注水变频技术在注水站运用中专

摘要：交流变频调速技术由于其优良的节能特性和调速特性，在国民经济和日常生活中发挥着日益重要的作用。油田开发过程中，对注水压力、流量等提出了严格要求。本文介绍了注水站注水泵的变频控制设计及调试过程，指出了采用变频控制的意义，展示了该类设备变频控制的前景。
关键词： 注水站 变频技术 恒压注水 节能
地层能量在油田开发过程中不断衰减，常用注水方式以保持地层能量，进行油田开发。一方面，注水压力高低是决定油田合理开发和地面管线及设备状态的重要参数。注水压力的波动导致注水量不均匀，不稳定。注水压力控制难度大，也给油田生产和管理带来诸多不便，因而要求油田注水压力恒定。
另一方面，油田注水设备多采用高压离心泵匹配高压电动机，大功率系统运行常是“大马拉小车”，效率低下。

一、变频技术在注水站的应用概况

油田的油井注水是油田生产的关键环节。从恒压注水和节能两个方面考虑，在油田注水系统中需要引入变频控制。应用变频调速技术，对注水设备的电动机转速进行调节，达到稳压、稳流供注水。同时软起软停功能代替减压启动，使电动机起停平稳，减少对电网和机械设备的冲击，不会造成管网压力、流量、流速剧烈变化，无需阀门截流，因此对防止汽蚀、水击、喘振极为有利，可延长管网、泵、阀门维修周期和使用寿命。
胜利油田东胜集团信远公司采油二队河122注水站，就是一个集中注水站，采用活塞式注水泵，排量为23m3/h，压力为12MPa，电机为中压400V/75kW的电机。
为了实现恒压注水，以对管道实施有效的保护，公司在综合考虑各方面因素后，决定采用变频控制，通过压力传感器的变化自行调整电机的转速，压力低时转速升高，压力高时转速降低，使管道压力保持恒定，并设置压力报警，进口低压报警，超低压停机；出口高压报警，超高压停机功能，满足注水泵工况的需求。

二、变频控制柜的功能

根据以上情况，油田公司提出了对变频控制柜的要求如下：

1、0.4kV恒压注水变频柜的技术招标

（1） 变频柜的变频器功率：90kW（2台）；
（2） 输入电压：1140V±15%，50Hz；
（3） 注水工作压力：0-25Mpa；
（4） 变频柜具有手动调频和PID自动调节模式。

2、变频柜具有的功能

（1）注水泵超压报警，超高压停机功能（其值可设定）；
（2）入口低压报警，超低压停机功能（其值可设定）；
（3）润滑油高温报警停机（其值可设定）；
（4）故障停机报警（声音有时间设定，光有复位按钮）；
（5）具有数据储存功能：电压，电流，输出功率，故障记录；
（6）具有完善的电气保护功能：过压，低压，过流，欠载，输入输出缺相，保护值及时限可设定；
（7）具有RS-485数据通讯接口；
（8）柜体冷却风扇温控设定功能；
（9）变频柜面板显示：电压，电流，运行频率，注水压力；
（10）设现场主控操作转换开关；
（11）配压力变送器4只（具有数值显示）：0-25MPa：2只； 0-

2.5MPa：2只；

（12）设工频启动；
（13）设现场控制箱，显示频率，注水压力，具有：启动，停止，频率调节按钮。

三、中压变频器的原理

1、变频器的原理

三相异步电动机的转速公式：
n=60f（1—s）/p 式中： n——电动机转速；
f——供电频率；
s——电机的转差率；
p——电机的极对数。
在该式中，若保持p（极对数）、S（转差率）不变，平滑的改变电机的供电频率，则电机转速n=Kf（k为比例系数），即可得到平滑的改变，这就是变频调速的原理。

2、中压三电平电路

为了适应电压等级及负载的要求，采用了三电平电路（亦称中点箝位电路）。
其中主电路每相接有4只IGBT，串联承担全部的电压，三相交流电经全波整流后变成直流电，由单片机控制4只IGBT的导通与截止，形成SPWM的交变输出。为抑制IGBT交变过程中的电压突变，采用了中点箝位电路，有2只快恢复二极管串联组成箝位二极管，其中心点与滤波电容的中心点相连接，组成本电路的中心点（三电

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平的中心电平）。

3、控制柜的制作

根据油田公司的要求及现场的特殊情况，对控制柜进行了精心制作。
（1）系统的控制概况：
要实现自动控制，用压力变送器和PID调节器与变频器构成恒压闭环系统。
工作过程为：在系统中采用了进口、出口2个压力变送器，分别检测进口和出口的压力。进口压力变送器将检测值送入进口PID1，进行压力显示，并通过参数设置，进行低压报警及超低压停机控制。
出口压力变送器将检测值送入出口PID2，进行出口压力显示，并通过参数设置，一是控制变频器的频率，进而调节水泵的转速，达到自动控制的目的；二是进行高压检测，实现高压报警及超高压停机控制功能。
在注水泵润滑油路系统中，为了控制油温，采用热电偶检测润滑油的温度，并将检测值送入PID3，进行油温报警控制。
（2）控制柜设计
采用了工、变频切换的方式，以保证在变频控制出现问题时能暂时投入工频运行，保证生产的连续性。在输出端还接有电机保护仪，可以随时显示运行的电压、电流值，并可通过现场设置，对负载进行有效的保护，如过压、欠压、过载及电流不平衡等。
通过PID的报警接点及参数设置，可进行系统高低压报警及超压停机控制。（3） 远控设置
为了方便于操作人员，系统还设置了远控装置。远控装置上也设有一个PID，与现场的PID串接，便于操作人员监控及操作。

四、系统的设定

系统设定的关键是各种参数的设定。主要是PID的参数选择。要正确设置P、I、D三个参量，使系统稳定运行，可先让PID自整定，根据整定出的数值再适当调整，使变频器的频率变化能实时地跟踪系统压力的变化，直到系统稳定为止。
对于各种报警参数的设置，可依据PID调节仪的说明书进行设定，对于出口PID，可将AL2设定为上限报警，输出控制报警器，将AL1利用正偏差报警设定为超高压输出。对于进口PID，可将AL2设定为下限报警，利用负偏差报警设定为超低压输出，即可实现各种控制功能。

五、系统运行情况

系统经安装调试以后，已正常运行一年。实现以下功能：
1、实现了恒压自动跟踪调速。在运行中，通过压力变送器的调节，变频器能自动跟踪

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压力的变化，实时地调节运行频率，使管道压力恒定，没有出现大的波动。
2、在进出口压力大范围波动时，能实施有效的保护。根据现场要求，在进口设定压力为0.8MPa，在0.5MPa时低压报警，低于0.2MPa时停机。在出口设定正常压力为8MPa，在10MPa时高压报警，在12MPa时停机。有效地保护了管道及水泵，不使其超压或过载运行，效果良好。

3、柜体防护性能好。由于作了双层防护，能良好的隔沙、隔尘，保持清洁。

4、变频器及电机保护仪对电机保护性能良好，过压、欠压、过载及短路都能实施有效的保护，有利于保护电机及负载。

5、节能效果明显。对于泵类负载，用变频控制可以实现大量的节能。

六、结论
通过对该系统的改造，自动控制，节能运行，保护功能等都有较明显的特色。油田的注水泵系统非常多，有中压的，大多数还是低压的，应用本系统进行改造，其效果都是一样的。因此在油田注水站推广应用，可以实现节能增效的目的。
参考文献：
张丽伟. 注水前置泵变频调速技术[J]；油气田地面程；2011（05）
徐建，郭明.变频调速装置在油田注水站中的应用[J]；油气田地面工程；2004（02）