產品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
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解決方案
高壓變頻器在勝利油田柱塞泵上的應用
1 引言
油田的油井注水是油田生產的關鍵環節。在一些供液不足的油井，需要先向井內注入一定量的水，將油稀釋，并將液面提升到一定高度，才易于開采。柱塞泵是滿足油田注水，保證地層壓力的關鍵設備，隨著油田開采進入中后期，油田注水量也將逐年加大，并呈逐年顯上升趨勢。在高壓注水系統中，高壓電機中大馬拉小車的現象比較普遍，柱塞泵泵壓與注水管線干壓之間存在較大的壓差，這樣既造成大量的電能被白白地消耗掉，同時又由于泵壓較高，對機泵的運行，管道的使用十分不利。
2 柱塞泵的工作特點及節能原理
柱塞泵又稱往復泵，它主要是依靠泵缸內作往復運動的柱塞來改變工作室的容積，從而達到吸入和排出液體的目的。它依靠往復運動的柱塞，將機械能以靜壓形式直接傳遞給液體，泵體內的水力損失較小。它的突出優點是注水壓力高、泵效高，因此，在國內油田中得到了日益廣泛的應用。
但需要指出的是，在一定的轉速和往復次數下，柱塞泵的流量幾乎不隨壓力的改變而改變，而注水系統的實際注入量則因各種原因不斷發生變化，這樣就會經常因為泵的流量高于實際注水量，使管網中出現壓力過高的現象。因此造成的弊端有二：一是易引起爆管事故，不利于安全運行；二是管網壓力越高，表明水泵所做的無用功也越多，即泵效越低。
變頻調速技術的節能效果分析
根據柱塞泵的流量公式
Q=FSn=i×（лd2/4）×S×n
式中 i—柱塞數
F—柱塞截面積
n—柱塞每分鐘往復次數
S—沖程
可知，改變柱塞泵流量的方式有二，一是柱塞直徑；二是改變柱塞往復次數，即電機的轉速，第一種方式，經常改變柱塞直徑是不現實的，采用第二種方式有更強的科學性和可操作性。即根據變頻調速原理，預先在泵出口設定一個恒定不變的壓力值H1（H1為滿足油田生產所需的壓力值），通過調整柱塞泵的運行工況，實現恒壓變量注水。
安裝變頻調速裝置后，依據注水管網需要的壓力進行參數設定，自動調節注水量，既可節約大量的電能又能降低機泵的損耗，對降低油田生產成本有著十分積極的意義。
3 用戶情況
勝利油田某注水站有兩臺1100kW/6kV的注水泵，采用直接驅動方式控制，一用一備，柱塞流量通過控制出口閥門打回流的方式進行調節，造成大量節流損失，柱塞泵運行在低效率工作區，浪費嚴重。目前月注水流量為125956.9m3，夏秋季節注水量相應降低，運行中柱塞實際泵壓為15.5MPa，注水管網實際運行壓力為11.8MPa，為此注水電機運行時必須靠調節注水泵出口高壓回流閥門來控制注水管網壓力，以維持聯網注水平衡。這樣就造成泵壓與管網干壓平均壓差達到3MPa以上，造成了大量的電能浪費。
通過綜合調研和考慮，該用戶選用了新風光電子公司JD-BP37-1250F型號的高壓變頻器，改造取得了成功。
4新風光JD-BP37-1250F高壓變頻器的技術參數
為確保柱塞注水系統的穩定性、安全性和經濟性，該注水泵機組選用帶一拖二手動旁路的新風光JD-BP37-1250F高壓變頻器。它采用直接“高-高”形式，風光牌JD-BP37系列高壓變頻器以高速DSP為控制核心，采用無速度矢量控制技術、功率單元串聯多電平技術，屬高-高電壓源型變頻器，其諧波指標小于IEEE519-1992的諧波標準，輸入功率因數高，輸出波形質量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數補償裝置和輸出濾波器；不存在諧波引起的電機附加發熱和轉矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，可以使用普通的異步電機。
JD-BP37-1250F高壓變頻器技術參數如表1所示。
5注水系統恒壓工作原理、PID設定
針對現場存在的問題，系統優化改造主要需解決兩方面的問題：第一，在滿足系統配注水量的基礎上盡可能減少排量損失；第二，在滿足注水壓力的前提下盡可能減少泵管壓差，即減少壓力損失。因此采用的是注水系統恒壓控制方式，其工作原理如圖1所示，測量元件為壓力傳感器，將它設在柱塞水泵機組出水管網上，Vi為恒定注水壓力設定值，注水壓力V作為輸出量，構成閉環控制系統。變頻器內部的PLC采集注水壓力值V與用戶給定值Vi進行比較和運算，通過PID進行調整，將結果轉換為頻率調節信號送至變頻器，直至達到注水壓力的給定值Vi。不管系統注水流量如何變化，注水壓力值V始終維持在給定壓力值Vi附近。
（1）在PID控制中，P系數加大，可以加快調節速度。但如果過大，系統容易因超調而震蕩。若P太小，又會使系統的動作緩慢。P可正可負。如果比例系數為正，那么該回路為正作用回路；如果比例系數為負，那么該回路為反作用回路。本變頻器P設定為0.30。
（2）積分I的作用主要是消除系統的靜態誤差。但過強的積分作用使注水系統超調加大。所以在調節過程初期，應減弱積分作用，防止產生積分飽和現象；而到過程后期，應適當增強積分作用，以提高控制精度。本變頻器I設定為10.0。
風光高壓變頻器內置PID功能，其中PID 結構參數具有以下選擇方式：
0：比例 PID 控制只比例增益起作用
1：積分 PID 控制只積分增益起作用
2：比例+ 積分 PID 控制比例增益和積分增益同時起作用
3：比例+ 積分+ 微分 PID 控制比例增益、積分增益和微分增益同時起作用
本變頻器PID參數PID結構選擇2，比例+積分 PID 控制比例增益和積分增益同時起作用，完全可以滿足注水系統的壓力恒定要求，不需要設定微分參數。
6改造主回路
該注水站結合該自身的實際情況，為滿足泵站的安全運行需求，要求柱塞水泵電機一用一備設置，選擇新風光高壓變頻調速系統采用一拖二手動運行方式（變頻器分別接1100kW水泵2臺）。其主回路圖如圖2所示，其中K1刀閘與K4刀閘互鎖，保證兩路高壓電源不會同時作用于變頻回路；K2刀閘與K3刀閘互鎖，保證工頻電源與變頻電源不會同時作用于電機M1；K5刀閘與K6刀閘互鎖，保證工頻電源與變頻電源不會同時作用于電機M2。
選用一拖二結構，可以保證在電機在故障時通過刀開關的調節，變頻啟動備用水泵。
7 變頻器運行情況
7.1節能計算
該注水站水泵變頻節電改造后，2016年6月初，正式投入生產，至今運行正常。系統達到了預期的效果。柱塞泵變頻改造后，用電量明顯下降，設備實現了軟起動，改善了設備的運行工況，極大地減輕了設備起動時對電網的沖擊。
注水泵電機安裝變頻器前后的注水單耗從6.38kW.h/m3下降到5.74kW.h/m3，該泵每月正常按注水量為125956.9m3左右，每度電按0.5元計算，則每月節省電費：（6.38-5.74）×125956.9×0.5=40180.24元。
7.2其他效果
（1）維護量減少。采用變頻調速后，大部分時間里，泵的運行轉速大大低于泵的額定轉速。由于注水泵啟動緩慢及轉速的降低，減少了泵的零部件密封、軸承的磨損，相應地延長了柱塞泵的壽命。
（2）工作強度降低。采用變頻恒壓閉環調節就不用調節出口回流閥，操作工作由動手轉變為自動、監控，完全實現油田生產的無人操作，大大減輕了工人的勞動強度。
（3）現場噪音大大降低，有效改善現場的運行環境，運行人員反映良好；便于實現注水泵機組控制系統自動化管理。
8結束語
油田的注水系統非常多，通過使用變頻裝置具有控制精度高，節能等優點，在油田注水系統中使用變頻技術，是采油廠及油田生產中節能降耗非常重要的一種手段。
