智能控制永磁電機(jī)直驅(qū)長(zhǎng)沖程高效柱塞式注水泵

許 明，趙君普，關(guān) 慶，張國棟

（中國石油集團(tuán)渤海石油裝備中成機(jī)械制造公司，天津 300280）

0 引言

柱塞式注水泵是工業(yè)泵中不可缺少的一類產(chǎn)品，其突出優(yōu)點(diǎn)是：吸入性能好、效率高，泵的性能不隨壓力和輸送介質(zhì)黏度的變化而變化，可以獲得高的排壓，并且流量與壓力無關(guān)，適應(yīng)輸送介質(zhì)十分廣泛。在當(dāng)今世界能源緊缺的形勢(shì)下，柱塞式注水泵作為節(jié)能產(chǎn)品，在石油開采中起著重要作用。

常規(guī)柱塞式注水泵通常采用三相異步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)皮帶傳動(dòng)減速機(jī)構(gòu)。隨著油田進(jìn)入高含水開發(fā)期，注水量大幅度增加，注水耗電也大幅上升，成為造成油田電力緊張的主要原因之一，因此注水節(jié)電工作的需求十分迫切。

三相異步電動(dòng)機(jī)自身的效率、皮帶傳動(dòng)效率是影響注水泵泵效及注水耗電的主要因素，注水泵應(yīng)用永磁低速大轉(zhuǎn)矩直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，可滿足直接驅(qū)動(dòng)注水泵需要的速度和力矩要求，省略皮帶及皮帶輪等設(shè)備，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，減少皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)，同時(shí)電機(jī)旋轉(zhuǎn)精度準(zhǔn)確，大幅提高整體傳動(dòng)效率，降低了維護(hù)維修成本，并且把噪聲也降到了最低。

由于當(dāng)前水處理成本過高，很多油田直接使用油田的采出污水進(jìn)行回注，導(dǎo)致柱塞泵零部件使用壽命短、更換頻率快，從而造成了零部件成本增加。因此，提高易損件使用工況的適應(yīng)性，延長(zhǎng)使用壽命及柱塞泵維護(hù)周期也成為油田設(shè)備管理的當(dāng)務(wù)之急。

油田注水油區(qū)一般地處偏遠(yuǎn)，注水站間隔距離較遠(yuǎn)，注水泵站維運(yùn)人工成本一直居高不下。針對(duì)這種情況，遠(yuǎn)程運(yùn)行智能診斷控制系統(tǒng)，可以利用數(shù)字化注水網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)構(gòu)建采、供、注一體化監(jiān)控體系，簡(jiǎn)化注水管理環(huán)節(jié)，提高采供注系統(tǒng)運(yùn)行效率，降低人工成本的投入。

1 長(zhǎng)沖程高效柱塞式注水泵

渤海石油裝備公司結(jié)合油田對(duì)污水回注設(shè)備的市場(chǎng)需求，針對(duì)在高礦化度下，含油污水對(duì)柱塞泵的腐蝕、磨損造成的閥組、柱塞等易損件壽命低的問題開展研究，開發(fā)了適應(yīng)含油、含砂污水工況的易損件，形成了長(zhǎng)沖程低沖次高效柱塞式注水泵新產(chǎn)品（圖1），降低運(yùn)維成本具有重要意義。

圖1 高效柱塞式注水泵

長(zhǎng)沖程高效柱塞式注水泵通過大柱塞力曲軸和低比壓連桿、十字頭設(shè)計(jì)，提高了動(dòng)力端的安全系數(shù)，同時(shí)增加了泵的沖程設(shè)計(jì)，降低了泵速、形成長(zhǎng)沖程低沖次的動(dòng)力端，降低了柱塞、盤根的磨損頻率，提高了易損件使用壽命。液力端采用雙錐面密封閥組的設(shè)計(jì)，利用錐面利于粒子流動(dòng)的特性，減少顆粒在密封面的堆積，降低高壓介質(zhì)對(duì)閥體的磨損，提高了閥組壽命。通過優(yōu)選柱塞合金涂層材料，改變合金材料的特性，大幅度提高了柱塞應(yīng)對(duì)腐蝕、磨損、沖擊等惡劣工況的能力。

該產(chǎn)品在長(zhǎng)慶油田、吉林油田等油田多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了應(yīng)用，改變了以往含砂污水工況區(qū)塊維修作業(yè)強(qiáng)度大、注水維護(hù)成本居高不下的局面，注水泵的免維護(hù)周期也由72 h 提高到2000 h 以上，同時(shí)注水泵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行，簡(jiǎn)化了維修人員上站進(jìn)行故障判斷的維修流程，通過預(yù)警提示及時(shí)更換易損件，保障設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行，進(jìn)一步提高了柱塞泵的可靠性（圖2）。

圖2 維修流程

2 永磁直驅(qū)電機(jī)

永磁直驅(qū)電機(jī)（圖3）及控制系統(tǒng)在配電方面不需要考慮無功補(bǔ)償帶來的額外經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)等問題。同時(shí)，由于永磁電機(jī)采用永磁體勵(lì)磁，無需無功勵(lì)磁電流，可顯著提高功率因數(shù)（可達(dá)0.997、接近于1），并且高效率區(qū)間很寬，節(jié)電效果非常明顯。

圖3 永磁直驅(qū)電機(jī)

在低速大扭矩永磁電機(jī)反退磁研究方面采用空間矢量控制方法，減少反向充磁；注水泵與永磁電機(jī)采用柔性連接，減少振動(dòng)退磁；改進(jìn)電機(jī)散熱機(jī)構(gòu)，減少過熱退磁。同時(shí)研究伺服器的動(dòng)靜態(tài)特性、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和調(diào)速范圍，使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和抗干擾能力。永磁電機(jī)空心軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，滿足了注水泵低速大轉(zhuǎn)矩的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工況。

永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)由其專用的控制系統(tǒng)來控制，采用變頻調(diào)速技術(shù)，操作人員通過基本培訓(xùn)就可以熟練操作。控制柜中增加了專門的保護(hù)裝置，使故障率更低，使用更安全可靠。同時(shí)在后續(xù)升級(jí)改造中增加了閉環(huán)控制，增加了以注水壓力為被控參數(shù)的恒壓注水自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，便于實(shí)現(xiàn)油田的數(shù)字化管理和注水系統(tǒng)自動(dòng)化節(jié)能技術(shù)。該產(chǎn)品在華北油田第四采油廠別古莊采油區(qū)古一井已經(jīng)進(jìn)行了應(yīng)用（圖4）。

圖4 應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)

應(yīng)用后的7#注水泵噪聲由84.9 dB（A）降到了78.4 dB（A），同比降低了7.6%；9#注水泵噪聲由85.5 dB（A）降到75.8 dB（A），同比降低了11.3%。對(duì)電機(jī)進(jìn)行節(jié)能測(cè)試，7#注水泵綜合節(jié)電率10.02%，9#注水泵綜合節(jié)電率10.28%（表1）。

表1 注水泵應(yīng)用前后對(duì)比

3 柱塞泵運(yùn)行智能診斷控制系統(tǒng)

柱塞泵運(yùn)行智能診斷系統(tǒng)可以對(duì)注水泵的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，在注水泵上安裝的多個(gè)不同種類的傳感器，通過4～20 mA信號(hào)傳輸?shù)絇LC 或者智能儀表中，再通過RS-485 接口標(biāo)準(zhǔn)MODBUS 通信協(xié)議傳送到系統(tǒng)中。

該系統(tǒng)可以有效、全面的監(jiān)控注水泵的各個(gè)參數(shù)，如監(jiān)控吸入、排出壓力，泵頭、箱體噪聲，泵頭、箱體3 個(gè)軸方向的振動(dòng)，以及潤(rùn)滑油溫度、油品、十字頭滑道溫度、出口流量、泵轉(zhuǎn)速、曲軸軸承溫度、電壓、電流、電能等參數(shù)，通過監(jiān)控這些參數(shù)可以很好的監(jiān)控運(yùn)行中注水泵的狀態(tài)，如果注水泵出現(xiàn)異常，都可以在這些參數(shù)中及時(shí)反映出來（圖5）。

圖5 柱塞泵運(yùn)行智能診斷系統(tǒng)

柱塞泵運(yùn)行智能診斷系統(tǒng)具備報(bào)警提示和故障診斷功能。報(bào)警提示功能跟據(jù)超限程度的不同分為兩個(gè)級(jí)別：①一般故障，預(yù)警但不停泵，黃色閃爍預(yù)警；②重大故障，報(bào)警同時(shí)停泵，紅色閃爍報(bào)警。

故障診斷功能可以顯示注水泵的啟動(dòng)、停止?fàn)顟B(tài)，自動(dòng)的診斷注水泵全部故障。同時(shí)系統(tǒng)上裝有視頻鏈接，包括泵的總體拆裝、柱塞、泵頭、擋油頭、十字頭、連桿、曲軸、皮帶、電機(jī)等拆解教程、拆解泵時(shí)注意事項(xiàng)、泵的保養(yǎng)、維護(hù)教程。教程采用動(dòng)畫視頻模式，配音講解，容易學(xué)習(xí)，讓維修人員清楚的了解到如何拆除、更換注水泵易損件。

該系統(tǒng)還可以自動(dòng)計(jì)算泵的維護(hù)周期、潤(rùn)滑油、安全閥的更換周期，以及傳感器的校驗(yàn)周期，提示維修人員定時(shí)更換、保養(yǎng)（圖6）。在出廠時(shí)設(shè)置預(yù)警和報(bào)警值，一旦注水泵出現(xiàn)故障時(shí)，會(huì)自動(dòng)彈出預(yù)警、報(bào)警等故障信息，同時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)記錄故障信息，并彈出故障報(bào)警信息和建議的處理方法，故障原因及處理方法會(huì)同時(shí)發(fā)送到值班人員的手機(jī)上。

圖6 提示維修人員定時(shí)更換、保養(yǎng)

柱塞泵運(yùn)行智能診斷系統(tǒng)也包含了原有監(jiān)控系統(tǒng)的各種功能，可以實(shí)時(shí)記錄各個(gè)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、自動(dòng)生成實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線；自動(dòng)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析、匯總、保存到數(shù)據(jù)庫（圖7）。注水管理人員可以根據(jù)需要查詢歷史數(shù)據(jù)，也可根據(jù)自己需要制定報(bào)表內(nèi)容，并導(dǎo)出成常用文件格式。

圖7 歷史趨勢(shì)曲線

目前在長(zhǎng)慶油田和大港油田成功應(yīng)用了4 套柱塞泵運(yùn)行智能診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)的應(yīng)用簡(jiǎn)化了維修人員上站進(jìn)行故障判斷的維修流程。通過預(yù)警提示，有效的避免了設(shè)備小修變大修的情況，保障了設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行。

4 結(jié)束語

綜上所述，渤海裝備公司研制生產(chǎn)的智能控制永磁電機(jī)直驅(qū)長(zhǎng)沖程高效柱塞式注水泵，通過對(duì)注水泵站數(shù)字化集成控制、監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究以及針對(duì)注水泵的易損件、燒缸等故障，總結(jié)出近幾十年中注水泵的故障原因、分析、處理方法，設(shè)計(jì)了全套注水泵站數(shù)字化集成控制、監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含的注水泵智能專家診斷管理系統(tǒng)，可以為注水站維修人員及時(shí)提供預(yù)警、報(bào)警故障等信息以及故障處理辦法，便于注水站維修人員日常維護(hù)，降低維修工作強(qiáng)度，提升注水站規(guī)范化管理水平，保證油田二次采油的順利進(jìn)行。