油田注水系统中TD2000变频器的应用研究

油田注水普遍采用柱塞泵，在工频条件下，由于电机转速恒定，柱塞往复频率是恒定的，因此，排量也是恒定的。另一方面，注水泵电机一般配置功率都较大，启动冲击电流大，对附近的设备有影响，而且能耗也大。

1 变频调速应用于注水泵的意义

异步电机的转速与其电源频率成正比，即：

n=60f(1一s) ， (1)

式中 n—— 电机转速，rpm;

f——电源频率，Hz;

s——异步电机的转差率，% ;

p—— 电机极对数。

变频调速就是通过改变电机定子绕组供电的频率(f)来达到调速的目的，其基本原理是通过整流一稳压一逆变，把50 Hz的工频电源转换为频率可调的电源，应用于电机，从而达到调整电机转速的目的。

在注水泵上使用变频技术，就可以实现对泵的排量的控制。这样，在一定范围内，实际配注需要多少量，注水泵就排出多少量，消除泵的无效回流，改善泵的运行工况，降低对设备的磨损。而且，通过使用变频器，可使电机平滑启动，方便的调节转速，在轻载、低频的情况下，还具有很好的节能效果。

2 电气设计

由于注水泵属平方转矩负载，因此，通过选用艾默生TD20OOG型变频器作为变频控制的主体，利用变频器自带的控制调节功能，结合注水泵及电机所需的保护以及注水工艺要求，完成了变频控制柜的设计。

2.1 变频柜设计

(1)变频柜要实现一柜两泵的控制功能，既控制柜中通过手动切换、选择，可以使一台变频器分别应用于相邻的两台注水泵，这样，在一台泵有故障时，可以通过电气切换使另一台泵使用变频，提高变频器的利用率。

(2)注水泵自带的保护(进出口压力、机油压力、电机温度等)信号进变频柜，实现连锁保护。

(3)利用变频器自带的PID调节模块，设计闭环控制功能，通过检测泵出口汇管压力，与设定压力进行PI运算，自动控制变频器的输出频率。

(4)旁路功能：即变频柜的电源接人考虑两个回路，分别引自两台原注水泵启动柜电源，人口、出口设切换开关，这样，在变频柜有故障时，可以使用原启动柜控制注水泵。

2.2 主电路设计

为了实现一柜两泵的功能，在主电路设计中，考虑了变频器的双入双出回路，通过交流接触器1KM、2KM选择变频器的电源;通过交流接触器KM1、KM2控制变频器输出到两台泵(图1)。

控制电路如图2：通过转换开关1SA选择接通1 或2 注水泵，同时，通过主电路交流接触器辅助触电实现互投互锁。

对于注水泵、电机的保护(泵进出口压力、润滑油压力、电机温度等)，设计中立足于原有设施，通过把原检测信号引入变频柜来实现。考虑到变频器要实现对两台泵的控制，设计中把保护信号通道的选择控制用注水泵主接触器的辅助触电来完成，无须外部干预，也避免误操作，原理图见图3。

2.3 调节控制电路设计

由于TD2000变频器带有内置的PI调节器以及24VDC输出，因此，在其调节控制电路设计中，不用外配PLC，利用其内置的模块就能构成简单的闭环控制回路。详见图4，压力变送器检测汇管压力，输出4—20 mA信号给变频器CCI端，经转换，与调节电位器给定的信号进行PI运算，输出调节信号给逆变器，控制输出频率，实现闭环调节。

3 现场应用

按照以上设计，委托开关厂进行了柜体组装，并于今年5—7月完成了雁木西、神泉、葡北及玉东的安装、调试。现场实验中发现，在低频工况下，电机温升较高，不利于运行。经多方咨询，又对电机进行了改造，在电机风扇侧增加了一个230 W 的高速轴流风机，强制通风，有效的遏止了温升，保证注水泵的正常运转。

通过引进变频器，使四个油田注水系统运行工况得到了很大改善。其中，神泉变频器设定频率40 Hz，注水泵无回流;雁木西变频器设定频率20Hz，回流减小到4 m /h;鲁2变频器设定频率25Hz，回流量也大大减少，基本实现了改造目的。4 效益测算

从节能监测的结果看，鲁2注水泵在未使用变频器的情况下，每天耗电量为840 kWh，使用变频器后，注水泵有功节电率为32.83%，综合节电率达到41.3% 。全年变频柜投用时间按300 d计算，年节电量为：840×0.413×300=104 076 k 。

目前电价为0.74～/kWh ，则每年可节电费：104 076×0.74=77 016.24元。

单台变频柜的投入成本为11.7 X 10 元，投资回收期为117 000/77 016=1.51年。经济效益非常明显。

5 结论

注水泵应用变频调速技术，可以有效改善系统工况，方便配注量的调节，而且可以节省电能，延长填料的使用周期，减小设备的磨损，是一种值得推广的新型拖动技术。