摘要：介紹了以TD2000變頻調(diào)速器為核心開(kāi)發(fā)的一種注水泵控制柜以及應(yīng)用，對(duì)注水泵推廣應(yīng)用變頻技術(shù)有一定參考作用。
關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速；注水泵；應(yīng)用實(shí)例

Application of Frequency Converter TD2000 in Waterllooding System in Oilfield
Wu Nanrong

（Turpan Oil Production Plant，Tuha Oilfield Company，PetroChina，Shanshan 838202，Xinjiang）
Abstract：A kind of control cubicle of water injection pump，developed based on TD2000 variable frequency speed
regulator，and its application were introduced．It has reference significance for expansion and application of frequency technology in water injection pump．
Key word：variable frequency speed control；water injection pump；application case

油田注水普遍采用柱塞泵，在工頻條件下，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，柱塞往復(fù)頻率是恒定的，因此，排量也是恒定的。在油田的實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程中，對(duì)注水量的需求是變化的，在傳統(tǒng)的方式下，為滿(mǎn)足配注要求，主要是通過(guò)調(diào)節(jié)注水泵的回流量來(lái)實(shí)現(xiàn)，泵的無(wú)效功耗很大。同時(shí)，由于柱塞、閥片長(zhǎng)期滿(mǎn)載、高速工作，填料的磨損以及閥片的損壞頻率也很高?；亓髡{(diào)節(jié)閥長(zhǎng)期處于半開(kāi)狀態(tài)，受高壓水的沖擊，閥心容易磨損、變形導(dǎo)致關(guān)閉不嚴(yán)，給生產(chǎn)帶來(lái)不便。
另一方面，注水泵電機(jī)一般配置功率都較大，啟動(dòng)沖擊電流大，對(duì)附近的設(shè)備有影響，而且能耗也大。
從吐魯番采油廠(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況看，去年，雁木西、神泉開(kāi)一臺(tái)泵就能滿(mǎn)足配注要求，隨著注水井的增加以及單井配注量的改變，需要增開(kāi)一臺(tái)泵，魯2塊試注雖然只要一口注水井，也需開(kāi)啟一臺(tái)泵，導(dǎo)致用電負(fù)荷增大。為了改善注水泵的運(yùn)行工況，同時(shí)也為了有效降低能耗，在注水泵變頻應(yīng)用方面，做了一些嘗試。
1 變頻調(diào)速應(yīng)用于注水泵的意義
異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速與其電源頻率成正比，即：
n=60f（1一s） ， （1）
式中 n—— 電機(jī)轉(zhuǎn)速，rpm；
f——電源頻率，Hz；
s——異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差率，％ ；
p—— 電機(jī)極對(duì)數(shù)。
變頻調(diào)速就是通過(guò)改變電機(jī)定子繞組供電的頻率（f）來(lái)達(dá)到調(diào)速的目的，其基本原理是通過(guò)整流一穩(wěn)壓一逆變，把50 Hz的工頻電源轉(zhuǎn)換為頻率可調(diào)的電源，應(yīng)用于電機(jī)，從而達(dá)到調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。
在注水泵上使用變頻技術(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)泵的排量的控制。這樣，在一定范圍內(nèi)，實(shí)際配注需要多少量，注水泵就排出多少量，消除泵的無(wú)效回流，改善泵的運(yùn)行工況，降低對(duì)設(shè)備的磨損。而且，通過(guò)使用變頻器，可使電機(jī)平滑啟動(dòng)，方便的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，在輕載、低頻的情況下，還具有很好的節(jié)能效果。
2 電氣設(shè)計(jì)
由于注水泵屬平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，因此，通過(guò)選用艾默生TD20OOG型變頻器作為變頻控制的主體，利用變頻器自帶的控制調(diào)節(jié)功能，結(jié)合注水泵及電機(jī)所需的保護(hù)以及注水工藝要求，完成了變頻控制柜的設(shè)計(jì)。
2．1 變頻柜設(shè)計(jì)
（1）變頻柜要實(shí)現(xiàn)一柜兩泵的控制功能，既控制柜中通過(guò)手動(dòng)切換、選擇，可以使一臺(tái)變頻器分別應(yīng)用于相鄰的兩臺(tái)注水泵，這樣，在一臺(tái)泵有故障時(shí)，可以通過(guò)電氣切換使另一臺(tái)泵使用變頻，提高變頻器的利用率。
（2）注水泵自帶的保護(hù)（進(jìn)出口壓力、機(jī)油壓力、電機(jī)溫度等）信號(hào)進(jìn)變頻柜，實(shí)現(xiàn)連鎖保護(hù)。
（3）利用變頻器自帶的PID調(diào)節(jié)模塊，設(shè)計(jì)閉環(huán)控制功能，通過(guò)檢測(cè)泵出口匯管壓力，與設(shè)定壓力進(jìn)行PI運(yùn)算，自動(dòng)控制變頻器的輸出頻率。
（4）旁路功能：即變頻柜的電源接人考慮兩個(gè)回路，分別引自?xún)膳_(tái)原注水泵啟動(dòng)柜電源，人口、出口設(shè)切換開(kāi)關(guān)，這樣，在變頻柜有故障時(shí)，可以使用原啟動(dòng)柜控制注水泵。
2．2 主電路設(shè)計(jì)
為了實(shí)現(xiàn)一柜兩泵的功能，在主電路設(shè)計(jì)中，考慮了變頻器的雙入雙出回路，通過(guò)交流接觸器1KM、2KM選擇變頻器的電源；通過(guò)交流接觸器KM1、KM2控制變頻器輸出到兩臺(tái)泵（圖1）。

控制電路如圖2：通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)1SA選擇接通1 或2 注水泵，同時(shí)，通過(guò)主電路交流接觸器輔助觸電實(shí)現(xiàn)互投互鎖。

對(duì)于注水泵、電機(jī)的保護(hù)（泵進(jìn)出口壓力、潤(rùn)滑油壓力、電機(jī)溫度等），設(shè)計(jì)中立足于原有設(shè)施，通過(guò)把原檢測(cè)信號(hào)引入變頻柜來(lái)實(shí)現(xiàn)?？紤]到變頻器要實(shí)現(xiàn)對(duì)兩臺(tái)泵的控制，設(shè)計(jì)中把保護(hù)信號(hào)通道的選擇控制用注水泵主接觸器的輔助觸電來(lái)完成，無(wú)須外部干預(yù)，也避免誤操作，原理圖見(jiàn)圖3。

2．3 調(diào)節(jié)控制電路設(shè)計(jì)
由于TD2000變頻器帶有內(nèi)置的PI調(diào)節(jié)器以及24VDC輸出，因此，在其調(diào)節(jié)控制電路設(shè)計(jì)中，不用外配PLC，利用其內(nèi)置的模塊就能構(gòu)成簡(jiǎn)單的閉環(huán)控制回路。詳見(jiàn)圖4，壓力變送器檢測(cè)匯管壓力，輸出4—20 mA信號(hào)給變頻器CCI端，經(jīng)轉(zhuǎn)換，與調(diào)節(jié)電位器給定的信號(hào)進(jìn)行PI運(yùn)算，輸出調(diào)節(jié)信號(hào)給逆變器，控制輸出頻率，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)。
3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用
按照以上設(shè)計(jì)，委托開(kāi)關(guān)廠(chǎng)進(jìn)行了柜體組裝，并于今年5—7月完成了雁木西、神泉、葡北及玉東的安裝、調(diào)試。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在低頻工況下，電機(jī)溫升較高，不利于運(yùn)行。經(jīng)多方咨詢(xún)，又對(duì)電機(jī)進(jìn)行了改造，在電機(jī)風(fēng)扇側(cè)增加了一個(gè)230 W 的高速軸流風(fēng)機(jī)，強(qiáng)制通風(fēng)，有效的遏止了溫升，保證注水泵的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
通過(guò)引進(jìn)變頻器，使四個(gè)油田注水系統(tǒng)運(yùn)行工況得到了很大改善。其中，神泉變頻器設(shè)定頻率40 Hz，注水泵無(wú)回流；雁木西變頻器設(shè)定頻率20Hz，回流減小到4 m ／h；魯2變頻器設(shè)定頻率25Hz，回流量也大大減少，基本實(shí)現(xiàn)了改造目的。
4 效益測(cè)算
從節(jié)能監(jiān)測(cè)的結(jié)果看，魯2注水泵在未使用變頻器的情況下，每天耗電量為840 kWh，使用變頻器后，注水泵有功節(jié)電率為32．83％，綜合節(jié)電率達(dá)到41．3％ 。全年變頻柜投用時(shí)間按300 d計(jì)算，年節(jié)電量為：840×0．413×300=104 076 k 。
目前電價(jià)為0．74～／kWh ，則每年可節(jié)電費(fèi)：104 076×0．74=77 016．24元。
單臺(tái)變頻柜的投入成本為11．7 X 10 元，投資回收期為117 000／77 016=1．51年。經(jīng)濟(jì)效益非常明顯。
5 結(jié)論
注水泵應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，可以有效改善系統(tǒng)工況，方便配注量的調(diào)節(jié)，而且可以節(jié)省電能，延長(zhǎng)填料的使用周期，減小設(shè)備的磨損，是一種值得推廣的新型拖動(dòng)技術(shù)。
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