变频调速技术在油田柱塞式往复注水泵上的节能与应用

 变频调速技术在油田柱塞式往复注水泵上使用的必要性
    油田开发过程中地层能量不断衰减，常用注水方式以保持地层能量，进行油田开发。一方面，注水压力高低是决定油田合理开发和地面管线及设备的重要参数。考虑到后期开发注水井的增多，注水工艺设计和机电设备配置都比较宽裕，加之地质情况的变化，开关井数的增减、洗井及供水不足的影响，经常引起注水压力波动，注水量不均匀，不稳定。注水压力低，注水量满足不了油田开发的需要，必然会造成油层压力下降；注水压力过高，浪费动力，也造成超注，导致水淹、水窜；注水压力控制难度大，也给油田生产带来诸多不便，因而要求油田注水压力恒定；另一方面，由于储油层的压力及油气水分布不断发生变化，其数值很难准确预测和控制，考虑到油田开发中的需要，在工艺和机电设备配置上都按照油田最大可能的需求来设计，这一点在注水系统的设计当中显得尤为突出。一般油田注水泵流程大多采用传统的水源井深井泵，将水供到储水大罐，再由喂水泵将水从储水罐供给注水泵，最后由注水泵将水注入地层。注水泵电动机大多为大功率电动机，注水泵出口压力通常是通过调节阀门来实现的，操作人员随时靠观察压力表的压力来调节阀门来实现的，而注水泵电动机的额定转速基本保持不变，这样，对电动机而言，一般配置功率都较大，启动冲击电流大，能耗也大。“大马拉小车”的现象十分严重，管网水泵较多，流程复杂，既浪费电能，又增加了操作人员的劳动强度。
    油田注水普遍采用柱塞式往复注水泵，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。在油田的实际开发过程中，对注水量的需求是变化的，在传统的方式下，为满足配注要求，主要是通过调节注水泵的回流量来实现，泵的无效功耗很大。同时，由于柱塞、阀片长期满载、高速工作，填料的磨损以及阀片的损坏频率也很高。回流调节阀长期处于半开状态，受高压水的冲击，阀心容易磨损、变形导致关闭不严，给生产带来不便。
    变频调速技术可以实现对注水泵电动机的无级调速，依据注水压力的要求自动调节系统的运行参数，在用水量变化时保持管网水压恒定，以满足注水要求。变频调速技术是先进合理的节能型供水系统，实际应用中得到了很大发展，随着电力电子技术的飞速发展，变频器的功能也越来越强，充分利用变频器的各种功能，能很好解决注水泵能耗高，维修率高的问题。
    柱塞式往复注水泵变频调速节能原理
    柱塞式往复泵电机安装变频后，可通过改变变频器的频率来控制注水泵电机的转速，从公式可知，由于注水泵是衡转矩负载，功率的变化与转速的变化成一定比例关系，注水泵安装变频调速装置后，变频器运行频率降低，机泵转速降低，消耗在电机上的功率降低，从而达到节能降降耗的目的。
    p/p₀ ＝（n/n_0）³
    式中p_{0——为额定功率，Kw}    p_{——为实际功率，Kw}
    n_{0——为额定转速，r/min}     n_{——为实际转速，r/min
    假如转速降了一半，即}n/n₀＝1/2时，则p/p₀＝1/8,可见降低转速能大大降低轴功率达到节能的目的。降低了转速，流量就不再用关小出口阀来控制，出口阀始终处于全开状态，避免了由于关小阀门引起的水力损失增加，也避免了总效率下降，确保了能源的充分利用。
    注水系统变频调速工作原理
    当注水系统安装变频调速装置后，可通过已设定的注水管网压力来控制注水泵的开启，确保稳压、高压注水。在注水泵出口管网上安装一只压力变送器来控制注水泵变频器的运行，控制变频器输出频率的大小，从而改变水泵的转速，达到控制管网压力恒定的目的、当实际管网压力小于给定压力值时，变频器输出频率上升，电动机转速加快，管网压力开始升高；反之，变频器输出频率降低，电动机转速下降，管网压力降低，系统通过自动调节，使实际压力围绕设定压力保持管网压力恒定。变频器控制系统在水泵运行过程中形成可控参数闭环控制，实行恒压供水，保持注水系统和用量处于平衡状态，实现自动控制。
    柱塞式往复注水泵使用变频控制技术的原因
    1、实现了电机软启动、自由停车。电机均通过变频器从0～50Hz作缓慢加速启动，可减少机泵因突然高速启动所带来的影响，减少了直接启动时启动电流对电网和机械设备的冲击。
    2、提高了功率因数，改善了电机电源质量，电机功率与实际负荷相配，系统达到节能运行的目的。
    3、消除了泵的喘振现象，使泵运行处于最佳工况状态。
    4、实现压力自动控制，使调节量得到更平稳的调节、增强了系的稳定性和可靠性。
    5、应用变频调速技术，对注水设备的电机转速进行调节，达到稳压、稳流注水。
    6、不会造成管网压力、流量、流速的剧烈变化，不需要阀门截流或回流调节，因此对防止汽蚀、水击、喘振极为有利，可以延长管网、泵、阀门的维修周期和使用寿命。
    7、通过改变电动机转速来调节流量的，能有效抑制机泵运行中存在的大马拉小车现象，减少用电设备的损耗。这样既减轻了操作者的劳动强度，还能节省电能，延长设备使用寿命，而且还能简化供水流程，提高工作效率。
    变频调速技术在油田柱塞式往复注水泵上应用
    目前在长庆油田大展中，在滞后注水、同步注水，尤其在超低渗透油田采用超前注水，变频调速技术得到了广泛的应用，不仅调速效果显著，而且产生了可观的经济效益,应用前景非常广阔。

    变频调速技术在油田柱塞式往复注水泵的应用中，是根据实际情况设定管网水压自动调节水泵电动机的转速，使注水管网中的压力保持在给定值，以求最大限度的节约电能，并且系统能处于可靠运行状态，实现恒压供水、注水，系统水压、水量的任何变化均能使管网中的压力保持恒定，大大提高了注水质量，同时也解决了电动机大马拉小车，操作员工操作复杂、工作强度大等问题，变频器故障维修期间，仍能使用工频拖动，保证注水工作的进行，具有一定的先进性。