浅析变频调速技术在注水系统的应用
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【摘要】油田注水是采油生产中最重要的工作之一。油田的注水开发在油田的开发中具有极其重要的意义。随着油田的开发，油田含水不断增加，产液量也迅速上升。为了继续实现油田稳产，油田能耗将急剧升高。因此，进一步控制并降低注水损耗，将成为今后油田生产建设中的重要任务。本文就变频调速装置的特性、节能效果及所产生的经济效益进行了浅显的分析。
目前根据采油一厂尕斯油田地层开发的要求，对注水压力的要求也很高。对于尕斯油田而言，深层要求地层压力在26Mpa，中浅层要求的压力在24Mpa，所以在注水泵的选择方面就需要输出压力较高的柱塞式注水泵。为了保证注水压力要求，以计注九站为例：目前每天启泵台数为4台，电机电压与功率为380V 185KW和380V 315KW三项异步电动机，每天的注水量在2000m3左右，平均每天耗电量在15000kw·h，平均一年耗电量为5475000kw·h，因此注水大队是一个耗电大户。鉴于此，建议使用变频调速装置，旨在节能降耗并且确保注水系统平稳运行。
1.变频技术介绍
1.1变频调速装置简介及性能对比
变频调速技术是现代电力传动技术的一个主要发展方向，具有显著地节能效果和优异的调速性能。特别是近几年来随着电子元器件和工业控制技术的迅速发展，变频器的容量越来越大、价格越来越低、性能越来越好，应用的领域不断扩大，已经遍及各行各业。首先，变频调速装置具有显著地节能效果据统计，石油化工企业90%以上的电力消耗在交流电动机上。因此，如何节能降耗运行，以实现装置效益的最大化就成为一个重要的问题。一般情况下，装置在设计时为了满足最大最理想的处理能力，机泵就必须留有一定的余量。而在实际生产中，处理量保持一直不变不可能的，所以流量压力等参数就要随工艺的需求不断调整。以注水大队计注九站为例：注水泵压为26mpa，采用调节回流阀开度来平衡注水泵压的要求，实际上就是通过增加系统管网阻力来达到调整的目的，这样不可避免的就有一部分回流能量白白消耗，事实上整个系统不是运行在最佳的节能状态，而通过对机泵转速的调整是解决这个问题的最佳节能方案。
自动调节过程是系统从平衡到平衡的过程，假定流量、压力为定值的情况下。正常注水状态下注水末端的信息将会反馈回处理器进行处理，当反馈值与给定值不一致时，控制器会重新调整数据，并将新数据电信号送到变频器从而控制电机的转速，达到调节泵压的目的，从而避免因调节回流控制阀和系统波动造成的功率损耗。
1.2变频调速系统的使用
变频器的正常使用受到周围环境的限制包括温度湿度海拔以及振动等等。一般来说变频器正常运行要求环境温度保持在0-40℃最低不超过-10℃最高不超过50℃若超出此范围变频器中的功率器件会因为散热不及时而导致器件温度过高无法正常工作甚至损坏，其次要保证CPU及各种芯片正常工作就要有适宜的温度。由于青海油田冬天较冷夏天较热温差较大应考虑加装加热器和换气装置以利于加温和散热。变频器周围运行的湿度推荐为40%-90%，青海油田气候较干燥容易产生绝缘破坏需增加变频器室内空气湿度。由于所处环境海拔较高故在设计选型时需特别注意。总之，正确使用变频器将会提高注水系统效率，会大大减少故障，减少维修费用，确保系统安全运行。
2.变频调速技术优势分析
本文前面提到计注九站实际操作中为保证注水压力就必须依靠调整回流阀开度来实现，将有一部分能量从回流白白损耗掉，还有一部分能量在启、停设备等操作中损耗。而采用变频调速装置后，回流阀可以完全关闭，系统可以将现场检测到的控制对象参数反馈给控制器，经过比较计算后输出一个控制的电信号送到变送器，从而控制并调整电机转速，达到调整压力的目的。这样可以使目前损耗掉的那一部分电能节省下来，数量较为可观。由下图可见，通过打回流的方式调节流量，功率消耗不降低，即完全不节能。而变频调速方式效果最佳，当流量调节为80%时，功率约下降为额定功率的50%。以上可以充分说明变频调速具有明显的节能优势。
在安全方面：目前所采取的操作方式需要频繁地调整回流闸门的开度来控制泵压，而机泵处于高压运行状态，不仅对设备管网的安全带来考验，而且对岗位操作人员造成安全隐患。在节能方面：固定一台变频调速电机进行控制，就会减少其他正常泵因回流阀门未完全打死而造成对泵效的影响，这样就可以最大限度的将泵效发挥到极点，而减少高压水的浪费现象。将回流闸门全部打死，有效的防止了高压水对管网与注水阀芯的冲击，提高了注水系统效率。
3.变频调速技术改造应注意的问题
在确定注水电机要进行变频调速改造后，就要正确的选择变频器。第一、根据电机的容量、过载倍数选择合适的变频器容量，变频器的容量要比电机容量略大既可。第二、选择变频器的主回路形式，主要考虑：最好是没有升压变压器的高压直接变频，尽量不采用高低高方案；变频器效率越高越好；损耗越低越好；电网侧功率因数尽量要高，而且随负载和转速下降不要太多；电网侧谐波电流一定要满足国标要求，越小越好；电机侧电压谐波和电流谐波尽量小，dv/dt尽量小，电压电流波形越接近正弦越好。第三、选择变频装置的功率器件要先进、成熟、可靠性高、控制简单；主回路结构简单、易于更换；装置体积尽量小。第四、选择变频器的控制形式，对注水泵变频，采用压频比控制就能满足要求，如果是矢量控制或直接转矩控制就更好；另外还要考虑变频器必须要有网络连接功能，以便于与自动化系统的连接。