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(diào)速技術(shù)具有自動(dòng)控制、運(yùn)行安全可靠、維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，成為世界上公認(rèn)的節(jié)電新技術(shù)之一。

安塞油田王十六轉(zhuǎn)注水站日回注原油脫出水960m3，站內(nèi)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(jīng)高壓配水器經(jīng)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(jì)有35口注水井。在傳統(tǒng)人工調(diào)整注水泵回流方式平穩(wěn)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(dǎo)致部分低壓井在穩(wěn)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(xiàn)憋停現(xiàn)象。另外還存在人員啟、停泵及壓力調(diào)節(jié)操做勞動(dòng)強(qiáng)度大，設(shè)備運(yùn)行效率低的問題。

一、電機(jī)變頻原理

交流電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速表達(dá)式為

式中：n——異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；

f——電源的頻率；

s——電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率；

p——電動(dòng)機(jī)極對數(shù)。

由上式可知，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n 與電源頻率f 成正比，只要改變頻率f 即可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率f 在0～50Hz的范圍內(nèi)變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可寬范圍調(diào)節(jié)。變頻器可把工頻電源變換成某種頻率的交流電源以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)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(yùn)算的變頻器來說，有時(shí)還需要一個(gè)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩計(jì)算的CPU以及一些相應(yīng)的電路。

二、變頻調(diào)速注水泵的設(shè)計(jì)方案

根據(jù)安塞油田王十六轉(zhuǎn)注水站實(shí)際情況，采用一控二閉環(huán)控制，將1#、3#注水泵接入變頻系統(tǒng)，在變頻器中設(shè)定系統(tǒng)所需壓力，通過設(shè)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(jì)算后，調(diào)整變頻器的輸出頻率，達(dá)到恒壓控制轉(zhuǎn)速的目的。

如圖1所示，變頻器為雙電源切換的一拖二結(jié)構(gòu)，選取注水站三臺水泵中的兩臺由變頻器進(jìn)行控制。如果只有一臺由變頻器驅(qū)動(dòng)，則其余兩臺可為備用或工頻運(yùn)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(tǒng)，以保證切換時(shí)的安全性。變頻器的電源可以通過切換開關(guān)S3～S4給變頻器及注水機(jī)組供電。

圖1 變頻器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

在注水泵停止時(shí)，可通過F1—F2手動(dòng)切換控制柜來切換所需變頻注水泵運(yùn)行，在每個(gè)切換柜內(nèi)，工頻與變頻運(yùn)行為機(jī)械互鎖，切換柜之間可以通過機(jī)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(qū)動(dòng)。

三、變頻裝置節(jié)能原理

1.變頻節(jié)能

由流體力學(xué)可知：

式中：P——功率；

Q——流量；

H——壓力。

式中：n——泵的轉(zhuǎn)速。

由(4)式可知，泵的功率與轉(zhuǎn)速n3成正比，如果泵的效率一定，當(dāng)要求調(diào)節(jié)流量下降時(shí)，轉(zhuǎn)速n如果成比例的下降，此時(shí)軸輸出功率P就會成立方關(guān)系下降。如1臺160kW的電機(jī)，當(dāng)轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的4/5時(shí)，其理論功率為82.0kW，省電48.8%。

2.功率因數(shù)補(bǔ)償節(jié)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(shù)。無功功率不僅增加線損和設(shè)備發(fā)熱，還使有功功率降低，大量的無功電能消耗在線路當(dāng)中，浪費(fèi)嚴(yán)重。由公式(5)可知，功率因數(shù)cos∮越大，有功功率P越大，普通異步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)在0.6～0.7之間，使用變頻調(diào)速裝置后，由于變頻器內(nèi)部濾波電容的作用，cos∮≈1.0，從而減少無功損耗，增加了電網(wǎng)的有功功率。

3.軟啟動(dòng)節(jié)能

普通電機(jī)為直接啟動(dòng)或Y/D啟動(dòng)，啟動(dòng)電流為4～7倍額定電流，給機(jī)電設(shè)備和供電電網(wǎng)造成嚴(yán)重的沖擊，并且對電網(wǎng)容量要求過高，啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的大電流和機(jī)械震動(dòng)對泵體和閥門的損害極大，同時(shí)影響管路的使用壽命。采用變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)，啟動(dòng)電流被限制在150%額定電流以下，電機(jī)可平穩(wěn)啟動(dòng)。啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的70%～120%。對于帶有轉(zhuǎn)矩自動(dòng)增強(qiáng)功能的變頻器，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為100%以上，可全負(fù)載啟動(dòng)。減輕了對電網(wǎng)的沖擊和對供電容量的要求，延長了設(shè)備和閥門的使用壽命，節(jié)省了設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用。

4.減小局部水頭損失節(jié)能

目前，采用閥門來調(diào)節(jié)流量較為普遍，這種節(jié)流方法可浪費(fèi)大量電能，而且使泵工作在低效率點(diǎn)。采用變頻調(diào)整泵流量可回收這部分電能損耗達(dá)到節(jié)能效果。

四、運(yùn)行效果評價(jià)

該變頻器于2011年8月在王十六轉(zhuǎn)2#注水泵電機(jī)安裝正式運(yùn)行，使用變頻器前后的耗電情況統(tǒng)計(jì)見表1及表2。

表1 2011年7月2#注水泵電機(jī)安裝變頻器前的耗電情況

表2 2011年8月2#注水泵電機(jī)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(jī)安裝變頻器前后的注水單耗從7.1下降到6.5，其節(jié)電率為8.45%。

[1]蔣楊貴.輸油技術(shù)讀本[M].北京：石油大學(xué)出版社，2003.

[2]趙玉華等.大慶老油田節(jié)能降耗技術(shù)[J].石油規(guī)劃設(shè)計(jì)，2000，11(3)4～7.

[3]陳允中，曹占友，鄧國強(qiáng)，黃紅梅等.泵手冊[S].北京：中國石化出版社，2003.

[4]劉合.油田聯(lián)合站集輸系統(tǒng)控制技術(shù)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2004.