解析TD2000变频器在油田注水系统中的应用

　　油田注水普遍采用柱塞泵，柱塞泵是液压系统的一个重要装置。它依靠柱塞在缸体中往复运动，使密封工作容腔的容积发生变化来实现吸油、压油。柱塞泵具有额定压力高、结构紧凑、效率高和流量调节方便等优点，被广泛应用于高压、大流量和流量需要调节的场合，诸如液压机、工程机械和船舶中。柱塞泵柱塞往复运动总行程L是不变的，由凸轮的升程决定。柱塞每循环的供油量大小取决于供油行程，供油行程不受凸轮轴控制是可变的。供油开始时刻不随供油行程的变化而变化。转动柱塞可改变供油终了时刻，从而改变供油量。柱塞泵工作时，在喷油泵凸轮轴上的凸轮与柱塞弹簧的作用下，迫使柱塞作上、下往复运动，从而完成泵油任务，在工频条件下，由于电机转速恒定，柱塞往复频率是恒定的，因此，排量也是恒定的。在油田的实际开发过程中，对注水量的需求是变化的，同时，由于柱塞、阀片长期满载、高速工作，填料的磨损以及阀片的损坏频率也很高。回流调节阀长期处于半开状态，受高压水的冲击，阀心容易磨损、变形导致关闭不严，给生产带来不便。

　　另一方面，注水泵电机一般配置功率都较大，启动冲击电流大，对附近的设备有影响，而且能耗也大。

　　从吐鲁番采油厂实际运行情况看，去年，雁木西、神泉开一台泵就能满足配注要求，随着注水井的增加以及单井配注量的改变，需要增开一台泵，鲁2块试注虽然只要一口注水井，也需开启一台泵，导致用电负荷增大。为了改善注水泵的运行工况。注水井是用来向油层注水的井。在油田开发过程中，通过专门的注水井将水注入油藏，保持或恢复油层压力，使油藏有较强的驱动力，以提高油藏的开采速度和采收率。依据油藏的构造形态、面积大小、渗透率高低、油、气、水的分布关系和所要求达到的开发指标，选定注水井的分布位置和与生产井的相对关系（称注水方式）。注水井井距的确定以大多数油层都能受到注水作用为原则，使油井充分受到注水效果，达到所要求的采油速率和油层压力。注水井的吸水能力主要取决于油层渗透率和注水泵压，为使油层正常吸水，注水泵压应低于油层破裂压力。

　　1 变频调速应用于注水泵的意义

　　异步电机的转速与其电源频率成正比，即：

　　n=60f（1一s） ， （1）

　　式中 n—— 电机转速，rpm；

　　f——电源频率，Hz；

　　s——异步电机的转差率，％ ；

　　p—— 电机极对数。

　　变频调速就是通过改变电机定子绕组供电的频率（f）来达到调速的目的，其基本原理是通过整流一稳压一逆变，把50 Hz的工频电源转换为频率可调的电源，应用于电机，从而达到调整电机转速的目的。变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系： n =60 f（1-s）／p，（式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数）；通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。

　　在注水泵上使用变频技术，就可以实现对泵的排量的控制。这样，在一定范围内，实际配注需要多少量，注水泵就排出多少量，消除泵的无效回流，改善泵的运行工况，降低对设备的磨损。而且，通过使用变频器，可使电机平滑启动，方便的调节转速，在轻载、低频的情况下，还具有很好的节能效果。

　　2 电气设计

　　由于注水泵属平方转矩负载，因此，通过选用艾默生TD20OOG型变频器作为变频控制的主体，利用变频器自带的控制调节功能，结合注水泵及电机所需的保护以及注水工艺要求，完成了变频控制柜的设计。

　　2.1 变频柜设计

　　（1）变频柜要实现一柜两泵的控制功能，变频柜，普通的动力柜或控制柜由传统拖动方式改为变频拖动方式。简而言之：应用变频器拖动动力装置的控制柜。因其良好的启动性能、调速性能和节能效果而成为当前推广的动力拖动方式。既控制柜中通过手动切换、选择，可以使一台变频器分别应用于相邻的两台注水泵，这样，在一台泵有故障时，可以通过电气切换使另一台泵使用变频，提高变频器的利用率。

　　（2）注水泵自带的保护（进出口压力、机油压力、电机温度等）信号进变频柜，实现连锁保护。

　　（3）利用变频器自带的PID调节模块，设计闭环控制功能，通过检测泵出口汇管压力，与设定压力进行PI运算，自动控制变频器的输出频率。

　　（4）旁路功能：即变频柜的电源接人考虑两个回路，分别引自两台原注水泵启动柜电源，人口、出口设切换开关，这样，在变频柜有故障时，可以使用原启动柜控制注水泵。

　　2.2 主电路设计

　　为了实现一柜两泵的功能，在主电路设计中，考虑了变频器的双入双出回路，通过交流接触器1KM、2KM选择变频器的电源；通过交流接触器KM1、KM2控制变频器输出到两台泵（图1）。

　　控制电路如图2：通过转换开关1SA选择接通1 或2 注水泵，同时，通过主电路交流接触器辅助触电实现互投互锁。

　　对于注水泵、电机的保护（泵进出口压力、润滑油压力、电机温度等），设计中立足于原有设施，通过把原检测信号引入变频柜来实现。考虑到变频器要实现对两台泵的控制，设计中把保护信号通道的选择控制用注水泵主接触器的辅助触电来完成，无须外部干预，也避免误操作，原理图见图3。

　　2.3 调节控制电路设计

　　由于TD2000变频器带有内置的PI调节器以及24VDC输出，因此，在其调节控制电路设计中，不用外配PLC，利用其内置的模块就能构成简单的闭环控制回路。详见图4，压力变送器检测汇管压力，输出4—20 mA信号给变频器CCI端，经转换，与调节电位器给定的信号进行PI运算，输出调节信号给逆变器，控制输出频率，实现闭环调节。

　　3 现场应用

　　按照以上设计，委托开关厂进行了柜体组装，并于今年5—7月完成了雁木西、神泉、葡北及玉东的安装、调试。现场实验中发现，在低频工况下，电机温升较高，不利于运行。
　　通过引进变频器，使四个油田注水系统运行工况得到了很大改善。其中，神泉变频器设定频率40 Hz，注水泵无回流；雁木西变频器设定频率20Hz，回流减小到4 m ／h；鲁2变频器设定频率25Hz，回流量也大大减少，基本实现了改造目的。

　　4 效益测算

　　从节能监测的结果看，鲁2注水泵在未使用变频器的情况下，每天耗电量为840 kWh，使用变频器后，注水泵有功节电率为32.83％，综合节电率达到41.3％ 。全年变频柜投用时间按300 d计算，年节电量为：840×0.413×300=104 076 k 。

　　目前电价为0.74～／kWh ，则每年可节电费：104 076×0.74=77 016.24元。

　　单台变频柜的投入成本为11.7 X 10 元，投资回收期为117 000／77 016=1.51年。经济效益非常明显。

　　5 结论

　　注水泵应用变频调速技术，可以有效改善系统工况，方便配注量的调节，而且可以节省电能，延长填料的使用周期，减小设备的磨损，是一种值得推广的新型拖动技术。