油田注水泵的變頻改造

尚立光，王 寧，程紅偉

（長慶油田公司第一采油廠，陜西 延安 716000）

變頻調速技術具有自動控制、運行安全可靠、維護簡單等優點，已被廣泛應用于各行各業，成為世界上公認的節電新技術之一。

安塞油田王十六轉注水站日回注原油脫出水960m3，站內安裝5SJN-12/42型柱塞泵2臺，額定排量35m3/h，額定泵壓16MPa；3175Pa-C4型柱塞泵1臺，額定排量35m3/h，額定泵壓16MPa。泵出水經高壓配水器經各干線分別至404、405、502、503及高三增配水間，各配水間下游共計有35口注水井。在傳統人工調整注水泵回流方式平穩注水壓力的方式下，由于下游注水井井口回注壓力差別大，導致部分低壓井在穩流配水器控制下提前注夠停注，注水干線及注水泵出口壓力急劇升高，出現憋停現象。另外還存在人員啟、停泵及壓力調節操做勞動強度大，設備運行效率低的問題。

一、電機變頻原理

交流電動機的同步轉速表達式為

式中：n——異步電動機的轉速；

f——電源的頻率；

s——電動機轉差率；

p——電動機極對數。

由上式可知，電動機的轉速n 與電源頻率f 成正比，只要改變頻率f 即可改變電動機的轉速，當頻率f 在0～50Hz的范圍內變化時，電動機轉速可寬范圍調節。變頻器可把工頻電源變換成某種頻率的交流電源以實現電機的變速運行。

變頻器主要由控制電路、整流電路、直流中間電路、逆變電路等組成。對于如矢量控制變頻器這種需要大量運算的變頻器來說，有時還需要一個進行轉矩計算的CPU以及一些相應的電路。

二、變頻調速注水泵的設計方案

根據安塞油田王十六轉注水站實際情況，采用一控二閉環控制，將1#、3#注水泵接入變頻系統，在變頻器中設定系統所需壓力，通過設在分水器上的壓力變送器檢測壓力并反饋回變頻器，通過PID控制器計算后，調整變頻器的輸出頻率，達到恒壓控制轉速的目的。

如圖1所示，變頻器為雙電源切換的一拖二結構，選取注水站三臺水泵中的兩臺由變頻器進行控制。如果只有一臺由變頻器驅動，則其余兩臺可為備用或工頻運行。切換柜F1～F2與S3～S4之間的互鎖由硬接線組成，不通過變頻器或上級控制系統，以保證切換時的安全性。變頻器的電源可以通過切換開關S3～S4給變頻器及注水機組供電。

圖1 變頻器設計結構圖

在注水泵停止時，可通過F1—F2手動切換控制柜來切換所需變頻注水泵運行，在每個切換柜內，工頻與變頻運行為機械互鎖，切換柜之間可以通過機械或電氣互鎖，以保證變頻器只控制一臺注水泵，其余注水泵由工頻驅動。

三、變頻裝置節能原理

1.變頻節能

由流體力學可知：

式中：P——功率；

Q——流量；

H——壓力。

式中：n——泵的轉速。

由(4)式可知，泵的功率與轉速n3成正比，如果泵的效率一定，當要求調節流量下降時，轉速n如果成比例的下降，此時軸輸出功率P就會成立方關系下降。如1臺160kW的電機，當轉速為額定轉速的4/5時，其理論功率為82.0kW，省電48.8%。

2.功率因數補償節能

由公式：

式中：P——有功功率；

Q——無功功率；

S——視在功率；

cos∮——功率因數。無功功率不僅增加線損和設備發熱，還使有功功率降低，大量的無功電能消耗在線路當中，浪費嚴重。由公式(5)可知，功率因數cos∮越大，有功功率P越大，普通異步電動機功率因數在0.6～0.7之間，使用變頻調速裝置后，由于變頻器內部濾波電容的作用，cos∮≈1.0，從而減少無功損耗，增加了電網的有功功率。

3.軟啟動節能

普通電機為直接啟動或Y/D啟動，啟動電流為4～7倍額定電流，給機電設備和供電電網造成嚴重的沖擊，并且對電網容量要求過高，啟動時產生的大電流和機械震動對泵體和閥門的損害極大，同時影響管路的使用壽命。采用變頻器運轉，啟動電流被限制在150%額定電流以下，電機可平穩啟動。啟動轉矩為額定轉矩的70%～120%。對于帶有轉矩自動增強功能的變頻器，啟動轉矩為100%以上，可全負載啟動。減輕了對電網的沖擊和對供電容量的要求，延長了設備和閥門的使用壽命，節省了設備的維護費用。

4.減小局部水頭損失節能

目前，采用閥門來調節流量較為普遍，這種節流方法可浪費大量電能，而且使泵工作在低效率點。采用變頻調整泵流量可回收這部分電能損耗達到節能效果。

四、運行效果評價

該變頻器于2011年8月在王十六轉2#注水泵電機安裝正式運行，使用變頻器前后的耗電情況統計見表1及表2。

表1 2011年7月2#注水泵電機安裝變頻器前的耗電情況

表2 2011年8月2#注水泵電機安裝變頻器后的耗電情況

由表1、表2可以看出，2#注水泵電機安裝變頻器前后的注水單耗從7.1下降到6.5，其節電率為8.45%。

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