高壓變頻器在大慶油田注水泵上的解決方案

　　一、引言

　　注水是油田開發中穩油增產的重要措施之一。它有效地補充了地層的能量，保持了地層的壓力，對提高采油速度和原油采收率，確保油田高產、穩產起到了積極作用。但是，當油田進入高含水開發期后，注水技術面臨著新的問題。隨著含水率的不斷提高，注水量迅速上升以保持油田穩產，注水耗電也隨著含水量的上升而急劇增長。因此，注水系統節能成為降低生產成本的重要問題，對油田生產有著重要意義。

　　近幾年，國內油田注水泵站為了節能降耗降低生產成本，已經普遍開始采用變頻調速裝置進行注水流量與壓力的控制，在這方面也有大量的報道。油田注水系統主要由注水站、注水管網、注水井組成。注水系統效率指標的構成要素中，由于電機效率變化幅度很小，為次要因素;注水系統效率是主要因素，即主要由注水泵效率和管網效率決定注水系統的效率。兩種效率之間關系密切，反映了系統注水泵與注水管網之間的匹配合理程度。當匹配合理程度較高時，系統能耗較低;反之系統能耗較高。一般情況下，離心式注水泵的高效率區域一般都在80%～100%的額定流量范圍內，如果注水泵的運行流量超出此范圍其運行效率將不在的效率區域內運行。對于注水系統的管網系統效率，當管網系統結構一經確定管網的阻力就確定了，其效率也就已經確定了。管網結構確定之后，注水系統的運行效率主要取決于注水井的壓力與單位時間內的流量。

　　在我國，注水泵站所用的注水泵包括離心式注水泵和往復式柱塞泵兩種。離心泵的出口壓力低，泵的效率低，一般都在80%以下，但是流量大，適用于大流量注水泵站。往復式柱塞泵出口壓力高，效率高，一般都在80%以上，但是流量小，適用于小的注水泵站。

　　一般而言,為降低系統能耗,總是遵循以下兩條路線，一是通過系統運行的優化調度，二是調整注水管網系統的結構。一個油田注水管網系統的注水能力，不管如何充分利用，都是有一定限度的。當油田進入高含水開發期后，隨著含水率的不斷提高，為了保持油田穩產注水量迅速上升，新增注水井的數量不斷增長，注水范圍與注水量不斷擴大，這就對注水系統的管網結構與合理布局以及注水泵站的注水能力提出了新的要求。

　　使油田注水系統原來主要依靠放溢流控制壓力平衡，注水泵電動機長期運行在滿負荷狀態，效率比較低的情況得到根本改善，節電效果明顯。同時軟起動降低了設備的沖擊，減少設備的故障，提高了注水泵的效率，保證了注水系統壓力的穩定，消除了溢流，節約用水。

　　二、關于水泵的運行特性圖解概述

　　有很多人在水泵變頻運行的分析中都習慣引用水泵的比例定律：

　　流量比例定律：Q1/Q2=n1/n2

　　揚程比例定律：H1/H2=(n1/n2)2

　　軸功率比例定律：P1/P2=(n1/n2)3

　　并由此得出結論：水泵的流量與轉速成正比，水泵的揚程與轉速的平方成正比，水泵的輸出功率與轉速的3次方成正比，節能效果與水泵調速后的轉速成立方關系變化。實際中卻沒有這樣的節能效果。

　　比例定律是研究、設計泵本身的規律，它是就水泵而論水泵的定律。對于工作在管道系統中的水泵必須視具體工況分析計算，因此，水泵的節能計算不能統統照搬照抄比例定律，水泵的節能計算必須根據實際工況進行分析計算。

　　比例定律僅適用于水泵的出水口和進水口之間沒有高度或壓力差，即沒有靜揚程的情況。比如在沒有落差或壓力差的同一水平面上遠距離輸水，水泵的輸出揚程(壓力)僅用來克服管道的阻力，在這種情況下，當轉速降到零時，揚程(壓力)也降到零，流量也正好降到零，這是理想的水泵運行工況。圖1中工作點A和C就完全適合這種工況，可以使用比例定律。

　　圖1—理想的水泵特性曲線

　　但實際水泵運行工況不可能達到理想工況，水泵的出水口和進水口之間是有高度差或壓力差的，有時還很大，如圖2所示。在水泵并聯運行時，水泵的出水口壓力還要受到其它水泵運行壓力的影響。并聯運行的泵要想出水，其揚程必須大于其它水泵當時的壓力。水泵出口流量并不是總管網流量，總管網流量為所有運行的水泵的流量和。由于管網總流量增大和阻力增大，因此并聯運行的水泵揚程更高，工況發生變化，因此比例定律在此也不再適用。

　　三、單臺水泵變頻運行的圖解分析

　　(1) 單臺水泵變頻運行，在于水泵進出口水位的高度差或壓力差，也就是水泵的凈揚程H0。水泵的揚程只有大于凈揚程時才能出水。因此管網阻力曲線的起始點就是該凈揚程的高度，見圖2。

　　圖2—單臺水泵變頻運行特性曲線

　　圖2中，額定工作點仍然為A，理想管網阻力曲線R1與流量成正比。變頻后的特性曲線F2，工作點B。流量為零時的凈揚程H0，變頻運行實際工作點HB與凈揚程的差△H=HB-H0，為克服管網阻力達到所需流量QB時的附加揚程。由于管網阻力曲線與圖1不同，因此不滿足相似定律。

　　(2) 圖2中的工作點A為水泵額定工作點，滿足水泵的額定揚程和額定流量。因此R1成為理想的管網阻力曲線。

　　四、大慶采油八廠注水站泵調速問題

　　大慶采油八廠注水泵站共有3臺離心式注水泵，從廠家給出的參數表得知：一般情況下一臺工作二臺備用，注水泵站實際運行參數如下表。

　　1、 機泵組設備參數

序號	一、單臺水泵參數
	1、水泵名牌或隨機樣本參數					2、水泵實際運行參數
1*	水泵型號與類型	DF140-150×11		1*		入口揚程/壓力 H0/p0	m		4
2*	額定揚程/壓He/pe	m	1650	2*		實際揚程/壓力 Hs/ps	m		1700
3*	額定流量 Qe	m3/h	140	3*		實際流量 Qs	m3/h		112平均
4*	水泵軸功率 Nz	kW	862	4*		水泵實際功率 Nsz	kW
5*	水泵額定效率 η	%	73	5*		閥門實際開度 k	%		35
6*	水泵額定轉速 n	r/m	2980	6*		水泵并聯運行臺數
7	介質的額定密度ρ	t/m3
二、電動機參數
1、電機名牌或隨機樣本參數				2、電機實際運行參數
1	電動機型號	YK1000-2/990		1*	實際電壓 US		kV	6.41
2	額定功率 Ne	kW	1000	2*	實際輸出功率 Ns		kW
3	額定電壓 Ue	kV	6.3	3*	實際電流 Is		A	85A
4	額定電流 Ie	A	106	聯系人：
5	功率因數cosφ		0.87	電 話：
6	額定轉速	r/m		現場聯系人： 聯系人電話：

　　2、注水管網阻力的變化趨勢與管網效率

　　由于油田注水管網的阻力與地殼壓力基本上處于逐年穩定增加狀態，管網的阻力將會不斷地增大，如圖5中的曲線R2所示。

　　圖3—注水泵與管網效率

　　圖5中的為A點為額定運行工作點，R1為理想管網阻力曲線， 為額定流量時的管網阻力壓降。管網阻力增加主要有二種因素，第一，關小閥門導致泵管壓差較大。管網造成的能量損失除了管阻損失之外，主要就是泵站、配水間、井口采用閥門節流造成的能量損失。泵管壓差的存在是由于注水泵的運行狀態與管路特性匹配不良而產生大量節流造成的。第二，管網結垢內徑變小、用戶端(關小閥門)減小流量，阻力增加。由于油田注水系統的注入水成分復雜，易發生物理和化學變化，管網產生結垢。結垢現象導致管網阻力增加，管網損失增加,形成注水泵出口壓力上升，對注水系統的效率產生較大影響，相應注水單耗增加。如圖5中所示的h3部分，由于管網阻力增加造成運行效率降低。圖5中的h2+h3為關小閥門或管網阻力增加后的揚程損失,B點為管網阻力增大后的運行點。R2為閥門或管網結垢后的阻力特性曲線。B點的運行效率為： ，可見由于管網的阻力增加或閥門的關小，將會造成注水泵在低效工況下運行。

　　五、參數說明與計算

　　1、參數與計算說明

　　參數表中其余數據全部由大慶采油八廠提供。根據風的相似定律，按照比例關系進行分析計算。

　　2、壓力比和轉速比的參數確定

　　由于風機的額定風量為1650m。壓力比分別取為h=(Hs/He)=(Qs/Qe)2=4/5、17/20、9/10。

　　3、節能分析計算

　　3.1、單位節電量節電率與節電率

　　根據哈爾濱九洲電氣股份有限公司電動機經濟運行的規定公式計算單位節電量及節電率得出：(額定軸功率，按照862kW 計取。)

　　3.2壓力比為4/5時的單位節電量與節電率

　　節電量：ΔN2=0.90(0.45+0.55×0.92-0.93)862=0.15×862=129.17kW;

　　節電率：λ=15%

　　3.3壓力比為9/10時的單位節電量與節電率

　　節電量：ΔN2=0.90(0.45+0.55×0.952-0.953)862=0.08×862=69kW;

　　節電率：λ=8%。

　　六、哈爾濱九洲公司高壓變頻器簡介

　　1、技術方案的確定

　　圖4一拖一方案

　　至于采用什么技術方案，由廠家來定，上圖以一拖一方案為例。建議采用國產哈爾濱九洲電氣生產的POWERSMART 6000-A/112變頻器1套。具體主接線見圖4。

　　2、九洲POWERSMART系列變頻器

　　2.l POWERSMART系列變頻器的基本原理

　　1、POWERSMART系列高壓變頻裝置為多重化串聯方式，屬于電壓型交—直—交，高～高結構，6(10)kV輸入，0～6(10)kV直接輸出。變頻裝置與電機之間沒有任何形式的升壓變壓器，也不用改變電機Y-△接線方式，輸出側不加電抗器，電機可直接使用。

　　2、由于POWERSMART系列高壓變頻裝置為多重化串聯方式，6kV每相6個功率單元，理論上相當于36脈沖輸入整流;10kV每相9個功率單元，理論上相當于54脈沖輸入整流。變頻器輸入電流中諧波含量大為減少，遠低于標準規定(4%)的限值，即使在供電電網的容量較小時也能滿足諧波要求。符合并優于IEEE519-1992及GB/T1451-93標準對電壓失真和電流失真最嚴格的要求。

　　3、 在20～100%的負載變化情況內功率因數數達0.95以上，因此不需要附加電源濾波器或功率因數補償裝置，也不會與原有的補償電容裝置發生諧振，變頻器工作時不會對同一電網上運行的電氣設備發生干擾，因而被人們譽為“無電網污染的高壓變頻器”。

　　2.2 POWERSMART系列變頻器主要功能

　　1、人機界面友好，彩色液晶屏的全中文操作界面，圖形顯示;

　　2、實現本地、遠程操作自由選擇;

　　3、內置PID調節器，可以實現閉環控制。

　　4、具有完善的保護功能，電機、變壓器發生短路、接地、過流、過載、過壓、欠壓、過熱等故障時，系統均能及時告警或保護;

　　5、可以實現觸摸屏、數字鍵盤、模擬電位器、遠程DCS等多種頻率設定方式，適應各種用戶需求;

　　6、具有開關量、模擬量輸入輸出接口，確保與用戶現有設備的可靠連接;

　　7、具有參數與故障的設定和查詢功能;

　　8、通過預留的上位機接口，具有顯示波形的功能。

　　9、具有冷卻風機缺相保護功能。

　　10、具有變壓器過熱告警、保護功能;

　　11、可實現旁路功能。

　　12、具有中心點偏移式的單元旁路功能。

　　13、具有防止風機喘振/水泵共振的頻率跳躍功能。2個頻率跳躍設定點。

　　14、具有軸流風機失速保護功能(電流振蕩保護)。

　　2.3 POWERSMART系列變頻器的特點

　　1、全系列模塊化設計，外形美觀，結構緊湊。使得MTTF小于30分鐘。

　　2、采用優化空間矢量PWM控制，輸出波形接近正弦波，諧波成份很小，運行平穩，對電機不會產生諧波影響。

　　3、功率因數高，無需功率因數補償裝置。

　　4、輸入諧波小，對供電系統不產生明顯的諧波畸變。

　　5、輸出電平數達到25/37階梯波，dv/dt很小，對電機的絕緣無影響。

　　6、 采用最新一代IGBT功率模塊，低壓差，損耗小，效率高。

　　7、瞬時輸出電壓自動調整，即使電網存在較大的波動，輸出電壓也基本保持不變。

　　8、適應電壓范圍寬，60%~115%。

　　9、采用雙片高速DSP為控制核心，指令在納秒級完成。無硬盤、無風扇。沒有工控機控制方式響應速度慢(微秒級)、易出現“死機”的問題。

　　10、采用先進的反擎住技術，使IGBT更加可靠運行。

　　11、選用具有內部軟恢復特性二極管的IGBT，降低了系統的EMI。

　　12、故障的自診斷及保護功能相當完備。

　　13、完整的參數化功能，對于用戶的各種應用可全面支持。

　　14、采用軟啟動技術，減小了對系統和電動機的沖擊。功率單元模塊內設置通電緩沖電路，使得整流二極管更加可靠運行，同時減少通電瞬間電流對模塊的沖擊。

　　2.4 POWERSMART系列變頻器采用的主要進口器件

1	電解電容：	日本佳美工
2	IGBT：	德國西門子
3	光纖光電轉換器：	惠普
4	DSP芯片：	美國TI公司
5	整流橋：	德國IXYS
6	可控硅：	德國IXYS
7	PLC：	德國西門子
8	CPLD：	ALTERA
9	變壓器用料：	美國杜邦公司NOMEX(俄羅斯3408-0.27硅鋼片)

　　2.5 POWERSMART系列變頻器控制系統與通信接口

　　2.5.1 POWERSMART系列高壓變頻器控制核心

　　POWERSMART系列高壓變頻器控制核心采用雙片數字信號處理器(DSP)TMS320F206。它有6條總線，包括3條程序/數據總線和3條地址總線。控制系統無硬盤、無風扇，不死機。

　　圖4--主控制器的正面圖

　　2.5.2 POWERSMART系列高壓變頻器操作平臺

　　本系統采用了MCGS組態軟件作為應用平臺，高壓變頻器的顯示和操作都由該平臺下組態的工程來完成。界面為10.4英寸彩色液晶觸摸屏。該屏操作系統采用微軟公司的嵌入式操作系統WindowsCE.NET，全中文操作界面，當前版本為4.2。

　　該屏實現的功能包括：變頻器數據顯示、曲線顯示、觸摸按鈕操作啟動、停止、升速、減速、P參數設定、故障報警、查詢等。

　　2.5.3 參數設置

　　POWERSMART系列高壓變頻裝置可以在彩色液晶觸摸屏上，進行各種參數設置(如控制方式、給定頻率、加減速時間等)、各種控制操作(如起動、停止、加速、減速、急停、復位、手動/自動/聯動轉換等信號)，以及各種顯示功能(如給定頻率、實際頻率、電流、電壓、功率、功率因數、故障、故障記錄以及各種狀態顯示等)，操作簡單方便。

　　2.5.4 通訊接口

　　POWERSMART變頻裝置內置PLC控制器，具有與現有控制系統DCS或其它控制系統的通訊接口。可以接受自動控制系統提供的4—20mA模擬量指令信號，構成閉環系統。同時還可以提供4—20mA模擬量輸出信號，開關量輸入信號共8路，開關量輸出信號8路，模擬量輸入信號共4路，模擬量輸出信號共4路。以上信號還可根據用戶需要擴展。

　　圖5--主控制器的背面接口圖

　　2.6 POWERSMART系列變頻器的保護功能

　　2.6.1 JZEPOWERSMART系列高壓變頻設備提供的控制和電動機保護功能有：過電壓、過電流、短路、缺相、超頻、電機過載、電機過熱。并且這些報警信號與變頻器本身的報警信號分開。當變頻器負載發生故障時能跳開高壓電源，當變頻器本身發生故障時，能自動斷開變頻器的進出線高壓斷路器，并且切換到旁路運行狀態。

　　2.6.2 POWERSMART變頻裝置采用斷線保護功能，當現場4-20mA給定信號故障時，變頻器可以保持原運行工況不變，當給定信號恢復時，可以自動跟蹤給定信號，實現無擾動。

　　2.7 POWERSMART系列變頻器的結構尺寸

　　裝置的外形圖、技術參數詳見JZEPOWERSMART系列高壓變頻技術樣本。

　　2.8 POWERSMART系列變頻器的優勢所在

　　2.8.1九洲具有長期從事“高壓電機調速”技術研究的專家團隊。九洲有自主研發體系，有企業自己的研究院和博士后科研工作站;

　　2.8.2九洲與羅克韋爾自動化的強強聯合、優勢互補。

　　2.8.3九洲具有國內一流的電氣產品試驗、檢測及老化手段。九洲先進的現代化實驗裝備與檢測手段，確保了產品品質及產品在復雜工況現場下安全可靠運行。

　　1)九洲具有先進的電氣性能試驗室——對產品的功能和性能等進行綜合測試;

　　2)九洲具有環境模擬試驗室——在高溫、低溫、潮濕、振動等環境下對產品進行考核;

　　3)九洲具有電磁兼容試驗室——對現有產品進行快速脈沖群、靜電、浪涌、電磁靜電干擾等項目試驗;

　　4)九洲具有元件和模塊老化試驗室——對所有電子元器件進行老化篩選;對功率單、控制模塊進行高溫帶載72小時老化試驗;

　　5)九洲具有亞洲最大的高壓變頻試驗站。是目前國內唯一能對大功率高壓變頻器做出廠全項帶載試驗的專業生產廠。試驗電機4臺同軸，總裝機容量為5000kW。

　　2.9九洲的售后服務體系

　　2.9.1九洲公司市場體系和售后服務體系是并軌運行的，在全國建立了八大區域銷售分公司和駐外機構，在每個駐外機構都配有售后服務人員，負責各個地區的產品售后服務和回訪。

　　2.9.2公司有較強的技術支持隊伍，能為客戶提供現場工況分析和不同性價比的節能技術方案，并免費為客戶選派技術水平高，具有豐富現場經驗的專業技術人員指導現場安裝、調試及檢測工作，并負責解決在安裝調試過程及試運行中發現的相關問題。

　　2.9.3對使用我們產品的客戶，我們負責對運行維修人員進行操作、運行、維修等技術培訓及注意事項培訓。

　　2.9.4對產品質量提出的投訴，我們以最快速度響應，保證在2小時之內給予滿意的答復，產品故障在12-48小時之內給予解決處理完畢。

　　2.10關于數字信號處理器DSP

　　DSP是數字信號處理器的簡稱。它是一種專用高速微處理器，運算功能強大，能實現高速輸入和高速輸出數據。它專門處理運算為主且不允許遲延的實時信號，可以高效快速進行傅里葉變換運算。它包含靈活可變的I/O管理，以及高速并行數據處理算法的優化指令集。數字信號處理器的精度高，可靠性好，其先進的品質和性能為電機控制提供了極其強大的支持。數字信號處理器保持了微處理器自成系統的特點，又具有優于通用微處理器對數字信號的處理能力。

　　數字信號微處理器為完成信號的實時處理，采用了改進的哈佛結構總線。程序和數據存儲器相隔離的雙獨立總線，在確保運算速度的前提下，還提供程序總線和數據總線之間的總線數據交換器以間接實現馮諾伊曼結構的一些功能。提高了系統的靈活性。數字信號處理器中專門設置了乘法累加器結構，從硬件上實現了乘法器和累加器的并行工作，可以在單指令周期內完成一次乘法并將乘積求和的運算，這是數字信號處理器區別于其他通用微處理器的主要特征，也是實現數字信號時實處理的必要條件。

　　TMS320F206有6條總線，包括3條程序/數據總線和3條地址總線。

　　1.PAB：程序地址總線，提供讀寫程序存儲器期的地址。

　　2.DRAB：數據讀地址總線，提供讀數據存儲器的地址。

　　3.DWAB：數據寫地址總線，提供寫數據存儲器的地址。

　　4.PRDB：程序讀總線，承載指令代碼和立即操作數以及表信息，從程序存儲器傳送到CPU。

　　5.DRDB：數據讀總線，承載數據從數據存儲器傳送到中央算術邏輯單元(CALU)和輔助寄存器算術單元(ARAU)。

　　6.DWEB：數據寫總線，承載數據傳送到程序存儲器和數據存儲器。

　　3、供貨范圍

　　配置JZEPOWERSMART6000-A/112變頻裝置1套;及切換裝置一套。

　　七、結束語

　　通過上述的分析計算我們認為，大慶采油八廠對注水泵進行變頻調速，無論是從技術上還從經濟效益上都是可行的。水泵采用變頻調速改造后，不僅節約了大量電能，由于對電機實現真正的軟啟動，對電機、水泵、閥門、各種工藝、高壓開關等設備以及電網的啟動沖擊大大減少，它們的使用壽命得以延長，可以大幅度節省這些設備的維護費用。另外，變頻器高精度、寬范圍的無級調速功能，不僅可以全面滿足流量、壓力的動態調節需要，而且變頻器屬于高度智能化的新型設備，完全可以實現提高生產效率和機組自動化水平的要求。