油田注水普遍采用柱塞泵，柱塞泵是液壓系統(tǒng)的一個(gè)重要裝置。它依靠柱塞在缸體中往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使密封工作容腔的容積發(fā)生變化來(lái)實(shí)現(xiàn)吸油、壓油。柱塞泵具有額定壓力高、結(jié)構(gòu)緊湊、效率高和流量調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于高壓、大流量和流量需要調(diào)節(jié)的場(chǎng)合，諸如液壓機(jī)、工程機(jī)械和船舶中。柱塞泵柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)總行程L是不變的，由凸輪的升程決定。柱塞每循環(huán)的供油量大小取決于供油行程，供油行程不受凸輪軸控制是可變的。供油開(kāi)始時(shí)刻不隨供油行程的變化而變化。轉(zhuǎn)動(dòng)柱塞可改變供油終了時(shí)刻，從而改變供油量。柱塞泵工作時(shí)，在噴油泵凸輪軸上的凸輪與柱塞彈簧的作用下，迫使柱塞作上、下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而完成泵油任務(wù)，在工頻條件下，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，柱塞往復(fù)頻率是恒定的，因此，排量也是恒定的。在油田的實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程中，對(duì)注水量的需求是變化的，同時(shí)，由于柱塞、閥片長(zhǎng)期滿(mǎn)載、高速工作，填料的磨損以及閥片的損壞頻率也很高。回流調(diào)節(jié)閥長(zhǎng)期處于半開(kāi)狀態(tài)，受高壓水的沖擊，閥心容易磨損、變形導(dǎo)致關(guān)閉不嚴(yán)，給生產(chǎn)帶來(lái)不便。

　　另一方面，注水泵電機(jī)一般配置功率都較大，啟動(dòng)沖擊電流大，對(duì)附近的設(shè)備有影響，而且能耗也大。

　　從吐魯番采油廠實(shí)際運(yùn)行情況看，去年，雁木西、神泉開(kāi)一臺(tái)泵就能滿(mǎn)足配注要求，隨著注水井的增加以及單井配注量的改變，需要增開(kāi)一臺(tái)泵，魯2塊試注雖然只要一口注水井，也需開(kāi)啟一臺(tái)泵，導(dǎo)致用電負(fù)荷增大。為了改善注水泵的運(yùn)行工況。注水井是用來(lái)向油層注水的井。在油田開(kāi)發(fā)過(guò)程中，通過(guò)專(zhuān)門(mén)的注水井將水注入油藏，保持或恢復(fù)油層壓力，使油藏有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)力，以提高油藏的開(kāi)采速度和采收率。依據(jù)油藏的構(gòu)造形態(tài)、面積大小、滲透率高低、油、氣、水的分布關(guān)系和所要求達(dá)到的開(kāi)發(fā)指標(biāo)，選定注水井的分布位置和與生產(chǎn)井的相對(duì)關(guān)系（稱(chēng)注水方式）。注水井井距的確定以大多數(shù)油層都能受到注水作用為原則，使油井充分受到注水效果，達(dá)到所要求的采油速率和油層壓力。注水井的吸水能力主要取決于油層滲透率和注水泵壓，為使油層正常吸水，注水泵壓應(yīng)低于油層破裂壓力。

　　1 變頻調(diào)速應(yīng)用于注水泵的意義

　　異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速與其電源頻率成正比，即：

　　n=60f（1一s） ， （1）

　　式中 n—— 電機(jī)轉(zhuǎn)速，rpm；

　　f——電源頻率，Hz；

　　s——異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差率，％ ；

　　p—— 電機(jī)極對(duì)數(shù)。

　　變頻調(diào)速就是通過(guò)改變電機(jī)定子繞組供電的頻率（f）來(lái)達(dá)到調(diào)速的目的，其基本原理是通過(guò)整流一穩(wěn)壓一逆變，把50 Hz的工頻電源轉(zhuǎn)換為頻率可調(diào)的電源，應(yīng)用于電機(jī)，從而達(dá)到調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系： n =60 f（1-s）／p，（式中n、f、s、p分別表示轉(zhuǎn)速、輸入頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)差率、電機(jī)磁極對(duì)數(shù)）；通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)工作電源頻率達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

　　在注水泵上使用變頻技術(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)泵的排量的控制。這樣，在一定范圍內(nèi)，實(shí)際配注需要多少量，注水泵就排出多少量，消除泵的無(wú)效回流，改善泵的運(yùn)行工況，降低對(duì)設(shè)備的磨損。而且，通過(guò)使用變頻器，可使電機(jī)平滑啟動(dòng)，方便的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，在輕載、低頻的情況下，還具有很好的節(jié)能效果。

　　2 電氣設(shè)計(jì)

　　由于注水泵屬平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，因此，通過(guò)選用艾默生TD20OOG型變頻器作為變頻控制的主體，利用變頻器自帶的控制調(diào)節(jié)功能，結(jié)合注水泵及電機(jī)所需的保護(hù)以及注水工藝要求，完成了變頻控制柜的設(shè)計(jì)。

　　2.1 變頻柜設(shè)計(jì)

　　（1）變頻柜要實(shí)現(xiàn)一柜兩泵的控制功能，變頻柜，普通的動(dòng)力柜或控制柜由傳統(tǒng)拖動(dòng)方式改為變頻拖動(dòng)方式。簡(jiǎn)而言之：應(yīng)用變頻器拖動(dòng)動(dòng)力裝置的控制柜。因其良好的啟動(dòng)性能、調(diào)速性能和節(jié)能效果而成為當(dāng)前推廣的動(dòng)力拖動(dòng)方式。既控制柜中通過(guò)手動(dòng)切換、選擇，可以使一臺(tái)變頻器分別應(yīng)用于相鄰的兩臺(tái)注水泵，這樣，在一臺(tái)泵有故障時(shí)，可以通過(guò)電氣切換使另一臺(tái)泵使用變頻，提高變頻器的利用率。

　　（2）注水泵自帶的保護(hù)（進(jìn)出口壓力、機(jī)油壓力、電機(jī)溫度等）信號(hào)進(jìn)變頻柜，實(shí)現(xiàn)連鎖保護(hù)。

　　（3）利用變頻器自帶的PID調(diào)節(jié)模塊，設(shè)計(jì)閉環(huán)控制功能，通過(guò)檢測(cè)泵出口匯管壓力，與設(shè)定壓力進(jìn)行PI運(yùn)算，自動(dòng)控制變頻器的輸出頻率。

　　（4）旁路功能：即變頻柜的電源接人考慮兩個(gè)回路，分別引自?xún)膳_(tái)原注水泵啟動(dòng)柜電源，人口、出口設(shè)切換開(kāi)關(guān)，這樣，在變頻柜有故障時(shí)，可以使用原啟動(dòng)柜控制注水泵。

　　2.2 主電路設(shè)計(jì)

　　為了實(shí)現(xiàn)一柜兩泵的功能，在主電路設(shè)計(jì)中，考慮了變頻器的雙入雙出回路，通過(guò)交流接觸器1KM、2KM選擇變頻器的電源；通過(guò)交流接觸器KM1、KM2控制變頻器輸出到兩臺(tái)泵（圖1）。

　　控制電路如圖2：通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)1SA選擇接通1 或2 注水泵，同時(shí)，通過(guò)主電路交流接觸器輔助觸電實(shí)現(xiàn)互投互鎖。

　　對(duì)于注水泵、電機(jī)的保護(hù)（泵進(jìn)出口壓力、潤(rùn)滑油壓力、電機(jī)溫度等），設(shè)計(jì)中立足于原有設(shè)施，通過(guò)把原檢測(cè)信號(hào)引入變頻柜來(lái)實(shí)現(xiàn)。考慮到變頻器要實(shí)現(xiàn)對(duì)兩臺(tái)泵的控制，設(shè)計(jì)中把保護(hù)信號(hào)通道的選擇控制用注水泵主接觸器的輔助觸電來(lái)完成，無(wú)須外部干預(yù)，也避免誤操作，原理圖見(jiàn)圖3。

　　2.3 調(diào)節(jié)控制電路設(shè)計(jì)

　　由于TD2000變頻器帶有內(nèi)置的PI調(diào)節(jié)器以及24VDC輸出，因此，在其調(diào)節(jié)控制電路設(shè)計(jì)中，不用外配PLC，利用其內(nèi)置的模塊就能構(gòu)成簡(jiǎn)單的閉環(huán)控制回路。詳見(jiàn)圖4，壓力變送器檢測(cè)匯管壓力，輸出4—20 mA信號(hào)給變頻器CCI端，經(jīng)轉(zhuǎn)換，與調(diào)節(jié)電位器給定的信號(hào)進(jìn)行PI運(yùn)算，輸出調(diào)節(jié)信號(hào)給逆變器，控制輸出頻率，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)。

　　3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

　　按照以上設(shè)計(jì)，委托開(kāi)關(guān)廠進(jìn)行了柜體組裝，并于今年5—7月完成了雁木西、神泉、葡北及玉東的安裝、調(diào)試。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在低頻工況下，電機(jī)溫升較高，不利于運(yùn)行。
　　通過(guò)引進(jìn)變頻器，使四個(gè)油田注水系統(tǒng)運(yùn)行工況得到了很大改善。其中，神泉變頻器設(shè)定頻率40 Hz，注水泵無(wú)回流；雁木西變頻器設(shè)定頻率20Hz，回流減小到4 m ／h；魯2變頻器設(shè)定頻率25Hz，回流量也大大減少，基本實(shí)現(xiàn)了改造目的。

　　4 效益測(cè)算

　　從節(jié)能監(jiān)測(cè)的結(jié)果看，魯2注水泵在未使用變頻器的情況下，每天耗電量為840 kWh，使用變頻器后，注水泵有功節(jié)電率為32.83％，綜合節(jié)電率達(dá)到41.3％ 。全年變頻柜投用時(shí)間按300 d計(jì)算，年節(jié)電量為：840×0.413×300=104 076 k 。

　　目前電價(jià)為0.74～／kWh ，則每年可節(jié)電費(fèi)：104 076×0.74=77 016.24元。

　　單臺(tái)變頻柜的投入成本為11.7 X 10 元，投資回收期為117 000／77 016=1.51年。經(jīng)濟(jì)效益非常明顯。

　　5 結(jié)論

　　注水泵應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，可以有效改善系統(tǒng)工況，方便配注量的調(diào)節(jié)，而且可以節(jié)省電能，延長(zhǎng)填料的使用周期，減小設(shè)備的磨損，是一種值得推廣的新型拖動(dòng)技術(shù)。