变频调速技术在5ZB—21/30注水泵中的应用

任鸿翔++张胜利

摘 要：油田注水是油田二次开发保持高产稳产的重要有效措施，为实现能降耗的目标，采用变频调速装置可对注水泵的电动机实行变转速调节，实现注水泵变水量控制，从而有效的节约电能损耗。本文主要阐述海上平台5ZB-21/30、3ZB-11/25往复式注水泵的变频调速技术在海上平台使用的必要性、及柱塞式往复注水泵使用变频控制技术的优点和应用。

关键词：变频调速技术；海上平台；运行参数；节能原理

前言

随着注水开发时间的推移，地层的产出和注入量也发生变化，因此单井的配注量要不断的调整。由于海上平台注水压力高、水量大，注水泵动力系统大多采用大功率电动机，且电压、功率恒定，因此电动机长期处于高耗能状态运行，造成电力的大量消耗，增加了采油成本，因此熟练掌握变频器技术的节能原理以及应用方式，可以有效提高电气设备的工作效率，保证电气设备的正常运行，从而为企业创造经济效益。

1、变频调速技术应用背景

海上油田开发过程中由于地层能量不断衰减，常用注水方式以保持地层能量，进行海上油田开发。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，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，注水量满足不了海上油田开发的需要，必然会造成油层压力下降；注水压力及注水流程壓力过高，浪费动力，也造成超注，导致水淹、水窜；注水压力控制难度大，一般海上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配水撬块调节阀门来实现的，操作人员随时靠观察井口及注水泵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，既浪费电能，又增加了平台员工的劳动强度。现海上cb32A、KF3#均采用柱塞式往复注水泵，在工频条件下，注水泵运转频率保持在50Hz左右，基本不变化，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。在海上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阀门来实现，泵的无效功耗很大。同时，由于柱塞、进排液阀长期在工频状态下满负荷载、高速工作，填料箱、柱塞、盘根、曲轴箱各部件的磨损以及进排液阀、弹簧的损坏频率也很高。回流阀门长期处于半开状态，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。充分利用变频器的各种功能，能很好解决注水泵材料消耗高，维修率高，员工劳动强度大的问题。

2、5ZB-21/30、3ZB-11/25型柱塞式高压注水泵工作原理

注水泵在工作时，由电动机通过皮带和皮带轮带动曲轴，曲轴带动连杆和十字头及柱塞，将旋转运动转变为直线往复运动。柱塞开始往复运动的同时，吸、排液阀进入工作状态，在吸入过程时，柱塞离开泵头，向曲轴方向运行，使柱塞腔内压力下降，形成局部真空，于是进液管中的低压液体在压力作用下，打开进液阀，进入柱塞腔内，当柱塞行至后死点时，进液阀受弹簧力作用而自行关闭，此时柱塞腔内液体处于对外界封闭状态，吸入过程结束，开始排出过程，柱塞向泵头方向运行，由于液体不可压缩的特点（压缩值很小，故略而不计），柱塞腔内封闭的液体在柱塞推力作用下提高压力，当压力升高到超过排液管道压力的一定值时，排液法被打开，液体流入排液管道。当柱塞行至前死点时，排液阀受弹簧力作用而自行关闭，此时柱塞腔内又一次处于封闭状态，排液过程结束。如此反复循环进行，不断将低压液体提高压力，排至高压管道中去，实现泵的功能。

3、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，注水泵转速降低，消耗在电机上的功率降低，从而达到节能降耗的目的。

4、加装柱塞式往复注水泵变频控制系统

综上所述，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，流量就不再用关小注水撬块调节阀来控制，调节阀出口始终处于全开状态，避免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。当注水系统安装变频调速装置后，可通过己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。控制变频器输出频率的大小，从而改变注水泵的转速，达到控制管网压力恒定的目的、当实际管网压力调节压力值时，可通过调节注水泵变频柜输出频率，实现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，变频器控制系统在水泵运行过程中形成可控参数控制，实行恒压供水，保持注水系统和用量处于平衡状态，实现注水泵调速控制。

5结论

变频调速技术在平台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调节注水泵变频柜频率是先调节注水泵电动机的转速，从而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，目前在滞后注水、同步注水，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。

参考文献：

[1]李亮，郝世雄，弥有华.变频调速技术在油田柱塞式往复注水泵上的节能与应用[J].中国机械，2014（9）：218-218.

[2]高江，郑晓利，孙伟刚.注水泵变频控制技术的应用——以安塞油田节能改造为例[J].科技创业月刊，2010（12）：226-228.