TD2000變頻器在油田注水系統中的應用

摘要：介紹了以TD2000變頻調速器為核心開發的一種注水泵控制柜以及應用，對注水泵推廣應用變頻技術有一定參考作用。
關鍵詞：變頻調速；注水泵；應用實例

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，由于電機轉速恒定，柱塞往復頻率是恒定的，因此，排量也是恒定的。在油田的實際開發過程中，對注水量的需求是變化的，在傳統的方式下，為滿足配注要求，主要是通過調節注水泵的回流量來實現，泵的無效功耗很大。同時，由于柱塞、閥片長期滿載、高速工作，填料的磨損以及閥片的損壞頻率也很高。回流調節閥長期處于半開狀態，受高壓水的沖擊，閥心容易磨損、變形導致關閉不嚴，給生產帶來不便。
另一方面，注水泵電機一般配置功率都較大，啟動沖擊電流大，對附近的設備有影響，而且能耗也大。
從吐魯番采油廠實際運行情況看，去年，雁木西、神泉開一臺泵就能滿足配注要求，隨著注水井的增加以及單井配注量的改變，需要增開一臺泵，魯2塊試注雖然只要一口注水井，也需開啟一臺泵，導致用電負荷增大。為了改善注水泵的運行工況，同時也為了有效降低能耗，在注水泵變頻應用方面，做了一些嘗試。
1 變頻調速應用于注水泵的意義
異步電機的轉速與其電源頻率成正比，即：
n=60f（1一s） ， （1）
式中 n—— 電機轉速，rpm；
f——電源頻率，Hz；
s——異步電機的轉差率，％ ；
p—— 電機極對數。
變頻調速就是通過改變電機定子繞組供電的頻率（f）來達到調速的目的，其基本原理是通過整流一穩壓一逆變，把50 Hz的工頻電源轉換為頻率可調的電源，應用于電機，從而達到調整電機轉速的目的。
在注水泵上使用變頻技術，就可以實現對泵的排量的控制。這樣，在一定范圍內，實際配注需要多少量，注水泵就排出多少量，消除泵的無效回流，改善泵的運行工況，降低對設備的磨損。而且，通過使用變頻器，可使電機平滑啟動，方便的調節轉速，在輕載、低頻的情況下，還具有很好的節能效果。
2 電氣設計
由于注水泵屬平方轉矩負載，因此，通過選用艾默生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節功能，結合注水泵及電機所需的保護以及注水工藝要求，完成了變頻控制柜的設計。
2．1 變頻柜設計
（1）變頻柜要實現一柜兩泵的控制功能，既控制柜中通過手動切換、選擇，可以使一臺變頻器分別應用于相鄰的兩臺注水泵，這樣，在一臺泵有故障時，可以通過電氣切換使另一臺泵使用變頻，提高變頻器的利用率。
（2）注水泵自帶的保護（進出口壓力、機油壓力、電機溫度等）信號進變頻柜，實現連鎖保護。
（3）利用變頻器自帶的PID調節模塊，設計閉環控制功能，通過檢測泵出口匯管壓力，與設定壓力進行PI運算，自動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回路，分別引自兩臺原注水泵啟動柜電源，人口、出口設切換開關，這樣，在變頻柜有故障時，可以使用原啟動柜控制注水泵。
2．2 主電路設計
為了實現一柜兩泵的功能，在主電路設計中，考慮了變頻器的雙入雙出回路，通過交流接觸器1KM、2KM選擇變頻器的電源；通過交流接觸器KM1、KM2控制變頻器輸出到兩臺泵（圖1）。

控制電路如圖2：通過轉換開關1SA選擇接通1 或2 注水泵，同時，通過主電路交流接觸器輔助觸電實現互投互鎖。

對于注水泵、電機的保護（泵進出口壓力、潤滑油壓力、電機溫度等），設計中立足于原有設施，通過把原檢測信號引入變頻柜來實現。考慮到變頻器要實現對兩臺泵的控制，設計中把保護信號通道的選擇控制用注水泵主接觸器的輔助觸電來完成，無須外部干預，也避免誤操作，原理圖見圖3。

2．3 調節控制電路設計
由于TD2000變頻器帶有內置的PI調節器以及24VDC輸出，因此，在其調節控制電路設計中，不用外配PLC，利用其內置的模塊就能構成簡單的閉環控制回路。詳見圖4，壓力變送器檢測匯管壓力，輸出4—20 mA信號給變頻器CCI端，經轉換，與調節電位器給定的信號進行PI運算，輸出調節信號給逆變器，控制輸出頻率，實現閉環調節。
3 現場應用
按照以上設計，委托開關廠進行了柜體組裝，并于今年5—7月完成了雁木西、神泉、葡北及玉東的安裝、調試。現場實驗中發現，在低頻工況下，電機溫升較高，不利于運行。經多方咨詢，又對電機進行了改造，在電機風扇側增加了一個230 W 的高速軸流風機，強制通風，有效的遏止了溫升，保證注水泵的正常運轉。
通過引進變頻器，使四個油田注水系統運行工況得到了很大改善。其中，神泉變頻器設定頻率40 Hz，注水泵無回流；雁木西變頻器設定頻率20Hz，回流減小到4 m ／h；魯2變頻器設定頻率25Hz，回流量也大大減少，基本實現了改造目的。
4 效益測算
從節能監測的結果看，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，注水泵有功節電率為32．83％，綜合節電率達到41．3％ 。全年變頻柜投用時間按300 d計算，年節電量為：840×0．413×300=104 076 k 。
目前電價為0．74～／kWh ，則每年可節電費：104 076×0．74=77 016．24元。
單臺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。經濟效益非常明顯。
5 結論
注水泵應用變頻調速技術，可以有效改善系統工況，方便配注量的調節，而且可以節省電能，延長填料的使用周期，減小設備的磨損，是一種值得推廣的新型拖動技術。
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