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注水泵變頻控制系統

一、前言
      一般油田注水站注水泵流程大多采用傳統的水源井深井泵，將水供到儲水大罐，再由喂水泵將水從儲水罐供給注水泵，最后由注水泵將水注入地層。注水泵電動機大多為大電動機(110KW,185KW)，注水泵出口壓力通常是通過調節閥門來實現的，操作人員隨時靠觀察壓力表的壓力來調節閥門，而水泵電動機的額定轉速基本保持不變，這樣，對電動機而言，“大馬拉小車”的現象十分嚴重，管網水泵較多，流程復雜，既浪費電能，又增加了操作人員的勞動強度。利用恒壓供水控制系統實現對水泵電動機的無級調速，依據注水壓力的要求自動調節系統的運行參數，在用水量變化時保持管網水壓恒定，以滿足注水要求。變頻調速控制系統是先進合理的節能型供水系統，實際應用中得到了很大發展，隨著電力電子技術的飛速發展，變頻器的功能也越來越強，充分利用變頻器的各種功能，對應用恒壓變頻供水系統有著重要的意義。
       采油五廠A站和B站注水泵從建站開始就采用并安裝了變頻調速控制系統，從裝配控制柜、施工安裝、調試保運等都是由電管大隊自己實施，本人當時在電管大隊電工隊工作，一直是該工程施工調試的主要參與者和保運人員。

二、正文
1、該變頻調速控制系統裝置采用的是艾默森變頻器為主要控制器件，通過壓力變送器采集4～20mA信號傳輸給變頻器PID控制器，以監測供水和注水管網的壓力變化，控制變頻器輸出頻率，調節水泵的工作狀態，使管網壓力保持在一個恒定的壓力范圍。水源井深井泵電動機功率為5.5KW，用15KW變頻器驅動控制；注水泵電動機功率為110KW（或185KW），用150KW變頻器驅動控制，根據不同水量及壓力要求，實行變頻運行、工頻備用等來實現恒定水壓，系統通過PID控制器設定參數，根據變頻顯示、壓力顯示、欠壓超時、水壓報警指示及上、下限保持壓力等來控制系統的運行。在注水泵前端管網上安裝一只壓力變送器來控制深井泵變頻器的運行；在注水泵出口管網上安裝一只壓力變送器來控制注水泵變頻器的運行，控制變頻器輸出頻率的大小，從而改變水泵的轉速，達到控制管網壓力恒定的目的。
       當實際管網壓力小于給定壓力值時，變頻器輸出頻率上升，電動機轉速加快，管網壓力開始升高；反之，變頻器輸出頻率降低，電動機轉速下降，管網壓力降低，系統通過自動調節，使實際壓力圍繞設定壓力保持管網壓力恒定。
      變頻調速控制系統在水泵運行過程中形成可控參數閉環控制，實行恒壓供水，保持注水系統和用量處于平衡狀態，實現自動控制。
      過去注水泵流程一般為：水源井—儲水罐—喂水泵—注水泵。安裝變頻調速控制系統，通過恒壓供水控制可使流程簡化為：水源井—注水泵。這一技術革新簡化了工藝流程，減少了操作步驟和水源井的頻繁起停，實現了自動化供水，這樣即節約了電能，降低了成本，又減少了操作員工的勞動強度。
      變頻調速技術是通過改變電動機轉速來調節流量的，能有效抑制機泵運行中存在的“大馬拉小車”現象，減少用電設備的損耗。這樣既減輕了操作者的勞動強度，還能節省電能，延長設備使用壽命，而且還能簡化供水流程，提高工作效率。
2、變頻調速控制系統示意圖

 
整套設備控制系統的工作原理為：
       供水管網的壓力通過壓力變送器采集反饋信號，再通過變頻器的A/D轉換將設定值及采集偏差信號值同時經過PID控制進行比較，PID根據變頻器的參數設置，進行數據處理，將處理結果以運行頻率的形式進行輸出。
       PID控制模塊具有比較和差分的功能，供水管網的壓力低于設定壓力，變頻器就會將運行頻率升高，反則將降低，并根據壓力變化的快慢進行差分調節，以負作用為例：如果壓力在上升接近設定值的過程中，上升速度過快，PID運算也會減少執行量，從而穩定壓力。
      在PID控制下，使用一個4mA對應0MPA，20mA對應1MPa的壓力變送器調節水源井深井泵的供水壓力，另使用一個4mA對應0MPa，20mA對應25MPa的壓力變送器調節注水泵的注水壓力，設定值通過變頻器端子（0～5V）給定。
      整個系統在運行中，當出現缺相、欠壓、變頻器故障、壓力下限超壓等情況時，系統皆能發出聲響報警信號，特別是當出現缺相、變頻器故障、超壓時，系統會自動停機，并發出報警信號，維修人員及時維護處理，使其恢復正常。此外，變頻器故障時，系統可切換至手動方式，用備用工頻方式運行，保證注水生產。   變頻器的軟起功能還減少了設備電動機啟動時的沖擊電流，從而有效保護設備、電網等，延長設備的使用壽命。
3、應用及創效情況：
     A和晉B注水泵安裝了變頻調速控制系統，從進材料和元器件后，電管大隊自己裝配、施工、安裝、調試，每套比外購成套設備節約資金12萬元，共節約資金24萬元；A站年可節約電費11.4萬元；晉93站年可節約電費19.2萬元；同時還省去兩臺喂水泵及其所需消耗電費3.2萬元。每年節約電費33.8萬元，共創效57.8萬元。
4、創效計算依據及方法
按年運行300天、電費0.4元/kw.h（通常變頻器運行頻率多為32Hz）計算：
A站年可節約電費（電動機為110 kw）：
W1=（110×24-110×24×32/50）×300×0.4≈11.4（萬元）
B站年可節約電費（電動機為185 kw）：
W2=（185×24-185×24×32/50）×300×0.4≈19.2（萬元）
兩臺喂水泵年消耗電費（電動機為5.5 kw）：
W3=5.5×2×24×300×0.4≈3.2（萬元）
年節約電費11.4+19.2+3.2=33.8萬元
節約資金12萬元
共創效12+33.8=57.8萬元
5、可推廣范圍：
所有泵類負載，如注水泵、輸油泵、熱水泵、深井泵、風機等。