高壓變頻器在油田注水采油上的應用

　　油田注水是中國很多油田保持高產穩(wěn)產的重要有效措施。其方法就是把地層中散布的油集中到油井，再提取上來。由于大慶油田屬于斷裂區(qū)塊油田，每個區(qū)塊注水范圍小，注水量隨開采狀況的變化，需要經常調整，大部分注水站都存在額定流量與實際流量不相匹配的問題。而油田注水由于壓力高、水量大，注水電機大多是大功率電動機，電動機長期處于高耗能狀態(tài)運行，采用高壓變頻調速裝置對油田注水泵用電動機實行變轉速調節(jié)，實現注水泵變水量控制是一項非常有效的節(jié)能措施。

　　大慶油田采油某廠注水站的1250kW兩臺水泵主要用于油田注水，原來采用星三角啟動方式，工頻控制，水流量由閥門調節(jié)?，F采用深圳英威騰電氣股份有限公司的自主研發(fā)、生產的多單元串聯(lián)的高─高形式的CHH100系列高壓變頻器，在注水泵配置的電動機安裝高壓變頻器, 進行變頻節(jié)能改造，都取得良好的節(jié)能效果，下面對改造情況作

2.英威騰CHH系列高壓變頻器技術特點

　　深圳市英威騰電氣股份有限公司，提供的CHH100系列變頻器除了具有一般廠家的高壓變頻器功能外，還有以下幾方面的特點。

　　1）具有較強的功能，能夠滿足不同工況

　　CHH100系列高壓變頻器采用DSP系統(tǒng)與可編程系統(tǒng)巧妙的結合，控制系統(tǒng)高度集成化，設備器件主要采用進口器件，完成了比一般高壓變頻器的功能，具有300多個功能碼，可以對啟動特性、運行模式等功能根據現場工況進行不同設定。CHH100系列高壓變頻器具有標準的RS485接口，可以通過RS485通訊接口（采用標準通信協(xié)議）與DCS進行連接，也可以通過硬接線的方式與DCS系統(tǒng)進行連接。多種接口方式選擇可以DCS系統(tǒng)很方便的對變頻調速系統(tǒng)進行監(jiān)控。也可以進行不同參數設置，滿足現場其它各種不同工況。

　　2）全面的保護功能

　　CHH100系列變頻器的功率單元自身就有多達11種的故障保護;主控系統(tǒng)采用DSP+PFGA巧妙配合，電氣部分對輸出電壓、輸出電流、輸入電壓、輸入電流都有全面檢測，對變頻器電源及電機都有過壓、過流、過載、欠壓、溫度等具有多達二十幾種超強綜合保護功能，并且重要的保護定值可以根據現場不同的工況進行參數設定。內置雷擊過流保護裝置，有效提高設備保護功能和系統(tǒng)保護功能，完全能夠保證電源及電機的安全運行。

　　3）全面的參數記錄

　　CHH100系列高壓變頻器顯示多項運行參數過過程變量，包括每個模塊的溫度、母線電壓都有檢測與顯示。具有故障、事故顯示、記錄功能，具有自診斷功能，所在信息可以通過通訊上傳至DCS系統(tǒng)，異常時對變頻器的狀態(tài)都有全面的記錄，以便現場人員更準確、更快捷地解決問題。

　　4）最大的電壓、電流冗余量設計

　　深圳市英威騰電氣股份有限公司生產的CHH100系列高壓變頻器，以安全、可靠、使用壽命長為首要設計原則，采用1700V高壓IGBT，9級或6級串聯(lián)，電壓裕量為2.0倍左右。功率器件電壓安全設計冗余量較高。

　　5）電機轉速自動跟蹤功能

　　CHH100系列高壓變頻器在主電源母線切換（10秒內）過程中，變頻器能夠自動跟蹤電機的轉速，當主電源恢復后變頻器自動運行起來，保證了機組安全可靠運行。

　　6）功率模塊自動旁路技術

　　模塊自動旁路技術提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，CHH100系列高壓變頻器采用功率模塊自動旁路技術，可在1ms內旁路故障模塊，變頻器降額并可長期運行，等適當時候停機處理。

　　7）良好的電壓波動適應能力

　　CHH100系列高壓變頻器對電網電壓在±15%范圍內波動，變頻器能滿載輸出;電網電壓短時（30秒）下降至額定電壓的65%時，可繼續(xù)降額運行，不進行保護。

　　8）最有效的電磁干擾解決方案

　　深圳市英威騰電氣股份有限公司生產的CHH100系列高壓變頻器在模塊設計上，獨家采用后進線、前出線設計方案;結構方面和電氣方面全面考慮電磁抗干擾措施，尤其是核心的控制板件，最有效保證變頻器的可靠運行。

　　9）合理的散熱系統(tǒng)

　　功率采用獨立的散熱風道，系統(tǒng)集中散熱的方式，散熱性能良好，滿載長時間運行溫升不超過25℃，良好的散熱系統(tǒng)可以確保變頻裝置的高可靠性，并延長變頻裝置內部的器件使用壽命。

　　10）模塊化設計

　　CHH100系列變頻器，遵循模塊化設計理念，功率單元采用模塊化結構，各個相同的功率單元的結構、配置完全相同，可以非常方便的互換，從而利于生產的標準化，以及維修的標準化。

　　11）最簡潔操作、最快捷維護

　　深圳市英威騰電氣股份有限公司生產的CHH100系列高壓變頻器具有人性化的接口設計、界面簡潔清晰;操作方便，采用抽屜式模塊設計，更換模塊僅需5分鐘;濾網更換方便、快捷。

3.改造項目介紹

　　1. 注水泵技術參數表

　　2.現有控制流量方式

　　常規(guī)情況下油田高壓注水采用閘板閥門控制來調節(jié)流量和壓力。根據工藝要求，不允許長時間小排量運行，否則泵內溫度升高造成汽蝕和機件燒毀等問題，過去被迫采用大回流方法降低溫升，造成電力的大量消耗，給油田造成了大量的能源損失。

　　在原設計系統(tǒng)工況中，用兩臺D（F）250-150注水泵進行系統(tǒng)注水。在未進行變頻調速改造中，該工況的注水系統(tǒng)能耗損失主要在控制閥節(jié)流上。通過分析，只有通過結合配注量，降低水壓，減少各注水井的閥門控制壓差，才能達到節(jié)能降耗的目的。

4.注水泵變頻調速的節(jié)能原理

　　注水泵是典型的變轉矩負載。變轉矩負載的特性是轉矩隨速度的上升而上升。注水泵的電動機的軸功率P與其流量Q，揚程H之間的關系式如下：

　　P∝Q×H （1）

　　當流量Q1由變化到Q2時，電動機的轉速為N1、N2，此時Q、H、P相對于轉速的關系如下：

　　Q2=Q1×（N2/N1）

　　H2=H1×（N2/N1）² 

　　P2=P1×（N2/N1）³

　　由式（1）和式（2）可以看出，水泵的電動機的軸功率（功率輸出）與轉速的3次方成正比，而轉矩與轉速的2次方成正比。所以當需要80%的額定流量時，通過調節(jié)電機的轉速至額定轉速的80%，即調節(jié)頻率到40Hz即可，這時所需功率將僅為原來的51.2%，系統(tǒng)工作點變化如下圖所示：

變頻調速工作點示意圖

　　從上圖的特性示意圖來分析，采用變頻調速的節(jié)能效果。在額定情況下，系統(tǒng)工作在A點，當所需流量從Q1減小到Q2時，如果工頻運行，流量減小，系統(tǒng)壓力將增加，系統(tǒng)將工作在B點。如果水泵采用變頻器進行調節(jié)，在系統(tǒng)壓力滿足要求時，系統(tǒng)將在C點運行，C點對應的X軸、Y軸的面積與B點對應的X軸、Y軸的面積之比即使變頻消耗的功率與工頻消耗的功率之比，同時還需考慮系統(tǒng)其它損耗。從圖2、3中可以看出，在低速時，功率會有很大的下降。由于注水泵運行于額定轉速以上是恒功率調速，此時注水泵效率很低，機械磨損大，容易損壞電機。從理論上講，速度降低10%時會帶來30%左右的功率下降，由于功率的大幅度降低，可獲得顯著的節(jié)能效果。

5.注水泵系統(tǒng)的變頻器方案

　　油田注水泵系統(tǒng)中有兩臺水泵長期運行，主要用于1250kW的水泵注水;因此所用的高壓變頻器可對注水泵進行一拖二的控制。

　　1.系統(tǒng)原理說明

　　由于注水泵的實際流量比泵的額定流量小，因此節(jié)電潛力較大。系統(tǒng)中注水泵的注水控制是由變頻器通過變送器的回饋壓力值，與事先預設在變頻器中的壓力值進行比較，變頻器中的PID調節(jié)器自動根據差值進行運算調節(jié)控制變頻器變頻調速運行;同時，變頻器的運行參數通過內部計算機接口和通訊協(xié)議傳輸至計算機工作站;在計算機上可以隨時檢測和控制系統(tǒng)運行壓力、電動機轉速、輸入/輸出電壓、輸入/輸出電流等參數，達到系統(tǒng)自動節(jié)能運行的目的。

　　高壓變頻器內設了自動運行和工頻降壓啟動運行兩種運行方式，實現了自動和手動控制相結合的目的。

　　2.高壓變頻器系統(tǒng)與原有控制系統(tǒng)的比較

　　1）采用變頻控制方式，其操作方便，無須手動調節(jié)進水閥門，極大的減輕了工人的勞動強度，提高了工作效率。

　　2）啟動噪音低，在啟動過程中電機從低頻開始緩慢加速，經20秒后達到設定頻率，由于啟動電流很小，減小了對電網的沖擊，保護了用電設備，延長了電動機的使用壽命，提高了電機的效率，節(jié)約維修成本。

　　3）系統(tǒng)采用一拖二控制方式，采用壓力變送器反饋電流信號（4—20mA）至變頻器中央處理器（CPU）,經PID控制組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。其輸出頻率的大小由作用處理器控制，使電機的轉速自動增加或降低;當壓力超過設定的目標值時即（>5%）其中第一臺電機轉為工頻運行，變頻器啟動第二臺電機變頻運行，保持水壓恒定。這樣不但減小了電動機的無功功率，而且提高了水泵的工作效率，節(jié)約了能源。

　　4）普通的工頻控制方式（原有的控制方式）則不能實現這樣的目的，其啟動和停止需要人操作，還需要調節(jié)進水的閥門開關來滿足工況要求，即費時又費力，且容易出現操作失誤，造成不必要的損失。工頻運行控制方式的電機的轉速是不可調節(jié)的，并且啟動電流大，當供水壓力超過所需的壓力值時需人工調節(jié)進水閥門的大小來滿足供水壓力。這時電機仍以滿負荷運行，多余的功率就消耗在閥門上，能源浪費很大。

6.應用高壓變頻器后的效果分析

　　1. 系統(tǒng)使用高壓變頻器后的節(jié)能

　　1）考慮管網阻力損失等因素的影響，理論上綜合平均節(jié)能值在30%以上。

　　2）按照節(jié)能30%計算，每天運行24個小時。則每天電動機的節(jié)能電度數為：

　　按照0.5元/kWh計算，每天節(jié)約的電費為：1250KW×0.85×30%×24H×0. 50元/天=3825元/天

　　若每月運行30天，則月節(jié)電費為： 3825元/天×30天=114750元/月

　　若每年運行12個月，則年節(jié)電費為： 114750元/月×12月=1377000元/年

　　2. 采用變頻器是實現變水量控制節(jié)能的最有效措施

　　從以上實際工況中分析，采用變頻調速的方式來滿足生產的需要，使得注水泵既可大流量，也可小流量，既可高壓力，也可低壓力運行?？梢杂脡毫﹂]環(huán)或流量閉環(huán)控制注水的壓力或流量，在注入站工況改變時，變頻器可以使注水泵自動調節(jié)注水壓力或流量。此時，泵的出口閥門全開，使泵的壓差減至為零。這樣，既節(jié)約了電能，又減少了閥門的維護量。還提高了系統(tǒng)的自動化水平，降低了系統(tǒng)的噪音，改善了工作的環(huán)境，減輕了工人的勞動強度。采用變頻調速來獲得實際需要的水流量，不但節(jié)約了電能，提高系統(tǒng)自動化運行程度;變頻器自動根據需求量調節(jié)轉速，而且平滑穩(wěn)定，減少了人員的勞動強度;水泵的運行參數得以改進，系統(tǒng)效率大為提高。

7.結束語

　　綜上所述 ,采用變頻控制方式調速是現代工礦企業(yè)節(jié)能降耗的必然趨勢，有利于提高企業(yè)的經濟效益，自動運行時節(jié)能可達30%以上。通過對注水泵系統(tǒng)的變頻調速的技術改造，經過較長時間的運行檢驗，證明該產品性能可靠、功能齊全、技術先進，說明國內自主開發(fā)的高壓變頻器在技術上已經處于世界先進水平。由于IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器無輸入輸出變壓器、體積小、性價比高、綜合性能好等方面均超過了國內外其它產品，是新一代高性能高壓變頻產品的代表，為高壓變頻調速技術在油田其它工序的技術改造提供了一條可行的途徑，在高壓變頻改造領域具有極大的推廣價值。