惠丰变频器软起动器在油田注水泵上的应用

一、前言
注水采油是很多油田保持高产稳产的常用措施。原理就是把采油区地层中散布的油集中到油井附近，再提取上来。对于断裂区块油田，由于每个区块注水范围相对小，注水量随开采时间的延长地下油层状况的变化，要经常调整。油田注水由于压力高、水量大，注水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。而实际上注水泵站在建设时都存在额定流量与实际流量不相匹配的问题。针对以上情况，我们认为采用变频调速装置对油田注水泵用电动机实行变转速调节，实现注水泵变水量控制是一项非常有效的节能措施。
二、可行性分析
1、原注水泵站的工作方式
老油田在建厂时很多都建有注水泵站，采用高压注水方式供水，流量的大小和压力的高低采用闸板阀门实现控制。根据工艺要求，不允许长时间小排量运行，否则注水泵会因温度升高造成汽蚀和机件烧毁等问题，因此被迫采用大回流方法降低温升，这样就造成电力的大量消耗，给油田造成了大量的能源损失，增加了企业的生产成本。
在原设计系统工况中，常采用两台注水泵进行系统注水。该工况的注水系统能耗损失主要在控制阀节流上。通过我们的分析，只要通过结合采油工艺所须的配注量，降低水压，减少各注水井的阀门控制压差，应该能达到节能降耗的目的。
2、变频供水控制原理
由于注水泵的实际流量肯定小于或等于泵的额定流量，因此有一定的节电潜力。变频供水系统注水泵的注水控制是由变频器通过压力变送器的回馈压力值，与预设在变频器中的压力值进行比较，通过变频器中的PID调节器根据差值进行运算调节，从而控制变频器变频调速运行；同时，变频器的运行参数可以通过变频器所带的通讯接口和通讯协议传输至计算机工作站；在计算机上可以随时检测和控制系统运行压力、电动机转速、输入/输出电压、输入/输出电流等参数，达到系统自动节能运行的目的。
3、变频方案的选择：
油田作业区供水泵站常共有三台同一型号立式注水泵，二用一备。如胜利油田一个注水泵站：电动机额定功率75KW，额定电压380V，额定电流140A左右，额定转速2900转／分钟，额定频率50HZ，绝缘等级F级。针对注水泵二台工作一台备用的实际工况，采用变频器调速进行恒压供水时存在着一个用一台变频器还是用二台变频器的问题。下面我们针对使用一台变频器还是使用两台变频器不同情况下的工作状态进行分析：
3.1使用一台变频器：
这是应用得较为普遍的方案，其控制过程是：用水量少时由变频器控制1号泵，进行恒压供水控制．当用水量逐渐增加1号泵的工作频率达到接近50HZ时，将其电动机切换成工频电源供电．同时将变频器切换到2号泵上，由2号泵进行补充供水．反之，当用水量逐渐减少，即使2号泵的工作频率已降为下限频率，而供水压力仍偏大时，则关掉1号泵，同时迅速升高2号泵的工作频率．并进行恒压控制．此方案的主要特点是只用一台变频器，故设备投资少，但如果用水量恰巧在一台泵全速供水量上下变动时，将会出现供水系统来回切换的状态。为了避免这种现象的发生，我们将将供水压力设定一个范围，此方法适用于控制精度要求不是很高的场合。此方案取用电功率的计算如下：
假设电机的空载损耗为：10%
泵的额定供水流量：Qn
拖动电动机容量为Pm
每天的平均总供水流量为 160% Qn
75KW的拖动电动机容量为Pmn=75KW,
1号泵为全速，其平均取用功率为Pm1=75KW
2号泵的平均转速的60%，其平均取用功率为Pm2=(7.5+0.63*75)KW=23.7KW
两台泵取用的总平均功率为  75+23.7=98.7KW
3.2使用二台变频调速器的节电效果
用二台变频器分别控制二台电动机，一次设备投资费用较高，但运行时的节能效果如何？计算如下：每天的平均总供水流量还为160%Qn,供水流量可由二台水泵平均分担，则每台的平均供水流量为80％Qn。
每台电动机的取用电功率为Pm1=(7.5+0.83*75)KW=45.9KW。
二台水泵共用功率为2*45.9=91.8 KW  
由以上数据可以看出来采用二台变频器方案比采用一台变频方案还节约电量6.9KW。
3.3如果假设每天的平均总供水流量为 140% Qn，其他工况不变，我们再测算此种情况的电耗量：
1号泵为全速，其平均取用功率为Pm1= Pm=75KW
2号的平均转速的40%，其平均取用功率为Pm2=(7.5+0.43*75)KW=12.3KW
两台泵取用的总平均功率为  75+12.3=87.3
3.4用二台变频调速器的节电效果
用二台变频器分别控制二台电动机，一次设备投资费用较高，但运行时的节能效果如何？计算如下：每天的平均总供水流量还为140%Qn,供水流量可由二台水泵平均分担，则每台的平均供水流量为70％Qn。
每台电动机的取用电功率为Pm1=(7.5+0.73*75)KW=33.23KW。
二台水泵共用功率为2*33.23=66.46 KW
由以上数据可以看出来采用二台变频器方案比采用一台变频方案还节约屯量20.84KW
由此可见： 只要总的供水流量不是总的额定流量，用两台变频器节电效果比一拖二要好，而且总流量越小越明显： 总流量140%时有20.84KWH；   160%时只有6.9KWH。
三、电气方案的设计：
通过以上的分析，我们可以针对客户的现场情况来设计，通常有以下两种方案：
1、当总流量为单泵流量的150% Qn以下时，建议用户采用两台变频分别拖动两台泵的方案：
两台变频器分别闭环控制1号和2号注水泵、3号注水泵为备用泵、用软启动器（采用HFR1075）控制起停，正常运行的注水泵如遇故障或检修，估计在短时间内即可排除故障或检修完毕，在这期间可启用备用泵．在二次控制线路上注水泵压力给定量由电位器（AN1—GND通道）给定。压力反馈可以通过压力变送器以直流4—20mA的形式反馈回变频器的控制单元（通过AN2—GND通道）。变频器的两路模拟输出端子IM，FM可以分别外接0—10V模拟量仪表对变频器的输出运行情况实施监控，变频器辅助端子TA，TB，TC可以外接声光报警器，当变频器有故障时提供报警。（附 参考控制电气原理）
相关参数量的选用：（F1500—P）
F106：上限频率
F107：下限频率
F109：加速时间
F110：减速时间
F200：运行控制方式：端子指令
F219：OP6功能设定：FWD
F220：OP7功能设定：REV
F301：转矩补偿方式（选择调整）
F404：PI调节给定通道选择  AN1通道给定
F408：PI调节反馈通道选择  AN2通道给定
2、当实际流量在150%Qn以上时，建议用户对注水泵1，注水泵2 采用一拖二控制模式，这样有利于减少设备初期投资。


该方案与原有控制系统的比较
1）采用变频控制方式，其操作方便，无须手动调节进水阀门，极大的减轻了工人的劳动强度，提高了工作效率。
2）启动噪音低，在启动过程中电机从低频开始缓慢加速，经20秒后达到设定频率，由于启动电流很小，减小了对电网的冲击，保护了用电设备，延长了电动机的使用寿命，提高了电机的效率，节约维修成本。
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。其输出频率的大小由作用处理器控制，使电机的转速自动增加或降低；保持工作水压恒定。这样不但减小了电动机的无功功率，而且提高了水泵的工作效率，节约了能源。
4）普通的工频控制方式（原有的控制方式）则不能实现这样的目的，其启动和停止需要人工操作，还需要调节进水的阀门开关来满足工况要求，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。工频运行控制方式的电机的转速是不可调节的，并且启动电流大，当供水压力超过所需的压力值时需人工调节进水阀门的大小来满足供水压力。这时电机仍以满负荷运行，多余的功率就消耗在阀门上，能源浪费很大。
通过对以上实际工况的分析，采用变频调速的方式完全能满足生产的需要，使得注水泵既可大流量，也可小流量，既可高压力，也可低压力运行。利用压力闭环或流量闭环控制注水的压力或流量，在注入站工况改变时，变频器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。这样，既节约了电能，又减少了阀门的维护量与此同时还提高了系统的自动化水平，降低了系统的噪音，改善了工作的环境，减轻了工人的劳动强度。因此采用变频调速来获得实际需要的水流量，不但节约了电能，提高系统自动化运行程度；变频器自动根据需求量调节转速，而且平滑稳定，减少了人员的劳动强度；水泵的运行参数得以改进，系统效率大为提高。