可變速情況下工作，要使得泵的特性曲線與系統在任何流量條件下的需要相匹配，流量與電機轉速" title="電機轉速">電機轉速成正比，產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，無級變頻調速后可得到AB～CD無數條水泵特性曲線，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，其節能效果相當可觀。
2、設備改造及運行情況
經過我方多次論證，根據采油作業二區注水系統運行及現場實際情況，決定在沈四注水站1800KW注水電機上采用利德華福公司生產的HARSVERT-A06/220高壓大功率變頻器，該設備具有如下優點：
全中文WINDOWS操作界面，彩色液晶觸摸屏；
輸入功率因數" title="功率因數">功率因數高，電流諧波少，無須功率因數補償/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；
完整的故障監測電路、精確的故障報警保護；
內置PLC，易于改變控制邏輯關系，適應多變的現場需要；
可靈活選擇現場控制/遠程控制；
可接受和輸出0～10V/4～20mA工業標準信號；
可根據用戶需要內置PID調節器；
完整的通用變頻器參數設定功能；
高效率（>96%）
HARSVERT-A06/220高壓變頻調速設備于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，最初采用開環方式運形，即通過觀測注水量變化，人工調節電機頻率，改變電機轉速，采集不同流量、壓力變化點，摸索運行經驗，2003年8月27日改到閉環運行，通過采集管網干壓壓力信號，追蹤管網壓力幅值的變化，自動調節電機轉速，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生氣蝕現象，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、實際管網壓力的瞬時變化和累計數據，便于現場工作人員進行節能分析和管理。
四、節能及經濟效益分析
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電量、注水量進行了認真的統計，并與2002年同期統計數據進行比較、分析，結論如下：
1、直接經濟效益
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，則年可節約電量為231×104KWh，節約電費為106.26萬元。
2、間接經濟效益
1）在工頻50Hz電網直接啟動時,對電網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,則每年的起動節能也是很可觀的。
2）當采用變頻調速時，50Hz滿載時功率因數為接近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濾波電容產生的改善功率因數的作用,可以為電網節約容量。
3）采用變頻調速后，可以避免因通過閥門控制使泵過多偏離額定工作區而引起的振動，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，節約大量維護費用。
五、總結
1、根據高壓大功率變頻器在油田注水系統的運行情況以及實際節能效果來看，對注水泵采用變頻調速裝置的改造達到了預期的效果，實現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現，本系統中高壓變頻器的節能效果與系統管網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律，尋找一個最佳的運行工況點，以便充分發揮高壓變頻裝置的性能；挖掘更大的節能潛力。
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節，則綜合節能效果會更佳。
4、通過目前運行單耗對比分析，二年內即可收回高壓大功率變頻系統改造的全部投資。