浅析变频柜在注水泵上的应用

浅析变频柜在注水泵上的应用

仓义强①；严红②

①长庆油田分公司超低渗透油藏第一项目部，延安716000；②长庆油田分公司第一采油厂，延安716000

摘要：本文主要介绍了在油田注水过程中，面临注水压力高、水量大、电机功率大的情况，采用的变频调速装置--变频柜，对油田注水泵电机进行变转速调节，来改变用电设备的供电频率，进而达到控制设备输出功率的目的，实现注水泵对油田注水的有效、节能控制。

关键词：变频调速；变频柜；注水泵

中图分类号：TE3文献标识码：A文章编号：1006-4311（2010）10-0134-02

0引言

油田注水是油田中期保持高效稳产的有力措施。其方法就是通过注水，进而恢复甚至增大地层压力，使地层流体压力大于井筒内静液压力，从而达到开采出油气的目的。目前油田注水普遍采用柱塞泵，在传统的方式下，为了满足配注需求，主要是通过调节注水泵的回流量来实现，因此泵的无效功耗很大。在实际开发过程中，油田对注水需求是变化的，而注水泵电机的额定转速基本保持不变，使得柱塞、阀芯、填料、组合阀等配件长期处于高负荷状态，各种零部件的磨损及损坏频率也很高，整体操作流程复杂，劳动强度大，给生产带来不便。加之，油田采用的注水泵电机大多是大功率电动机，电动机长期处于高耗能状态运行，而采用变频柜对油田注水泵电机实行变转速调节，以实现注水泵对注水变量的控制，这是一项非常有效的节能措施。

1变频调速的原理

1.1变频调速的定义变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。

1.2变频调速的原理三相异步电动机转速公式为：

n=60f（1-s）／p

式中：n为电动机转速；f为工作电源频率；s为电机的转差率；p为电机的极对数。

通过改变供电频率f、电动机的极对数p及转差率s均可达到改变转速的目的。从上述公式可见，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变频柜的概述

2.1变频柜的定义所谓变频柜，将变频器及其他电气元件放入柜体内集成控制的一种变频调速设备，其通过开环或闭环控制来调节变频器的输出电压、电流和频率，以实现对流体（如水等）的压力、流量、速度和转矩等的控制。它的作用是对三相交流电动机进行变频调速控制，减少电动机非必要的耗电量，降低运行成本。

2.2变频柜的构成元件主要部分是变频器，附件还有电流表、电压表、频率表、按钮、指示灯、断路器、中间继电器、电位器等，如果是一拖多（一台变频器拖动多台电动机）的柜子里面还应该有延时继电器、接触器、热继电器等。

2.3变频柜的主要特点

2.3.1高效节能由电机学公式：P2/P1=（n2/n1）3，

式中：n为电机转速；p为输出功率。可知，系统电机功耗与电机转速成立方关系，在压力不变时，注水泵出水量与电机转速成正比。

2.3.2变频柜主要起调节电动机转速的作用，最大限度减少大功率注水泵对电网的冲击和大副的压降，避免启动时大电流冲击电网。

2.4变频柜的主要功能

2.4.1变频柜的电源切换和保护功能变频柜通常设计有断路器元件，它连接着进线电源，可以帮助变频柜完成电路的通断操作，并能够在电路和变频器出现短路或过载时提供保护。此外变频柜还可以在电机维护时切断电源保证操作人员安全。

2.4.2变频柜的变频调速功能变频柜的控制面板上设置有变频调速用的电位器，可以根据设置的输出频率，向电机输送指令信号，控制电机的转速。变频柜中的部分产品设置有工频切换功能，以保证在变频器出现故障时，通过自动控制回路将电动机切换回工频电源。

2.4.3变频柜的直观控制功能变频柜的柜体上设计有显示设备与操作面板，它与变频柜内部的电器元件相连，可以直观显示变频柜的运行状态，同时方便操作人员控制变频装置的运行，及对电机等被控制设备进行操作。变频柜的柜体上，还安装有各种仪器仪表及指示灯，例如电压表、电流表、频率表，及电源指示灯、报警指示灯、运行指示灯、工频指示灯等。变频柜的运行及操作状态，可以直接反应在各项仪表及指示灯上，实现对变频器工作状态的实时监测。

2.4.4变频柜的安全防护功能变频柜将各种包括变频器在内的各种电气元件都集中在柜体内，这样可以减少外部环境对电气元件的影响程度，降低电气元件受外界因素的影响，也降低了操作人员的操作风险。

2.5变频柜的工作原理供水系统运行时，由压力传感器连续采集供水管网中的水压及水压变化率信号，并将其转换为电信号传送至变频柜，变频柜将反馈回来的信号与设定压力值进行比较、运算，并根据状况进行如下动作：

2.5.1发现供水系统的实际压力比操作人员设定压力值低，变频柜就会发出指令让运行的1#注水泵加速运行，如果实际压力比操作人员设定的压力值设高，变频柜则会发出指令让运行的1#注水泵减速运行，当供水系统管网的实际压力与工作人员设定的压力值相同时，就发出指令让运行的1#注水泵维持该运行频率；

2.5.2变频柜经过一段时间的比较、运算后，发现运行的1#注水泵达到了额定转速（频率），管网压力仍低于设定压力，则变频柜会将运行的1#注水泵切换至工频运行，并变频启动2#注水泵，如果还不行，就让2#注水泵也转入工频继续工作，同时变频启动3#注水泵，如此循环，直至管网压力达到设定压力为止；

2.5.3变频柜经过一段时间的比较、运算后，发现管道压力高于工作人员的设置压力值，那么，变频柜就会给N（1?芨N?芨6）号注水泵下令，让其减速运行，如果管道压力还是偏高，就会下达指令让N号注水泵停止运行，让N-1号注水泵进入变频状态工作，如此循环，直至管网压力恒定在设定压力范围内。

3变频柜应用的可行性分析

3.1原注水站工作方式在过去，油田建厂时很多都建有注水站，根据流量大小和压力高低的情况，均采用以闸板阀门控制的高压注水方式。工艺要求，不允许长时间小排量运行，否则注水泵会因温度升高而造成汽蚀和机件烧毁等问题，被迫采用大回流方法降低温升，这样就造成电力大量消耗，给油田造成了大量能源损失，增加了企业的生产成本。

3.2变频柜应用的可行性

3.2.1原有控制方式的启动、停止和调节进水阀门开关需要人工操作，即费时又费力，且容易出现人为因素操作失误，造成不必要的损失。采用变频控制方式，其操作方便，无须手动调节进水阀门，极大减轻了劳动强度，提高了工作效率。

3.2.2启动噪音低，启动过程中电动机从低频开始缓慢加速，经大约20秒后达到设定频率，启动电流很小，减小了对电网冲击，保护了设备，延长了电动机的使用寿命，提高了电机效率，节约维修成本。

3.2.3系统采用一拖一或一拖二控制方式，采用压力变送器反馈电流信号（4—20mA）至变频器中央处理器(CPU),经PID控制组成闭环控制系统。其输出频率大小由作用处理器控制，使电机转速自动增加或降低；保持工作水压恒定。这样减小了电动机无功功率，提高了注水泵工作效率，节约了能源。

3.2.4可以采用循环软启动方式，当系统投入一台以上的注水泵时，总是将运行中的注水泵切换到工频，再变频启动下一台注水泵，即每台注水泵都是由变频器启动的，如此可降低电气及机械冲击。

3.2.5可以用压力闭环或流量闭环控制注水的压力或流量，在注水泵工况改变时，变频柜可以使注水泵自动调节注水压力或流量。此时，泵的出口阀门全开，使泵的压差减至为零。

3.2.6可以实现有线或无线网络远程监控。

总体而言，采用变频调速的方式，注水泵既可大流量，也可小流量，既可高压力，也可低压力运行。

4效益测算

通过变频柜的使用，注水泵在满足系统注水量的同时，有效提高了系统效率，降低系统单耗，节能效果明显。根据电机学公式：P2/P1=（n2/n1）3，电机转速n=Kf（k为比例系数）：

即P1/P2=（n2/n1）3=（kf1/kf2）3=（990/700）3，

则P1/P2=2.83，P2=35%P1，

注水泵理论节电率为：

⊿P=（P1-P2）/P1=（1-35%）=64%，

如每天的耗电量为114.4kwh，一年变频柜使用时间按300d计算，一年节电量为：114.4×64%×300=21964.8k。

目前电价按1～／kWh算，则一年可节电费：

21964.8×1=21964.8元。

5结论

油田的注水系统非常多，通过使用变频柜装置，不但节约了电能，提高系统自动化运行程度，延长填料的使用周期，减小设备的磨损；也可自动根据需求量调节转速，减少了人员的劳动强度，而且注水泵的运行参数得以改进，系统效率大为提高，具有控制精度高，节能、高效等优点。相信在不久的将来，变频柜一定可以在油田的开发建设中得到广泛的应用。