摘 要 ：本文敘述了青海油田一計(jì)注站注水泵的變頻控制設(shè)計(jì)及調(diào)試過程，指出了采用變頻控制的意義，展示了該類設(shè)備變頻控制的前景。 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. 關(guān)鍵詞： 中壓　注水泵　變頻控制 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。為了節(jié)能降耗，往往幾口井集中起來，用一臺(tái)泵集中注水，這就是計(jì)注站的作用。 　　青海油田采油二廠躍西采油區(qū)計(jì)23站，就是一個(gè)集中注水站，分別向YX—52、YX—47、YX—35井注水，采用活塞式注水泵，排量為23m3/h,壓力為12MPa,電機(jī)為中壓1140V/132kW的電機(jī)。 　　為了實(shí)現(xiàn)恒壓注水，以對(duì)管道實(shí)施有效的保護(hù)，油田公司在綜合考慮各方面因素后，決定采用變頻控制，通過壓力傳感器的變化自行調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，壓力低時(shí)轉(zhuǎn)速升高，壓力高時(shí)轉(zhuǎn)速降低，使管道壓力保持恒定，并設(shè)置壓力報(bào)警，進(jìn)口低壓報(bào)警，超低壓停機(jī);出口高壓報(bào)警，超高壓停機(jī)功能，滿足注水泵工況的需求。 2　對(duì)變頻控制柜的要求 　　根據(jù)以上情況，油田公司提出了對(duì)變頻控制柜的要求如下: 2.1　1.14kV恒壓注水變頻柜的技術(shù)招標(biāo) 　�。�1） 變頻柜的變頻器功率:160kW（2臺(tái)）; 　�。�2） 輸入電壓:1140V±15%,50Hz; 　�。�3） 注水工作壓力:0-25Mpa; 　�。�4） 變頻柜具有手動(dòng)調(diào)頻和PID自動(dòng)調(diào)節(jié)模式。 2.2　變頻柜具有的功能 　�。�1）注水泵超壓報(bào)警，超高壓停機(jī)功能（其值可設(shè)定）; 　　（2）入口低壓報(bào)警，超低壓停機(jī)功能（其值可設(shè)定）; 　�。�3）潤(rùn)滑油高溫報(bào)警停機(jī)（其值可設(shè)定）; 　�。�4）故障停機(jī)報(bào)警（聲音有時(shí)間設(shè)定，光有復(fù)位按鈕）; 　�。�5）具有數(shù)據(jù)儲(chǔ)存功能:電壓，電流，輸出功率，故障記錄; 　�。�6）具有完善的電氣保護(hù)功能:過壓，低壓，過流，欠載，輸入輸出缺相，保護(hù)值及時(shí)限可設(shè)定; 　�。�7）具有RS-485數(shù)據(jù)通訊接口; 　　（8）柜體冷卻風(fēng)扇溫控設(shè)定功能; 　�。�9）變頻柜面板顯示:電壓，電流，運(yùn)行頻率，注水壓力; 　�。�10）設(shè)現(xiàn)場(chǎng)主控操作轉(zhuǎn)換開關(guān); 　�。�11） 配壓力變送器4只（具有數(shù)值顯示） 　　0-25MPa:2只;　0-2.5MPa:2只; 　　（12） 設(shè)工頻啟動(dòng); 　�。�13）　設(shè)現(xiàn)場(chǎng)控制箱，顯示頻率，注水壓力，具有:啟動(dòng)，停止，頻率調(diào)節(jié)按鈕。 3　中壓變頻器的原理 　　該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是中壓變頻器。經(jīng)油田考察，我們公司生產(chǎn)的中壓變頻器技術(shù)及應(yīng)用都已很成熟，無論是在潛油電泵，還是在抽油機(jī)上，應(yīng)用都比較多，而且很穩(wěn)定，因此采用筆者的技術(shù)，并責(zé)成制作控制柜。 3.1　變頻器的原理 三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式: n=60f（1—s）/p 　　式中: n——電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速; f——供電頻率; s——電機(jī)的轉(zhuǎn)差率; p——電機(jī)的極對(duì)數(shù)。 　　在該式中，若保持p（極對(duì)數(shù)）、S（轉(zhuǎn)差率）不變，平滑的改變電機(jī)的供電頻率，則電機(jī)轉(zhuǎn)速n=Kf（k為比例系數(shù)），即可得到平滑的改變，這就是變頻調(diào)速的原理。 3.2　中壓三電平電路 　　由于現(xiàn)場(chǎng)工作電壓比較高，為1140V，采用普通的變頻器顯然不合適，而采用高壓模塊，代價(jià)又較高，且對(duì)于高壓電機(jī)而言，良好的波形對(duì)其絕緣及耐壓都是必須的，普通的兩電平電路顯然不能適應(yīng)這一要求。 　　為了適應(yīng)電壓等級(jí)及負(fù)載的要求，采用了三電平電路（亦稱中點(diǎn)箝位電路），如圖1所示。 [align=center] 圖1　1140V主電路圖[/align] 　　其中主電路每相接有4只IGBT，串聯(lián)承擔(dān)全部的電壓，三相交流電經(jīng)全波整流后變成直流電，由單片機(jī)控制4只IGBT的導(dǎo)通與截止，形成SPWM的交變輸出。為抑制IGBT交變過程中的電壓突變，采用了中點(diǎn)箝位電路，有2只快恢復(fù)二極管串聯(lián)組成箝位二極管，其中心點(diǎn)與濾波電容的中心點(diǎn)相連接，組成本電路的中心點(diǎn)（三電平的中心電平）。其輸出波形如圖2所示。 [align=center] 圖2　三電平波形圖[/align] 　　從圖2中可看出，相電壓為三電平，線電壓為五電平，因此它不但能輸出較高的電壓，而且能降低輸出諧波和電壓變化率（dv/dt），良好的波形正是本電路的特色。 3.3　控制柜的制作 　　根據(jù)油田公司的要求及現(xiàn)場(chǎng)的特殊情況，對(duì)控制柜進(jìn)行了精心制作。 　　（1）系統(tǒng)的控制概況: 　　要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，用壓力變送器和PID調(diào)節(jié)器與變頻器構(gòu)成恒壓閉環(huán)系統(tǒng)。系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示: [align=center] 圖3　系統(tǒng)控制圖[/align] 　　圖3中P為壓力變送器。 　　工作過程如下: 　　在系統(tǒng)中采用了進(jìn)口、出口2個(gè)壓力變送器，分別檢測(cè)進(jìn)口和出口的壓力。進(jìn)口壓力變送器將檢測(cè)值送入進(jìn)口PID1，進(jìn)行壓力顯示，并通過參數(shù)設(shè)置，進(jìn)行低壓報(bào)警及超低壓停機(jī)控制。 　　出口壓力變送器將檢測(cè)值送入出口PID2，進(jìn)行出口壓力顯示，并通過參數(shù)設(shè)置，一是控制變頻器的頻率，進(jìn)而調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，達(dá)到自動(dòng)控制的目的;二是進(jìn)行高壓檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)高壓報(bào)警及超高壓停機(jī)控制功能。 　　在注水泵潤(rùn)滑油路系統(tǒng)中，為了控制油溫，采用熱電偶檢測(cè)潤(rùn)滑油的溫度，并將檢測(cè)值送入PID3，進(jìn)行油溫報(bào)警控制。 　�。�2）　控制柜設(shè)計(jì) 　　控制柜框圖如圖4所示。 [align=center] 圖4　主電路圖[/align] 　　采用了工、變頻切換的方式，以保證在變頻控制出現(xiàn)問題時(shí)能暫時(shí)投入工頻運(yùn)行，保證生產(chǎn)的連續(xù)性。在輸出端還接有電機(jī)保護(hù)儀，可以隨時(shí)顯示運(yùn)行的電壓、電流值，并可通過現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置，對(duì)負(fù)載進(jìn)行有效的保護(hù)，如過壓、欠壓、過載及電流不平衡等。 　　通過PID的報(bào)警接點(diǎn)及參數(shù)設(shè)置，可進(jìn)行系統(tǒng)高低壓報(bào)警及超壓停機(jī)控制�？刂瓶驁D如圖5所示。 [align=center] 圖5　控制示意圖[/align] 　　即將3個(gè)PID的報(bào)警輸出的AL2接報(bào)警器，實(shí)現(xiàn)報(bào)警，將AL1的輸出接一個(gè)中間繼電器，其常閉點(diǎn)串在變頻器的控制接觸器KM1、KM2的控制回路中，當(dāng)系統(tǒng)超壓時(shí)AL1輸出，KM1、KM2斷電，從而使變頻器停機(jī)。 　�。�3） 遠(yuǎn)控設(shè)置 　　為了方便于操作人員，系統(tǒng)還設(shè)置了遠(yuǎn)控裝置。遠(yuǎn)控裝置上也設(shè)有一個(gè)PID，與現(xiàn)場(chǎng)的PID串接，便于操作人員監(jiān)控及操作。 　�。�4） 鐵皮房維護(hù) 　　由于是野外工作，風(fēng)沙又比較大，環(huán)境比較惡劣，作了專門的鐵皮房加以防護(hù)。鐵皮房分成兩層的，中間加保溫材料，夏季隔熱，冬季保溫，并有專門的隔沙網(wǎng)，防止風(fēng)沙侵襲。 4　系統(tǒng)的調(diào)試 　　系統(tǒng)調(diào)試的關(guān)鍵是各種參數(shù)的設(shè)定。主要是PID的參數(shù)選擇。要正確設(shè)置P、I、D三個(gè)參量，使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，可先讓PID自整定，根據(jù)整定出的數(shù)值再適當(dāng)調(diào)整，使變頻器的頻率變化能實(shí)時(shí)地跟蹤系統(tǒng)壓力的變化，直到系統(tǒng)穩(wěn)定為止。 　　對(duì)于各種報(bào)警參數(shù)的設(shè)置，可依據(jù)PID調(diào)節(jié)儀的說明書進(jìn)行設(shè)定，對(duì)于出口PID，可將AL2設(shè)定為上限報(bào)警，輸出控制報(bào)警器，將AL1利用正偏差報(bào)警設(shè)定為超高壓輸出。對(duì)于進(jìn)口PID，可將AL2設(shè)定為下限報(bào)警，利用負(fù)偏差報(bào)警設(shè)定為超低壓輸出，即可實(shí)現(xiàn)各種控制功能。 　　電機(jī)保護(hù)儀要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)定。一般過載電流設(shè)置為額定電流的1.2倍，過壓為額定電壓的1.2倍，欠壓為0.8倍等。 5　系統(tǒng)運(yùn)行情況 　　系統(tǒng)經(jīng)安裝調(diào)試以后，已正常運(yùn)行半年多，無故障出現(xiàn)。 　�。�1）實(shí)現(xiàn)了恒壓自動(dòng)跟蹤調(diào)速。在運(yùn)行中，通過壓力變送器的調(diào)節(jié)，變頻器能自動(dòng)跟蹤壓力的變化，實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)運(yùn)行頻率，使管道壓力恒定，沒有出現(xiàn)大的波動(dòng)。 　�。�2）在進(jìn)出口壓力大范圍波動(dòng)時(shí)，能實(shí)施有效的保護(hù)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)要求，在進(jìn)口設(shè)定壓力為0.8MPa,在0.5MPa時(shí)低壓報(bào)警，低于0.2MPa時(shí)停機(jī)。在出口設(shè)定正常壓力為8MPa,在10MPa時(shí)高壓報(bào)警，在12MPa時(shí)停機(jī)。有效地保護(hù)了管道及水泵，不使其超壓或過載運(yùn)行，效果良好。 　�。�3）柜體防護(hù)性能好。由于作了雙層防護(hù)，能良好的隔沙、隔塵，保持清潔。 　�。�4）變頻器及電機(jī)保護(hù)儀對(duì)電機(jī)保護(hù)性能良好，過壓、欠壓、過載及短路都能實(shí)施有效的保護(hù)，有利于保護(hù)電機(jī)及負(fù)載。 　�。�5）節(jié)能效果明顯。對(duì)于泵類負(fù)載，用變頻控制可以實(shí)現(xiàn)大量的節(jié)能。根據(jù)流體力學(xué)知識(shí)，功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，而轉(zhuǎn)速與頻率成正比。現(xiàn)該系統(tǒng)運(yùn)行頻率大約在 P1/P2=（n1/n2）3=（f1/f2）3=（50/44）3 則P2=68%P1 理論節(jié)電率為:⊿P=（P1-P2）/P1=（1-68%）=32% 6　結(jié)束語 通過對(duì)該系統(tǒng)的改造，自動(dòng)控制，節(jié)能運(yùn)行，保護(hù)功能等都有較明顯的特色。油田的注水泵系統(tǒng)非常多，有中壓的，大多數(shù)還是低壓的，應(yīng)用本系統(tǒng)進(jìn)行改造，其效果都是一樣的。因此可大面積推廣，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能增效的目的。