1 引言

油田的油井注水是油田生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在一些供液不足的油井，需要先向井內(nèi)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(guān)鍵設(shè)備，隨著油田開采進(jìn)入中后期，油田注水量也將逐年加大，并呈逐年顯上升趨勢(shì)。在高壓注水系統(tǒng)中，高壓電機(jī)中大馬拉小車的現(xiàn)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(shí)又由于泵壓較高，對(duì)機(jī)泵的運(yùn)行，管道的使用十分不利。
2 柱塞泵的工作特點(diǎn)及節(jié)能原理

柱塞泵又稱往復(fù)泵，它主要是依靠泵缸內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的柱塞來(lái)改變工作室的容積，從而達(dá)到吸入和排出液體的目的。它依靠往復(fù)運(yùn)動(dòng)的柱塞，將機(jī)械能以靜壓形式直接傳遞給液體，泵體內(nèi)的水力損失較小。它的突出優(yōu)點(diǎn)是注水壓力高、泵效高，因此，在國(guó)內(nèi)油田中得到了日益廣泛的應(yīng)用。

但需要指出的是，在一定的轉(zhuǎn)速和往復(fù)次數(shù)下，柱塞泵的流量幾乎不隨壓力的改變而改變，而注水系統(tǒng)的實(shí)際注入量則因各種原因不斷發(fā)生變化，這樣就會(huì)經(jīng)常因?yàn)楸玫牧髁扛哂趯?shí)際注水量，使管網(wǎng)中出現(xiàn)壓力過(guò)高的現(xiàn)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(yùn)行；二是管網(wǎng)壓力越高，表明水泵所做的無(wú)用功也越多，即泵效越低。

變頻調(diào)速技術(shù)的節(jié)能效果分析

根據(jù)柱塞泵的流量公式

Q=FSn=i×（лd2/4）×S×n

式中  i—柱塞數(shù)

 F—柱塞截面積

n—柱塞每分鐘往復(fù)次數(shù)

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(fù)次數(shù)，即電機(jī)的轉(zhuǎn)速，第一種方式，經(jīng)常改變柱塞直徑是不現(xiàn)實(shí)的，采用第二種方式有更強(qiáng)的科學(xué)性和可操作性。即根據(jù)變頻調(diào)速原理，預(yù)先在泵出口設(shè)定一個(gè)恒定不變的壓力值H1（H1為滿足油田生產(chǎn)所需的壓力值），通過(guò)調(diào)整柱塞泵的運(yùn)行工況，實(shí)現(xiàn)恒壓變量注水。
安裝變頻調(diào)速裝置后，依據(jù)注水管網(wǎng)需要的壓力進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，自動(dòng)調(diào)節(jié)注水量，既可節(jié)約大量的電能又能降低機(jī)泵的損耗，對(duì)降低油田生產(chǎn)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(tái)1100kW/6kV的注水泵，采用直接驅(qū)動(dòng)方式控制，一用一備，柱塞流量通過(guò)控制出口閥門打回流的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，造成大量節(jié)流損失，柱塞泵運(yùn)行在低效率工作區(qū)，浪費(fèi)嚴(yán)重。目前月注水流量為125956.9m3，夏秋季節(jié)注水量相應(yīng)降低，運(yùn)行中柱塞實(shí)際泵壓為15.5MPa，注水管網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行壓力為11.8MPa，為此注水電機(jī)運(yùn)行時(shí)必須靠調(diào)節(jié)注水泵出口高壓回流閥門來(lái)控制注水管網(wǎng)壓力，以維持聯(lián)網(wǎng)注水平衡。這樣就造成泵壓與管網(wǎng)干壓平均壓差達(dá)到3MPa以上，造成了大量的電能浪費(fèi)。
通過(guò)綜合調(diào)研和考慮，該用戶選用了新風(fēng)光電子公司JD-BP37-1250F型號(hào)的高壓變頻器，改造取得了成功。
4新風(fēng)光JD-BP37-1250F高壓變頻器的技術(shù)參數(shù)

為確保柱塞注水系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性和經(jīng)濟(jì)性，該注水泵機(jī)組選用帶一拖二手動(dòng)旁路的新風(fēng)光JD-BP37-1250F高壓變頻器。它采用直接“高-高”形式，風(fēng)光牌JD-BP37系列高壓變頻器以高速DSP為控制核心，采用無(wú)速度矢量控制技術(shù)、功率單元串聯(lián)多電平技術(shù)，屬高-高電壓源型變頻器，其諧波指標(biāo)小于IEEE519-1992的諧波標(biāo)準(zhǔn)，輸入功率因數(shù)高，輸出波形質(zhì)量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數(shù)補(bǔ)償裝置和輸出濾波器；不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問(wèn)題，可以使用普通的異步電機(jī)。

JD-BP37-1250F高壓變頻器技術(shù)參數(shù)如表1所示。

 

5注水系統(tǒng)恒壓工作原理、PID設(shè)定

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)存在的問(wèn)題，系統(tǒng)優(yōu)化改造主要需解決兩方面的問(wèn)題：第一，在滿足系統(tǒng)配注水量的基礎(chǔ)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(tǒng)恒壓控制方式，其工作原理如圖1所示，測(cè)量元件為壓力傳感器，將它設(shè)在柱塞水泵機(jī)組出水管網(wǎng)上，Vi為恒定注水壓力設(shè)定值，注水壓力V作為輸出量，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。變頻器內(nèi)部的PLC采集注水壓力值V與用戶給定值Vi進(jìn)行比較和運(yùn)算，通過(guò)PID進(jìn)行調(diào)整，將結(jié)果轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)節(jié)信號(hào)送至變頻器，直至達(dá)到注水壓力的給定值Vi。不管系統(tǒng)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(shù)加大，可以加快調(diào)節(jié)速度。但如果過(guò)大，系統(tǒng)容易因超調(diào)而震蕩。若P太小，又會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)作緩慢。P可正可負(fù)。如果比例系數(shù)為正，那么該回路為正作用回路；如果比例系數(shù)為負(fù)，那么該回路為反作用回路。本變頻器P設(shè)定為0.30。
（2）積分I的作用主要是消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差。但過(guò)強(qiáng)的積分作用使注水系統(tǒng)超調(diào)加大。所以在調(diào)節(jié)過(guò)程初期，應(yīng)減弱積分作用，防止產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象；而到過(guò)程后期，應(yīng)適當(dāng)增強(qiáng)積分作用，以提高控制精度。本變頻器I設(shè)定為10.0。
風(fēng)光高壓變頻器內(nèi)置PID功能，其中PID 結(jié)構(gòu)參數(shù)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(shí)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(shí)起作用
本變頻器PID參數(shù)PID結(jié)構(gòu)選擇2，比例+積分 PID 控制比例增益和積分增益同時(shí)起作用，完全可以滿足注水系統(tǒng)的壓力恒定要求，不需要設(shè)定微分參數(shù)。
6改造主回路

該注水站結(jié)合該自身的實(shí)際情況，為滿足泵站的安全運(yùn)行需求，要求柱塞水泵電機(jī)一用一備設(shè)置，選擇新風(fēng)光高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用一拖二手動(dòng)運(yùn)行方式（變頻器分別接1100kW水泵2臺(tái)）。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(huì)同時(shí)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(huì)同時(shí)作用于電機(jī)M1；K5刀閘與K6刀閘互鎖，保證工頻電源與變頻電源不會(huì)同時(shí)作用于電機(jī)M2。

 

選用一拖二結(jié)構(gòu)，可以保證在電機(jī)在故障時(shí)通過(guò)刀開關(guān)的調(diào)節(jié)，變頻啟動(dòng)備用水泵。
7 變頻器運(yùn)行情況
7.1節(jié)能計(jì)算

該注水站水泵變頻節(jié)電改造后，2016年6月初，正式投入生產(chǎn)，至今運(yùn)行正常。系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的效果。柱塞泵變頻改造后，用電量明顯下降，設(shè)備實(shí)現(xiàn)了軟起動(dòng)，改善了設(shè)備的運(yùn)行工況，極大地減輕了設(shè)備起動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊。
注水泵電機(jī)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(jì)算，則每月節(jié)省電費(fèi)：（6.38-5.74）×125956.9×0.5=40180.24元。
7.2其他效果
（1）維護(hù)量減少。采用變頻調(diào)速后，大部分時(shí)間里，泵的運(yùn)行轉(zhuǎn)速大大低于泵的額定轉(zhuǎn)速。由于注水泵啟動(dòng)緩慢及轉(zhuǎn)速的降低，減少了泵的零部件密封、軸承的磨損，相應(yīng)地延長(zhǎng)了柱塞泵的壽命。
（2）工作強(qiáng)度降低。采用變頻恒壓閉環(huán)調(diào)節(jié)就不用調(diào)節(jié)出口回流閥，操作工作由動(dòng)手轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣?dòng)、監(jiān)控，完全實(shí)現(xiàn)油田生產(chǎn)的無(wú)人操作，大大減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。
（3）現(xiàn)場(chǎng)噪音大大降低，有效改善現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行環(huán)境，運(yùn)行人員反映良好；便于實(shí)現(xiàn)注水泵機(jī)組控制系統(tǒng)自動(dòng)化管理。
8結(jié)束語(yǔ)

油田的注水系統(tǒng)非常多，通過(guò)使用變頻裝置具有控制精度高，節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，在油田注水系統(tǒng)中使用變頻技術(shù)，是采油廠及油田生產(chǎn)中節(jié)能降耗非常重要的一種手段。