智能控制永磁電機直驅長沖程高效柱塞式注水泵

許 明，趙君普，關 慶，張國棟

（中國石油集團渤海石油裝備中成機械制造公司，天津 300280）

0 引言

柱塞式注水泵是工業泵中不可缺少的一類產品，其突出優點是：吸入性能好、效率高，泵的性能不隨壓力和輸送介質黏度的變化而變化，可以獲得高的排壓，并且流量與壓力無關，適應輸送介質十分廣泛。在當今世界能源緊缺的形勢下，柱塞式注水泵作為節能產品，在石油開采中起著重要作用。

常規柱塞式注水泵通常采用三相異步電動機帶動皮帶傳動減速機構。隨著油田進入高含水開發期，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，因此注水節電工作的需求十分迫切。

三相異步電動機自身的效率、皮帶傳動效率是影響注水泵泵效及注水耗電的主要因素，注水泵應用永磁低速大轉矩直接驅動電動機，可滿足直接驅動注水泵需要的速度和力矩要求，省略皮帶及皮帶輪等設備，簡化結構，減少皮帶運轉時的振動，同時電機旋轉精度準確，大幅提高整體傳動效率，降低了維護維修成本，并且把噪聲也降到了最低。

由于當前水處理成本過高，很多油田直接使用油田的采出污水進行回注，導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性，延長使用壽命及柱塞泵維護周期也成為油田設備管理的當務之急。

油田注水油區一般地處偏遠，注水站間隔距離較遠，注水泵站維運人工成本一直居高不下。針對這種情況，遠程運行智能診斷控制系統，可以利用數字化注水網絡平臺構建采、供、注一體化監控體系，簡化注水管理環節，提高采供注系統運行效率，降低人工成本的投入。

1 長沖程高效柱塞式注水泵

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

圖1 高效柱塞式注水泵

長沖程高效柱塞式注水泵通過大柱塞力曲軸和低比壓連桿、十字頭設計，提高了動力端的安全系數，同時增加了泵的沖程設計，降低了泵速、形成長沖程低沖次的動力端，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計，利用錐面利于粒子流動的特性，減少顆粒在密封面的堆積，降低高壓介質對閥體的磨損，提高了閥組壽命。通過優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對腐蝕、磨損、沖擊等惡劣工況的能力。

該產品在長慶油田、吉林油田等油田多個現場進行了應用，改變了以往含砂污水工況區塊維修作業強度大、注水維護成本居高不下的局面，注水泵的免維護周期也由72 h 提高到2000 h 以上，同時注水泵監測系統的運行，簡化了維修人員上站進行故障判斷的維修流程，通過預警提示及時更換易損件，保障設備的平穩運行，進一步提高了柱塞泵的可靠性（圖2）。

圖2 維修流程

2 永磁直驅電機

永磁直驅電機（圖3）及控制系統在配電方面不需要考慮無功補償帶來的額外經濟負擔等問題。同時，由于永磁電機采用永磁體勵磁，無需無功勵磁電流，可顯著提高功率因數（可達0.997、接近于1），并且高效率區間很寬，節電效果非常明顯。

圖3 永磁直驅電機

在低速大扭矩永磁電機反退磁研究方面采用空間矢量控制方法，減少反向充磁；注水泵與永磁電機采用柔性連接，減少振動退磁；改進電機散熱機構，減少過熱退磁。同時研究伺服器的動靜態特性、轉動慣量、轉矩脈動和調速范圍，使系統具有較強的適應性和抗干擾能力。永磁電機空心軸結構的設計，滿足了注水泵低速大轉矩的現場應用工況。

永磁直驅電動機由其專用的控制系統來控制，采用變頻調速技術，操作人員通過基本培訓就可以熟練操作。控制柜中增加了專門的保護裝置，使故障率更低，使用更安全可靠。同時在后續升級改造中增加了閉環控制，增加了以注水壓力為被控參數的恒壓注水自動控制系統的設計，便于實現油田的數字化管理和注水系統自動化節能技術。該產品在華北油田第四采油廠別古莊采油區古一井已經進行了應用（圖4）。

圖4 應用現場

應用后的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%。對電機進行節能測試，7#注水泵綜合節電率10.02%，9#注水泵綜合節電率10.28%（表1）。

表1 注水泵應用前后對比

3 柱塞泵運行智能診斷控制系統

柱塞泵運行智能診斷系統可以對注水泵的各種數據進行實時監控，在注水泵上安裝的多個不同種類的傳感器，通過4～20 mA信號傳輸到PLC 或者智能儀表中，再通過RS-485 接口標準MODBUS 通信協議傳送到系統中。

該系統可以有效、全面的監控注水泵的各個參數，如監控吸入、排出壓力，泵頭、箱體噪聲，泵頭、箱體3 個軸方向的振動，以及潤滑油溫度、油品、十字頭滑道溫度、出口流量、泵轉速、曲軸軸承溫度、電壓、電流、電能等參數，通過監控這些參數可以很好的監控運行中注水泵的狀態，如果注水泵出現異常，都可以在這些參數中及時反映出來（圖5）。

圖5 柱塞泵運行智能診斷系統

柱塞泵運行智能診斷系統具備報警提示和故障診斷功能。報警提示功能跟據超限程度的不同分為兩個級別：①一般故障，預警但不停泵，黃色閃爍預警；②重大故障，報警同時停泵，紅色閃爍報警。

故障診斷功能可以顯示注水泵的啟動、停止狀態，自動的診斷注水泵全部故障。同時系統上裝有視頻鏈接，包括泵的總體拆裝、柱塞、泵頭、擋油頭、十字頭、連桿、曲軸、皮帶、電機等拆解教程、拆解泵時注意事項、泵的保養、維護教程。教程采用動畫視頻模式，配音講解，容易學習，讓維修人員清楚的了解到如何拆除、更換注水泵易損件。

該系統還可以自動計算泵的維護周期、潤滑油、安全閥的更換周期，以及傳感器的校驗周期，提示維修人員定時更換、保養（圖6）。在出廠時設置預警和報警值，一旦注水泵出現故障時，會自動彈出預警、報警等故障信息，同時系統自動記錄故障信息，并彈出故障報警信息和建議的處理方法，故障原因及處理方法會同時發送到值班人員的手機上。

圖6 提示維修人員定時更換、保養

柱塞泵運行智能診斷系統也包含了原有監控系統的各種功能，可以實時記錄各個數據、歷史數據、自動生成實時曲線、歷史曲線；自動實時采集數據，進行分析、匯總、保存到數據庫（圖7）。注水管理人員可以根據需要查詢歷史數據，也可根據自己需要制定報表內容，并導出成常用文件格式。

圖7 歷史趨勢曲線

目前在長慶油田和大港油田成功應用了4 套柱塞泵運行智能診斷系統，該系統的應用簡化了維修人員上站進行故障判斷的維修流程。通過預警提示，有效的避免了設備小修變大修的情況，保障了設備的平穩運行。

4 結束語

綜上所述，渤海裝備公司研制生產的智能控制永磁電機直驅長沖程高效柱塞式注水泵，通過對注水泵站數字化集成控制、監控系統設計研究以及針對注水泵的易損件、燒缸等故障，總結出近幾十年中注水泵的故障原因、分析、處理方法，設計了全套注水泵站數字化集成控制、監控系統。該系統包含的注水泵智能專家診斷管理系統，可以為注水站維修人員及時提供預警、報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，降低維修工作強度，提升注水站規范化管理水平，保證油田二次采油的順利進行。