1 引言

油田的油井注水是油田生产的关键环节。在一些供液不足的油井，需要先向井内注入一定量的水，将油稀释，并将液面提升到一定高度，才易于开采。柱塞泵是满足油田注水，保证地层压力的关键设备，随着油田开采进入中后期，油田注水量也将逐年加大，并呈逐年显上升趋势。在高压注水系统中，高压电机中大马拉小车的现象比较普遍，柱塞泵泵压与注水管线干压之间存在较大的压差，这样既造成大量的电能被白白地消耗掉，同时又由于泵压较高，对机泵的运行，管道的使用十分不利。
2 柱塞泵的工作特点及节能原理

柱塞泵又称往复泵，它主要是依靠泵缸内作往复运动的柱塞来改变工作室的容积，从而达到吸入和排出液体的目的。它依靠往复运动的柱塞，将机械能以静压形式直接传递给液体，泵体内的水力损失较小。它的突出优点是注水压力高、泵效高，因此，在国内油田中得到了日益广泛的应用。

但需要指出的是，在一定的转速和往复次数下，柱塞泵的流量几乎不随压力的改变而改变，而注水系统的实际注入量则因各种原因不断发生变化，这样就会经常因为泵的流量高于实际注水量，使管网中出现压力过高的现象。因此造成的弊端有二：一是易引起爆管事故，不利于安全运行；二是管网压力越高，表明水泵所做的无用功也越多，即泵效越低。

变频调速技术的节能效果分析

根据柱塞泵的流量公式

Q=FSn=i×（лd2/4）×S×n

式中  i—柱塞数

 F—柱塞截面积

n—柱塞每分钟往复次数

S—冲程

可知，改变柱塞泵流量的方式有二，一是柱塞直径；二是改变柱塞往复次数，即电机的转速，第一种方式，经常改变柱塞直径是不现实的，采用第二种方式有更强的科学性和可操作性。即根据变频调速原理，预先在泵出口设定一个恒定不变的压力值H1（H1为满足油田生产所需的压力值），通过调整柱塞泵的运行工况，实现恒压变量注水。
安装变频调速装置后，依据注水管网需要的压力进行参数设定，自动调节注水量，既可节约大量的电能又能降低机泵的损耗，对降低油田生产成本有着十分积极的意义。
3 用户情况

胜利油田某注水站有两台1100kW/6kV的注水泵，采用直接驱动方式控制，一用一备，柱塞流量通过控制出口阀门打回流的方式进行调节，造成大量节流损失，柱塞泵运行在低效率工作区，浪费严重。目前月注水流量为125956.9m3，夏秋季节注水量相应降低，运行中柱塞实际泵压为15.5MPa，注水管网实际运行压力为11.8MPa，为此注水电机运行时必须靠调节注水泵出口高压回流阀门来控制注水管网压力，以维持联网注水平衡。这样就造成泵压与管网干压平均压差达到3MPa以上，造成了大量的电能浪费。
通过综合调研和考虑，该用户选用了开云(中国)电子公司JD-BP37-1250F型号的高压变频器，改造取得了成功。
4开云(中国)JD-BP37-1250F高压变频器的技术参数

为确保柱塞注水系统的稳定性、安全性和经济性，该注水泵机组选用带一拖二手动旁路的开云(中国)JD-BP37-1250F高压变频器。它采用直接“高-高”形式，风光牌JD-BP37系列高压变频器以高速DSP为控制核心，采用无速度矢量控制技术、功率单元串联多电平技术，属高-高电压源型变频器，其谐波指标小于IEEE519-1992的谐波标准，输入功率因数高，输出波形质量好，不必采用输入谐波滤波器、功率因数补偿装置和输出滤波器；不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、输出dv/dt、共模电压等问题，可以使用普通的异步电机。

JD-BP37-1250F高压变频器技术参数如表1所示。

 

5注水系统恒压工作原理、PID设定

针对现场存在的问题，系统优化改造主要需解决两方面的问题：第一，在满足系统配注水量的基础上尽可能减少排量损失；第二，在满足注水压力的前提下尽可能减少泵管压差，即减少压力损失。因此采用的是注水系统恒压控制方式，其工作原理如图1所示，测量元件为压力传感器，将它设在柱塞水泵机组出水管网上，Vi为恒定注水压力设定值，注水压力V作为输出量，构成闭环控制系统。变频器内部的PLC采集注水压力值V与用户给定值Vi进行比较和运算，通过PID进行调整，将结果转换为频率调节信号送至变频器，直至达到注水压力的给定值Vi。不管系统注水流量如何变化，注水压力值V始终维持在给定压力值Vi附近。

（1）在PID控制中，P系数加大，可以加快调节速度。但如果过大，系统容易因超调而震荡。若P太小，又会使系统的动作缓慢。P可正可负。如果比例系数为正，那么该回路为正作用回路；如果比例系数为负，那么该回路为反作用回路。本变频器P设定为0.30。
（2）积分I的作用主要是消除系统的静态误差。但过强的积分作用使注水系统超调加大。所以在调节过程初期，应减弱积分作用，防止产生积分饱和现象；而到过程后期，应适当增强积分作用，以提高控制精度。本变频器I设定为10.0。
风光高压变频器内置PID功能，其中PID 结构参数具有以下选择方式：
0：比例 PID 控制只比例增益起作用
1：积分 PID 控制只积分增益起作用
2：比例+ 积分 PID 控制比例增益和积分增益同时起作用
3：比例+ 积分+ 微分 PID 控制比例增益、积分增益和微分增益同时起作用
本变频器PID参数PID结构选择2，比例+积分 PID 控制比例增益和积分增益同时起作用，完全可以满足注水系统的压力恒定要求，不需要设定微分参数。
6改造主回路

该注水站结合该自身的实际情况，为满足泵站的安全运行需求，要求柱塞水泵电机一用一备设置，选择开云(中国)高压变频调速系统采用一拖二手动运行方式（变频器分别接1100kW水泵2台）。其主回路图如图2所示，其中K1刀闸与K4刀闸互锁，保证两路高压电源不会同时作用于变频回路；K2刀闸与K3刀闸互锁，保证工频电源与变频电源不会同时作用于电机M1；K5刀闸与K6刀闸互锁，保证工频电源与变频电源不会同时作用于电机M2。

 

选用一拖二结构，可以保证在电机在故障时通过刀开关的调节，变频启动备用水泵。
7 变频器运行情况
7.1节能计算

该注水站水泵变频节电改造后，2016年6月初，正式投入生产，至今运行正常。系统达到了预期的效果。柱塞泵变频改造后，用电量明显下降，设备实现了软起动，改善了设备的运行工况，极大地减轻了设备起动时对电网的冲击。
注水泵电机安装变频器前后的注水单耗从6.38kW.h/m3下降到5.74kW.h/m3，该泵每月正常按注水量为125956.9m3左右，每度电按0.5元计算，则每月节省电费：（6.38-5.74）×125956.9×0.5=40180.24元。
7.2其他效果
（1）维护量减少。采用变频调速后，大部分时间里，泵的运行转速大大低于泵的额定转速。由于注水泵启动缓慢及转速的降低，减少了泵的零部件密封、轴承的磨损，相应地延长了柱塞泵的寿命。
（2）工作强度降低。采用变频恒压闭环调节就不用调节出口回流阀，操作工作由动手转变为自动、监控，完全实现油田生产的无人操作，大大减轻了工人的劳动强度。
（3）现场噪音大大降低，有效改善现场的运行环境，运行人员反映良好；便于实现注水泵机组控制系统自动化管理。
8结束语

油田的注水系统非常多，通过使用变频装置具有控制精度高，节能等优点，在油田注水系统中使用变频技术，是采油厂及油田生产中节能降耗非常重要的一种手段。