摘 要 ：本文敘述了青海油田一計注站注水泵的變頻控制設計及調試過程，指出了采用變頻控制的意義，展示了該類設備變頻控制的前景。 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的關鍵環節。在一些供液不足的油井，需要先向井內注入一定量的水，將油稀釋，并將液面提升到一定高度，才易于開采。為了節能降耗，往往幾口井集中起來，用一臺泵集中注水，這就是計注站的作用。 　　青海油田采油二廠躍西采油區計23站，就是一個集中注水站，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,電機為中壓1140V/132kW的電機。 　　為了實現恒壓注水，以對管道實施有效的保護，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整電機的轉速，壓力低時轉速升高，壓力高時轉速降低，使管道壓力保持恒定，并設置壓力報警，進口低壓報警，超低壓停機;出口高壓報警，超高壓停機功能，滿足注水泵工況的需求。 2　對變頻控制柜的要求 　　根據以上情況，油田公司提出了對變頻控制柜的要求如下: 2.1　1.14kV恒壓注水變頻柜的技術招標 　　（1） 變頻柜的變頻器功率:160kW（2臺）; 　　（2） 輸入電壓:1140V±15%,50Hz; 　　（3） 注水工作壓力:0-25Mpa; 　　（4） 變頻柜具有手動調頻和PID自動調節模式。 2.2　變頻柜具有的功能 　　（1）注水泵超壓報警，超高壓停機功能（其值可設定）; 　　（2）入口低壓報警，超低壓停機功能（其值可設定）; 　　（3）潤滑油高溫報警停機（其值可設定）; 　　（4）故障停機報警（聲音有時間設定，光有復位按鈕）; 　　（5）具有數據儲存功能:電壓，電流，輸出功率，故障記錄; 　　（6）具有完善的電氣保護功能:過壓，低壓，過流，欠載，輸入輸出缺相，保護值及時限可設定; 　　（7）具有RS-485數據通訊接口; 　　（8）柜體冷卻風扇溫控設定功能; 　　（9）變頻柜面板顯示:電壓，電流，運行頻率，注水壓力; 　　（10）設現場主控操作轉換開關; 　　（11） 配壓力變送器4只（具有數值顯示） 　　0-25MPa:2只;　0-2.5MPa:2只; 　　（12） 設工頻啟動; 　　（13）　設現場控制箱，顯示頻率，注水壓力，具有:啟動，停止，頻率調節按鈕。 3　中壓變頻器的原理 　　該系統的關鍵技術是中壓變頻器。經油田考察，我們公司生產的中壓變頻器技術及應用都已很成熟，無論是在潛油電泵，還是在抽油機上，應用都比較多，而且很穩定，因此采用筆者的技術，并責成制作控制柜。 3.1　變頻器的原理 三相異步電動機的轉速公式: n=60f（1—s）/p 　　式中: n——電動機轉速; f——供電頻率; s——電機的轉差率; p——電機的極對數。 　　在該式中，若保持p（極對數）、S（轉差率）不變，平滑的改變電機的供電頻率，則電機轉速n=Kf（k為比例系數），即可得到平滑的改變，這就是變頻調速的原理。 3.2　中壓三電平電路 　　由于現場工作電壓比較高，為1140V，采用普通的變頻器顯然不合適，而采用高壓模塊，代價又較高，且對于高壓電機而言，良好的波形對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這一要求。 　　為了適應電壓等級及負載的要求，采用了三電平電路（亦稱中點箝位電路），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，串聯承擔全部的電壓，三相交流電經全波整流后變成直流電，由單片機控制4只IGBT的導通與截止，形成SPWM的交變輸出。為抑制IGBT交變過程中的電壓突變，采用了中點箝位電路，有2只快恢復二極管串聯組成箝位二極管，其中心點與濾波電容的中心點相連接，組成本電路的中心點（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 　　根據油田公司的要求及現場的特殊情況，對控制柜進行了精心制作。 　　（1）系統的控制概況: 　　要實現自動控制，用壓力變送器和PID調節器與變頻器構成恒壓閉環系統。系統構成如圖3所示: [align=center] 圖3　系統控制圖[/align] 　　圖3中P為壓力變送器。 　　工作過程如下: 　　在系統中采用了進口、出口2個壓力變送器，分別檢測進口和出口的壓力。進口壓力變送器將檢測值送入進口PID1，進行壓力顯示，并通過參數設置，進行低壓報警及超低壓停機控制。 　　出口壓力變送器將檢測值送入出口PID2，進行出口壓力顯示，并通過參數設置，一是控制變頻器的頻率，進而調節水泵的轉速，達到自動控制的目的;二是進行高壓檢測，實現高壓報警及超高壓停機控制功能。 　　在注水泵潤滑油路系統中，為了控制油溫，采用熱電偶檢測潤滑油的溫度，并將檢測值送入PID3，進行油溫報警控制。 　　（2）　控制柜設計 　　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問題時能暫時投入工頻運行，保證生產的連續性。在輸出端還接有電機保護儀，可以隨時顯示運行的電壓、電流值，并可通過現場設置，對負載進行有效的保護，如過壓、欠壓、過載及電流不平衡等。 　　通過PID的報警接點及參數設置，可進行系統高低壓報警及超壓停機控制。控制框圖如圖5所示。 [align=center] 圖5　控制示意圖[/align] 　　即將3個PID的報警輸出的AL2接報警器，實現報警，將AL1的輸出接一個中間繼電器，其常閉點串在變頻器的控制接觸器KM1、KM2的控制回路中，當系統超壓時AL1輸出，KM1、KM2斷電，從而使變頻器停機。 　　（3） 遠控設置 　　為了方便于操作人員，系統還設置了遠控裝置。遠控裝置上也設有一個PID，與現場的PID串接，便于操作人員監控及操作。 　　（4） 鐵皮房維護 　　由于是野外工作，風沙又比較大，環境比較惡劣，作了專門的鐵皮房加以防護。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，防止風沙侵襲。 4　系統的調試 　　系統調試的關鍵是各種參數的設定。主要是PID的參數選擇。要正確設置P、I、D三個參量，使系統穩定運行，可先讓PID自整定，根據整定出的數值再適當調整，使變頻器的頻率變化能實時地跟蹤系統壓力的變化，直到系統穩定為止。 　　對于各種報警參數的設置，可依據PID調節儀的說明書進行設定，對于出口PID，可將AL2設定為上限報警，輸出控制報警器，將AL1利用正偏差報警設定為超高壓輸出。對于進口PID，可將AL2設定為下限報警，利用負偏差報警設定為超低壓輸出，即可實現各種控制功能。 　　電機保護儀要根據現場運行的實際情況進行設定。一般過載電流設置為額定電流的1.2倍，過壓為額定電壓的1.2倍，欠壓為0.8倍等。 5　系統運行情況 　　系統經安裝調試以后，已正常運行半年多，無故障出現。 　　（1）實現了恒壓自動跟蹤調速。在運行中，通過壓力變送器的調節，變頻器能自動跟蹤壓力的變化，實時地調節運行頻率，使管道壓力恒定，沒有出現大的波動。 　　（2）在進出口壓力大范圍波動時，能實施有效的保護。根據現場要求，在進口設定壓力為0.8MPa,在0.5MPa時低壓報警，低于0.2MPa時停機。在出口設定正常壓力為8MPa,在10MPa時高壓報警，在12MPa時停機。有效地保護了管道及水泵，不使其超壓或過載運行，效果良好。 　　（3）柜體防護性能好。由于作了雙層防護，能良好的隔沙、隔塵，保持清潔。 　　（4）變頻器及電機保護儀對電機保護性能良好，過壓、欠壓、過載及短路都能實施有效的保護，有利于保護電機及負載。 　　（5）節能效果明顯。對于泵類負載，用變頻控制可以實現大量的節能。根據流體力學知識，功率與轉速的三次方成正比，而轉速與頻率成正比。現該系統運行頻率大約在 P1/P2=（n1/n2）3=（f1/f2）3=（50/44）3 則P2=68%P1 理論節電率為:⊿P=（P1-P2）/P1=（1-68%）=32% 6　結束語 通過對該系統的改造，自動控制，節能運行，保護功能等都有較明顯的特色。油田的注水泵系統非常多，有中壓的，大多數還是低壓的，應用本系統進行改造，其效果都是一樣的。因此可大面積推廣，以實現節能增效的目的。