油田注水泵变频维修案例(注水泵高压变频器的性能曲线)

摘 要 ：本文叙述了青海油田一计注站注水泵的变频控制设计及调试过程，指出了采用变频控制的意义，展示了该类设备变频控制的前景。
英文摘 要 ：This paper have narrated Qinghai oil field debug course and the control design of frequency conversion of a sum note station water injecting pump, have pointed out the prospect that has demonstrated this kind of equipment control of frequency conversion with the meaning of the control of frequency conversion.
关键词： 中压　注水泵　变频控制
1　引言 　　油田的油井注水是油田生产的关键环节。在一些供液不足的油井，需要先向井内注入一定量的水，将油稀释，并将液面提升到一定高度，才易于开采。为了节能降耗，往往几口井集中起来，用一台泵集中注水，这就是计注站的作用。 　　青海油田采油二厂跃西采油区计23站，就是一个集中注水站，分别向YX—52、YX—47、YX—35井注水，采用活塞式注水泵，排量为23m3/h,压力为12MPa,电机为中压1140V/132kW的电机。 　　为了实现恒压注水，以对管道实施有效的保护，油田公司在综合考虑各方面因素后，决定采用变频控制，通过压力传感器的变化自行调整电机的转速，压力低时转速升高，压力高时转速降低，使管道压力保持恒定，并设置压力报警，进口低压报警，超低压停机;出口高压报警，超高压停机功能，满足注水泵工况的需求。
2　对变频控制柜的要求 　　根据以上情况，油田公司提出了对变频控制柜的要求如下: 2.1　1.14kV恒压注水变频柜的技术招标 　　（1） 变频柜的变频器功率:160kW（2台）; 　　（2） 输入电压:1140V±15%,50Hz; 　　（3） 注水工作压力:0-25Mpa; 　　（4） 变频柜具有手动调频和PID自动调节模式。 2.2　变频柜具有的功能 　　（1）注水泵超压报警，超高压停机功能（其值可设定）; 　　（2）入口低压报警，超低压停机功能（其值可设定）; 　　（3）润滑油高温报警停机（其值可设定）; 　　（4）故障停机报警（声音有时间设定，光有复位按钮）; 　　（5）具有数据储存功能:电压，电流，输出功率，故障记录; 　　（6）具有完善的电气保护功能:过压，低压，过流，欠载，输入输出缺相，保护值及时限可设定; 　　（7）具有RS-485数据通讯接口; 　　（8）柜体冷却风扇温控设定功能; 　　（9）变频柜面板显示:电压，电流，运行频率，注水压力; 　　（10）设现场主控操作转换开关; 　　（11） 配压力变送器4只（具有数值显示） 　　0-25MPa:2只;　0-2.5MPa:2只; 　　（12） 设工频启动; 　　（13）　设现场控制箱，显示频率，注水压力，具有:启动，停止，频率调节按钮。
3　中压变频器的原理 　　该系统的关键技术是中压变频器。经油田考察，我们公司生产的中压变频器技术及应用都已很成熟，无论是在潜油电泵，还是在抽油机上，应用都比较多，而且很稳定，因此采用笔者的技术，并责成制作控制柜。 3.1　变频器的原理 三相异步电动机的转速公式: n=60f（1—s）/p 　　式中: n——电动机转速; f——供电频率; s——电机的转差率; p——电机的极对数。 　　在该式中，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。 3.2　中压三电平电路 　　由于现场工作电压比较高，为1140V，采用普通的变频器显然不合适，而采用高压模块，代价又较高，且对于高压电机而言，良好的波形对其绝缘及耐压都是必须的，普通的两电平电路显然不能适应这一要求。 　　为了适应电压等级及负载的要求，采用了三电平电路（亦称中点箝位电路），如图1所示。 [align=center]
图1　1140V主电路图[/align] 　　其中主电路每相接有4只IGBT，串联承担全部的电压，三相交流电经全波整流后变成直流电，由单片机控制4只IGBT的导通与截止，形成SPWM的交变输出。为抑制IGBT交变过程中的电压突变，采用了中点箝位电路，有2只快恢复二极管串联组成箝位二极管，其中心点与滤波电容的中心点相连接，组成本电路的中心点（三电平的中心电平）。其输出波形如图2所示。 [align=center]
图2　三电平波形图[/align] 　　从图2中可看出，相电压为三电平，线电压为五电平，因此它不但能输出较高的电压，而且能降低输出谐波和电压变化率（dv/dt），良好的波形正是本电路的特色。 3.3　控制柜的制作 　　根据油田公司的要求及现场的特殊情况，对控制柜进行了精心制作。 　　（1）系统的控制概况: 　　要实现自动控制，用压力变送器和PID调节器与变频器构成恒压闭环系统。系统构成如图3所示: [align=center]
图3　系统控制图[/align] 　　图3中P为压力变送器。 　　工作过程如下: 　　在系统中采用了进口、出口2个压力变送器，分别检测进口和出口的压力。进口压力变送器将检测值送入进口PID1，进行压力显示，并通过参数设置，进行低压报警及超低压停机控制。 　　出口压力变送器将检测值送入出口PID2，进行出口压力显示，并通过参数设置，一是控制变频器的频率，进而调节水泵的转速，达到自动控制的目的;二是进行高压检测，实现高压报警及超高压停机控制功能。 　　在注水泵润滑油路系统中，为了控制油温，采用热电偶检测润滑油的温度，并将检测值送入PID3，进行油温报警控制。 　　（2）　控制柜设计 　　控制柜框图如图4所示。 [align=center]
图4　主电路图[/align] 　　采用了工、变频切换的方式，以保证在变频控制出现问题时能暂时投入工频运行，保证生产的连续性。在输出端还接有电机保护仪，可以随时显示运行的电压、电流值，并可通过现场设置，对负载进行有效的保护，如过压、欠压、过载及电流不平衡等。 　　通过PID的报警接点及参数设置，可进行系统高低压报警及超压停机控制。控制框图如图5所示。 [align=center]
图5　控制示意图[/align] 　　即将3个PID的报警输出的AL2接报警器，实现报警，将AL1的输出接一个中间继电器，其常闭点串在变频器的控制接触器KM1、KM2的控制回路中，当系统超压时AL1输出，KM1、KM2断电，从而使变频器停机。 　　（3） 远控设置 　　为了方便于操作人员，系统还设置了远控装置。远控装置上也设有一个PID，与现场的PID串接，便于操作人员监控及操作。 　　（4） 铁皮房维护 　　由于是野外工作，风沙又比较大，环境比较恶劣，作了专门的铁皮房加以防护。铁皮房分成两层的，中间加保温材料，夏季隔热，冬季保温，并有专门的隔沙网，防止风沙侵袭。
4　系统的调试 　　系统调试的关键是各种参数的设定。主要是PID的参数选择。要正确设置P、I、D三个参量，使系统稳定运行，可先让PID自整定，根据整定出的数值再适当调整，使变频器的频率变化能实时地跟踪系统压力的变化，直到系统稳定为止。 　　对于各种报警参数的设置，可依据PID调节仪的说明书进行设定，对于出口PID，可将AL2设定为上限报警，输出控制报警器，将AL1利用正偏差报警设定为超高压输出。对于进口PID，可将AL2设定为下限报警，利用负偏差报警设定为超低压输出，即可实现各种控制功能。 　　电机保护仪要根据现场运行的实际情况进行设定。一般过载电流设置为额定电流的1.2倍，过压为额定电压的1.2倍，欠压为0.8倍等。
5　系统运行情况 　　系统经安装调试以后，已正常运行半年多，无故障出现。 　　（1）实现了恒压自动跟踪调速。在运行中，通过压力变送器的调节，变频器能自动跟踪压力的变化，实时地调节运行频率，使管道压力恒定，没有出现大的波动。 　　（2）在进出口压力大范围波动时，能实施有效的保护。根据现场要求，在进口设定压力为0.8MPa,在0.5MPa时低压报警，低于0.2MPa时停机。在出口设定正常压力为8MPa,在10MPa时高压报警，在12MPa时停机。有效地保护了管道及水泵，不使其超压或过载运行，效果良好。 　　（3）柜体防护性能好。由于作了双层防护，能良好的隔沙、隔尘，保持清洁。 　　（4）变频器及电机保护仪对电机保护性能良好，过压、欠压、过载及短路都能实施有效的保护，有利于保护电机及负载。 　　（5）节能效果明显。对于泵类负载，用变频控制可以实现大量的节能。根据流体力学知识，功率与转速的三次方成正比，而转速与频率成正比。现该系统运行频率大约在 P1/P2=（n1/n2）3=（f1/f2）3=（50/44）3 则P2=68%P1 理论节电率为:⊿P=（P1-P2）/P1=（1-68%）=32%
6　结束语 通过对该系统的改造，自动控制，节能运行，保护功能等都有较明显的特色。油田的注水泵系统非常多，有中压的，大多数还是低压的，应用本系统进行改造，其效果都是一样的。因此可大面积推广，以实现节能增效的目的。