摘 要 ：本文敘述了青海油田一計注站注水泵的變頻控制設(shè)計及調(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(qū)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(jī)為中壓1140V/132kW的電機(jī)。 　　為了實現(xiàn)恒壓注水，以對管道實施有效的保護(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，壓力低時轉(zhuǎn)速升高，壓力高時轉(zhuǎn)速降低，使管道壓力保持恒定，并設(shè)置壓力報警，進(jìn)口低壓報警，超低壓停機(jī);出口高壓報警，超高壓停機(jī)功能，滿足注水泵工況的需求。 2　對變頻控制柜的要求 　　根據(jù)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(shù)招標(biāo) 　�。�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(diào)頻和PID自動調(diào)節(jié)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(jī)功能（其值可設(shè)定）; 　�。�2）入口低壓報警，超低壓停機(jī)功能（其值可設(shè)定）; 　�。�3）潤滑油高溫報警停機(jī)（其值可設(shè)定）; 　　（4）故障停機(jī)報警（聲音有時間設(shè)定，光有復(fù)位按鈕）; 　�。�5）具有數(shù)據(jù)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(hù)功能:過壓，低壓，過流，欠載，輸入輸出缺相，保護(hù)值及時限可設(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; 　�。�13）　設(shè)現(xiàn)場控制箱，顯示頻率，注水壓力，具有:啟動，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 三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公式: n=60f（1—s）/p 　　式中: n——電動機(jī)轉(zhuǎn)速; f——供電頻率; s——電機(jī)的轉(zhuǎn)差率; p——電機(jī)的極對數(shù)。 　　在該式中，若保持p（極對數(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(jī)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(yīng)這一要求。 　　為了適應(yīng)電壓等級及負(fù)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(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(jù)油田公司的要求及現(xiàn)場的特殊情況，對控制柜進(jìn)行了精心制作。 　�。�1）系統(tǒng)的控制概況: 　　要實現(xiàn)自動控制，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個壓力變送器，分別檢測進(jìn)口和出口的壓力。進(jìn)口壓力變送器將檢測值送入進(jìn)口PID1，進(jìn)行壓力顯示，并通過參數(shù)設(shè)置，進(jìn)行低壓報警及超低壓停機(jī)控制。 　　出口壓力變送器將檢測值送入出口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)到自動控制的目的;二是進(jìn)行高壓檢測，實現(xiàn)高壓報警及超高壓停機(jī)控制功能。 　　在注水泵潤滑油路系統(tǒng)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(jìn)行油溫報警控制。 　�。�2）　控制柜設(shè)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(xiàn)問題時能暫時投入工頻運(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，可以隨時顯示運(yùn)行的電壓、電流值，并可通過現(xiàn)場設(shè)置，對負(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的報警接點及參數(shù)設(shè)置，可進(jìn)行系統(tǒng)高低壓報警及超壓停機(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PID的報警輸出的AL2接報警器，實現(xiàn)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(dāng)系統(tǒng)超壓時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PID，與現(xiàn)場的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時地跟蹤系統(tǒng)壓力的變化，直到系統(tǒng)穩(wěn)定為止。 　　對于各種報警參數(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，對于出口PID，可將AL2設(shè)定為上限報警，輸出控制報警器，將AL1利用正偏差報警設(shè)定為超高壓輸出。對于進(jìn)口PID，可將AL2設(shè)定為下限報警，利用負(fù)偏差報警設(shè)定為超低壓輸出，即可實現(xiàn)各種控制功能。 　　電機(jī)保護(hù)儀要根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行的實際情況進(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）實現(xiàn)了恒壓自動跟蹤調(diào)速。在運(yùn)行中，通過壓力變送器的調(diào)節(jié)，變頻器能自動跟蹤壓力的變化，實時地調(diào)節(jié)運(yùn)行頻率，使管道壓力恒定，沒有出現(xiàn)大的波動。 　�。�2）在進(jìn)出口壓力大范圍波動時，能實施有效的保護(hù)。根據(jù)現(xiàn)場要求，在進(jìn)口設(shè)定壓力為0.8MPa,在0.5MPa時低壓報警，低于0.2MPa時停機(jī)。在出口設(shè)定正常壓力為8MPa,在10MPa時高壓報警，在12MPa時停機(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)儀對電機(jī)保護(hù)性能良好，過壓、欠壓、過載及短路都能實施有效的保護(hù)，有利于保護(hù)電機(jī)及負(fù)載。 　　（5）節(jié)能效果明顯。對于泵類負(fù)載，用變頻控制可以實現(xiàn)大量的節(jié)能。根據(jù)流體力學(xué)知識，功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，而轉(zhuǎn)速與頻率成正比�，F(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 通過對該系統(tǒng)的改造，自動控制，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，以實現(xiàn)節(jié)能增效的目的。