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[摘要]本文阐述了变频调速技术引用的必要性和基本原理，并结合现场应用情况分析对比，总结出变频控制技术引用于注水系统能有效防止阀门损坏、实现稳压注水及节能降耗显著效果。
[关键词]油田 变频调速 注水泵 节能降耗
中图分类号：U261.153 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）06-0001-01
油田开发过程中地层能量不断衰减，常用注水方式保持地层能量进行开发。目前，多数注水压力靠泵出口阀门或回流阀门手动控制来改变管网特性曲线来调节泵的排量，难以达到泵的最佳工况点；管网运行效率低，电能损失达50%以上；泵阀门磨损严重寿命短，泵维修频繁。因此，油田注水系统引入了变频控制技术。
1、注水系统利用变频技术的必要性
某注水站运行中存在以下问题：①出口压力在阀门上损耗达到4 6MPa；某注水站注水泵输出压力22.5 MPa，经过阀门后降低到18.5MPa②出口阀门由于长期超过额定压力造成损坏频繁；某注水站注水泵出口阀门最多两个月更换一次；③电动直接启动，对电网冲击达15%以上压降；④人工调节阀门的开度，控制不准确，增加劳動强度。
通过变频改造的注水系统通达到如下优点：①实现电机平衡启动、自由停车，电机均通过变频器或软启动从0.150Hz作缓慢加速启动，减少直接启动时启动电流对电网的冲击；②提高功率因数，电机的功率与实际负荷相匹配，达到节能目的；③消除泵的喘振现象，使泵达到最佳工况；④实现压力自动控制，调节更加平稳，增强注水系统系统的稳定性和可靠性。
2、注水泵用变频控制控制分析
采用变频器将电机直接调速，耗能量将会显著减少。注水泵运行中的功耗主要包括电动机的轴功率、线路损耗、控制装置损耗。
2.1 注水泵流量控制法
注水泵流量调节的基本原理是通过改变注水泵本身特性曲线，或二者同时改变，以得到所需的工况流量。
调节流量的方法可以分为恒速调节和变速调节两大类。目前的阀门调节是靠改变管网特性曲线来达到调节目的。阀门调节是利用阀门来增大管道阻力，减少流量，这种调节不经济，人为增加管网的阻力也就增大了流体所消耗的电能。
流量的调速控制方法常用的有：①转子回路串电阻控制；②液力耦合器控制；③调压控制；④串级调速控制；⑤调压变频器控制；⑥无换向器电机控制。其中，液力耦合器和转子回路串电阻控制方法效率最低，速度愈低效率愈低，采用无换向器电机、串级调速和变频器控制方式效率最高。
注水泵流量的不同控制方法在输出同样流量的情况下，变频器控制的电力消耗最小。转子回路串电阻和液力耦合器控制方式的电力消耗较大，二者基本相同。
2.2 注水泵变频调速节能原理
注水泵是典型的变转矩负载，注水泵电动机的轴功率与转速的3次方成正比，而转矩与转速的2次方成正比。注水泵的扬程与流量的关系曲线如图l，转矩与电机速度的关系曲线如图2。
由图2可以看出，在低速时，功率会有很大的下降，由于水泵运行额定转速以上是恒功率调速，此时水泵效率很低，机械磨损大，易损坏电机。速率降低10%时会带来30%的功率下降，功率的大幅度降低，可获得显著的节能效果，如表2。
3、使用变频调速后节能分析
注水泵在变速调节的过种中，如果不考虑管道系统阻力R的影响，且扬程H随流量Q成平方规律变化，则注水泵的效率不变（只有在负荷率低于80%时才略有下降），注水泵流量由100%下降到50%时，变速调节与阀门调节方式相比，注水泵的效率平均高出30%以上。从节能的观点来看，变速调节方式为最佳。
4、变频调速在注水系统的应用效果
4.1 实现稳压注水
注水站在使用变频调速装置前，都是用人工频启动设备，泵在恒速下运行。在生产实际中，由于注水系统的不稳定性，使泵压经常发生变化，当压力超过或低于规定值时，只能靠人工的启停泵或打回流来调节压力，很难实现稳压注水。例如，在注水泵超过规定压力后，如果听一台泵，则压力达不到要求，如果不停泵则压力过高，只能处于超压或欠压状态下运行，既影响稳压注水又浪费能耗，应用变频技术后从根本上解决了这一影响注水质量及注水效率的难题。
4.2 延长设备使用寿命
变频调速装置安装以后，很大程度上降低了泵出口、回流阀门的关闭、开启次数，延长了阀门的使用寿命；降低注水泵频繁启停，设备维修费用。
4.3 降低电机启动电流，避免大电流冲击电网
变频调速装置的安装，实现了电机启动电流从低到高，逐渐达到运行电流，避免了大电流对电网及机械设备的冲击，确保了电网的安全。
总之，目前油田在节能降耗方面存在很大余地，变频调速技术的推广应用将很大程度上降低油田注水系统能耗，也是今后节能降耗、提高地面注水系统效率工作的主要方向。
[关键词]油田 变频调速 注水泵 节能降耗
中图分类号：U261.153 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）06-0001-01
油田开发过程中地层能量不断衰减，常用注水方式保持地层能量进行开发。目前，多数注水压力靠泵出口阀门或回流阀门手动控制来改变管网特性曲线来调节泵的排量，难以达到泵的最佳工况点；管网运行效率低，电能损失达50%以上；泵阀门磨损严重寿命短，泵维修频繁。因此，油田注水系统引入了变频控制技术。
1、注水系统利用变频技术的必要性
某注水站运行中存在以下问题：①出口压力在阀门上损耗达到4 6MPa；某注水站注水泵输出压力22.5 MPa，经过阀门后降低到18.5MPa②出口阀门由于长期超过额定压力造成损坏频繁；某注水站注水泵出口阀门最多两个月更换一次；③电动直接启动，对电网冲击达15%以上压降；④人工调节阀门的开度，控制不准确，增加劳動强度。
通过变频改造的注水系统通达到如下优点：①实现电机平衡启动、自由停车，电机均通过变频器或软启动从0.150Hz作缓慢加速启动，减少直接启动时启动电流对电网的冲击；②提高功率因数，电机的功率与实际负荷相匹配，达到节能目的；③消除泵的喘振现象，使泵达到最佳工况；④实现压力自动控制，调节更加平稳，增强注水系统系统的稳定性和可靠性。
2、注水泵用变频控制控制分析
采用变频器将电机直接调速，耗能量将会显著减少。注水泵运行中的功耗主要包括电动机的轴功率、线路损耗、控制装置损耗。
2.1 注水泵流量控制法
注水泵流量调节的基本原理是通过改变注水泵本身特性曲线，或二者同时改变，以得到所需的工况流量。
调节流量的方法可以分为恒速调节和变速调节两大类。目前的阀门调节是靠改变管网特性曲线来达到调节目的。阀门调节是利用阀门来增大管道阻力，减少流量，这种调节不经济，人为增加管网的阻力也就增大了流体所消耗的电能。
流量的调速控制方法常用的有：①转子回路串电阻控制；②液力耦合器控制；③调压控制；④串级调速控制；⑤调压变频器控制；⑥无换向器电机控制。其中，液力耦合器和转子回路串电阻控制方法效率最低，速度愈低效率愈低，采用无换向器电机、串级调速和变频器控制方式效率最高。
注水泵流量的不同控制方法在输出同样流量的情况下，变频器控制的电力消耗最小。转子回路串电阻和液力耦合器控制方式的电力消耗较大，二者基本相同。
2.2 注水泵变频调速节能原理
注水泵是典型的变转矩负载，注水泵电动机的轴功率与转速的3次方成正比，而转矩与转速的2次方成正比。注水泵的扬程与流量的关系曲线如图l，转矩与电机速度的关系曲线如图2。
由图2可以看出，在低速时，功率会有很大的下降，由于水泵运行额定转速以上是恒功率调速，此时水泵效率很低，机械磨损大，易损坏电机。速率降低10%时会带来30%的功率下降，功率的大幅度降低，可获得显著的节能效果，如表2。
3、使用变频调速后节能分析
注水泵在变速调节的过种中，如果不考虑管道系统阻力R的影响，且扬程H随流量Q成平方规律变化，则注水泵的效率不变（只有在负荷率低于80%时才略有下降），注水泵流量由100%下降到50%时，变速调节与阀门调节方式相比，注水泵的效率平均高出30%以上。从节能的观点来看，变速调节方式为最佳。
4、变频调速在注水系统的应用效果
4.1 实现稳压注水
注水站在使用变频调速装置前，都是用人工频启动设备，泵在恒速下运行。在生产实际中，由于注水系统的不稳定性，使泵压经常发生变化，当压力超过或低于规定值时，只能靠人工的启停泵或打回流来调节压力，很难实现稳压注水。例如，在注水泵超过规定压力后，如果听一台泵，则压力达不到要求，如果不停泵则压力过高，只能处于超压或欠压状态下运行，既影响稳压注水又浪费能耗，应用变频技术后从根本上解决了这一影响注水质量及注水效率的难题。
4.2 延长设备使用寿命
变频调速装置安装以后，很大程度上降低了泵出口、回流阀门的关闭、开启次数，延长了阀门的使用寿命；降低注水泵频繁启停，设备维修费用。
4.3 降低电机启动电流，避免大电流冲击电网
变频调速装置的安装，实现了电机启动电流从低到高，逐渐达到运行电流，避免了大电流对电网及机械设备的冲击，确保了电网的安全。
总之，目前油田在节能降耗方面存在很大余地，变频调速技术的推广应用将很大程度上降低油田注水系统能耗，也是今后节能降耗、提高地面注水系统效率工作的主要方向。