油田注水泵的变频改造

尚立光，王 宁，程红伟

（长庆油田公司第一采油厂，陕西 延安 716000）

变频调速技术具有自动控制、运行安全可靠、维护简单等优点，已被广泛应用于各行各业，成为世界上公认的节电新技术之一。

安塞油田王十六转注水站日回注原油脱出水960m3，站内安装5SJN-12/42型柱塞泵2台，额定排量35m3/h，额定泵压16MPa；3175Pa-C4型柱塞泵1台，额定排量35m3/h，额定泵压16MPa。泵出水经高压配水器经各干线分别至404、405、502、503及高三增配水间，各配水间下游共计有35口注水井。在传统人工调整注水泵回流方式平稳注水压力的方式下，由于下游注水井井口回注压力差别大，导致部分低压井在稳流配水器控制下提前注够停注，注水干线及注水泵出口压力急剧升高，出现憋停现象。另外还存在人员启、停泵及压力调节操做劳动强度大，设备运行效率低的问题。

一、电机变频原理

交流电动机的同步转速表达式为

式中：n——异步电动机的转速；

f——电源的频率；

s——电动机转差率；

p——电动机极对数。

由上式可知，电动机的转速n 与电源频率f 成正比，只要改变频率f 即可改变电动机的转速，当频率f 在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速可宽范围调节。变频器可把工频电源变换成某种频率的交流电源以实现电机的变速运行。

变频器主要由控制电路、整流电路、直流中间电路、逆变电路等组成。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。

二、变频调速注水泵的设计方案

根据安塞油田王十六转注水站实际情况，采用一控二闭环控制，将1#、3#注水泵接入变频系统，在变频器中设定系统所需压力，通过设在分水器上的压力变送器检测压力并反馈回变频器，通过PID控制器计算后，调整变频器的输出频率，达到恒压控制转速的目的。

如图1所示，变频器为双电源切换的一拖二结构，选取注水站三台水泵中的两台由变频器进行控制。如果只有一台由变频器驱动，则其余两台可为备用或工频运行。切换柜F1～F2与S3～S4之间的互锁由硬接线组成，不通过变频器或上级控制系统，以保证切换时的安全性。变频器的电源可以通过切换开关S3～S4给变频器及注水机组供电。

图1 变频器设计结构图

在注水泵停止时，可通过F1—F2手动切换控制柜来切换所需变频注水泵运行，在每个切换柜内，工频与变频运行为机械互锁，切换柜之间可以通过机械或电气互锁，以保证变频器只控制一台注水泵，其余注水泵由工频驱动。

三、变频装置节能原理

1.变频节能

由流体力学可知：

式中：P——功率；

Q——流量；

H——压力。

式中：n——泵的转速。

由(4)式可知，泵的功率与转速n3成正比，如果泵的效率一定，当要求调节流量下降时，转速n如果成比例的下降，此时轴输出功率P就会成立方关系下降。如1台160kW的电机，当转速为额定转速的4/5时，其理论功率为82.0kW，省电48.8%。

2.功率因数补偿节能

由公式：

式中：P——有功功率；

Q——无功功率；

S——视在功率；

cos∮——功率因数。无功功率不仅增加线损和设备发热，还使有功功率降低，大量的无功电能消耗在线路当中，浪费严重。由公式(5)可知，功率因数cos∮越大，有功功率P越大，普通异步电动机功率因数在0.6～0.7之间，使用变频调速装置后，由于变频器内部滤波电容的作用，cos∮≈1.0，从而减少无功损耗，增加了电网的有功功率。

3.软启动节能

普通电机为直接启动或Y/D启动，启动电流为4～7倍额定电流，给机电设备和供电电网造成严重的冲击，并且对电网容量要求过高，启动时产生的大电流和机械震动对泵体和阀门的损害极大，同时影响管路的使用寿命。采用变频器运转，启动电流被限制在150%额定电流以下，电机可平稳启动。启动转矩为额定转矩的70%～120%。对于带有转矩自动增强功能的变频器，启动转矩为100%以上，可全负载启动。减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备和阀门的使用寿命，节省了设备的维护费用。

4.减小局部水头损失节能

目前，采用阀门来调节流量较为普遍，这种节流方法可浪费大量电能，而且使泵工作在低效率点。采用变频调整泵流量可回收这部分电能损耗达到节能效果。

四、运行效果评价

该变频器于2011年8月在王十六转2#注水泵电机安装正式运行，使用变频器前后的耗电情况统计见表1及表2。

表1 2011年7月2#注水泵电机安装变频器前的耗电情况

表2 2011年8月2#注水泵电机安装变频器后的耗电情况

由表1、表2可以看出，2#注水泵电机安装变频器前后的注水单耗从7.1下降到6.5，其节电率为8.45%。

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[3]陈允中，曹占友，邓国强，黄红梅等.泵手册[S].北京：中国石化出版社，2003.

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