高壓變頻器在大功率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。

　　一直以來，大慶油田大功率注水電機所用的高壓大功率變頻器為國外品牌所壟斷。2007年8月，九洲電氣自已研發的熱管散熱系統完美的解決了(>200A)大功率高壓變頻器的散熱技術瓶頸后，第一套2500KVA/6KV高壓大功率高壓變頻器在山東康達水泥投運成功，連續運行一年無故障。2008年9月份，九洲電氣高壓大功率高壓變頻器一舉中標大慶油田大功率注水電機節能改造用橇裝式高壓大功率變頻器4臺，分別為大慶油田杏V-2注水站注水泵6KV-2500KW，杏V-1注水站注水泵6KV-2240KW，聚南二十四注水站注水泵6KV-2240KW，聚南二十五注水站注水泵6KV-2000KW。

　　打破了國外品牌在大慶油田大功率注水電機所用的高壓大功率變頻器的一統天一的壟斷地位，為高壓大功率高壓變頻器國產品牌的　在大慶油田大功率注水電機的應用開了先河。

　　二、采油五廠杏南區注水系統現狀及存在的問題

　　1.現狀

　　2008年6月底，杏南開發區建成注水井1822口，其中開井數1511 口，注水站9座，注水泵25臺，裝機功率總計49140KW，設計注水能力11.60×104m3/d ,實際負荷8.24×104m3/d,負荷率71%。純油田區采用單干管單井配水流程，過渡帶采用單干管多井配水流程。

　　2.存在問題

　　現注水系統按水質分為普通污水注入系統，三次加密井注入系統，含聚污水注入系統。由于沒有調節措施，在注水方案變動和鉆井關井時，只能通過調整注水泵運行的臺數和型號來調整注水泵出口水量，調節效率低，適應性差，注水系統多處于壓力較高的狀態下運行，鉆關水量平均在5000 m3/d左右，注水系統單耗較正常運行時單耗高出0.15kwh/m3以上，最高時高出0.4kwh/m3,嚴重時由于注水量偏低，注水泵無法正常開啟。

　　三. 解決方案

　　為解決杏南油田普通污水注水系統無綜合調節措施導致泵水單耗的問題，決定采用高壓變頻技術，在杏南開發區實現水量和壓力的綜合調節，保證注水壓力在合理范圍之內 ，降低泵水單耗。

　　根據注水站布局情況和各注水站的單耗實際情況，在雙水質注水站(5.1.1和8.3.2)杏V-2注水站實行節能技術改造成，安裝一套容量為3150KVA/6KV的哈爾濱九洲電氣股份有限公司生產的橇裝式高壓變頻裝置，實現一拖二，既能對“8.3.2”水質系統實現調節，又能對：“5.1.1“水質系統實現調節。

　　四.九洲電氣橇裝式高壓變頻裝置

　　(一).高壓變頻室,高壓變頻器的冷卻系統的設計高壓變頻器室采用彩鋼板廠房，為保證良好隔熱保溫，板壁要求在100mm以上，考慮到高壓變頻器中的變壓器柜為變頻器的主要發熱源，將變壓器柜和功率柜，控制柜分為兩室放置，這樣就能充分保證變頻器運行的可靠性。

　　由于大慶油田處在我國北方高寒地區，春夏秋較短，冬季相對較長。因此變頻器的散熱采用空調+風道的復合模式。即春夏秋用空調，冬季用風道散熱的方式。同時在板房內配置電加熱器，以保持冬季變頻室在變頻器停運檢修維護時的溫度。

　　彩鋼板房剖面圖如下：

　　(二)一次系統方案的設計：

　　方案圖如下：

　　說明：

　　1. QS1～QS5為高壓隔離刀閘

　　2. QS4,QS5機械互鎖。

　　3. QS4與QS1,QF1電氣互鎖，加裝程序鎖。

　　4. QS5與QS2,QF2電氣互鎖，加裝程序鎖。

　　5. 電機既可工頻運行，也可變頻運行，同一時刻一臺電機只允許運行在工頻或變頻狀態。

　　6. 變頻器檢修維護時，將QS3，QS4，QS5全部斷開，有明顯的斷開點，保護了維護人員的安全。

　　7. 變頻器檢修維護時，電機(M1，M2)可工頻運行，保證了生產的連續性。

　　(三). 設備參數：

　　1. 電機參數：

　　額定電壓：6KV

　　額定電流：265A

　　額定功率：2500KW

　　2. 高壓變頻器技術參數：

　　高壓變頻調速系統采用高-高方式，輸入側直接接6kV電壓等級的電源，輸出連接甲方6kV異步電動機。

　　3.九洲電氣橇裝式高壓大功率變頻器功能簡介：

　　變頻室與變頻器一體化設計，完善的防護功能可達IP54，可放置在工作環境比較惡劣的地方。PowerSmart6000系列高壓變頻器，為電壓源型高-高變頻器。

　　 采用雙DSP控制，無須工控機，可靠性高，速度高達納秒級，比工業控機的響應速度快1000倍，杜絕了變頻器死機問題。

　　 采用36脈沖整流及空間矢量多重化PWM技術，每相由6個單元串聯而成，并直接驅動電動機，無需輸出升壓變壓器。輸出電平數非常多，dv/dt很小，輸出波形接近正弦波，無需正弦波濾波器，電機運行平穩。

　　 具有PWM控制波形與逆變輸出波形實時驗證功能，提高了輸出波形的準確性，增強了系統無故障的運行能力，而同類廠家的數據以打包通訊方式則無法實現此驗證功能。

　　 系統等效開關頻率高，每臺功率單元開關頻率為1.2kHz，通過串聯疊加，變頻器實際輸出的相間等效開關頻率可達14.4kHz。

　　 變頻器輸出轉矩脈沖窄，控制精度高，避免了機械共振，減少傳動機構的磨損，電動機的電應力強度與采用工頻電源時相近，無明顯附加影響，電動機噪聲與采用工頻供電時相近。

　　 輸入采用多重化的切分變壓器，絕緣等級H級，原副邊之間采取接地屏蔽措施，并提供變壓器過熱告警、保護功能，130℃告警，150℃故障跳閘，告警與故障點可根據設定，變壓器過載能力強120% 60min，200% 10s,輸入阻抗高達8%，抗短路電流沖擊能力可達到額定電流的12.5倍。 。

　　 完善的自我診斷和故障預警機制，上電自檢，運行中實時監測，檢測速度高。通過雙DSP系統，實現納秒級運算并進行綜合判斷，分析準確，減少變頻器誤報警。故障的自診斷及保護功能相當完備，多達400多項的診斷信息，對電網和負荷有很強的適應性。

　　 采用專利技術的實時光纖傳送技術，對功率單元進行控制，避免了同類廠家的數據打包通訊方式帶來的波形延遲現行。

　　 具有反轉啟動和飛車啟動功能，無論電機處于正轉還是反轉狀態，變頻器均可實現大力矩直接啟動。

　　 變頻器具有軟啟動功能，可以實現一拖多軟啟動。

　　 可以提供GPRS遠程監控功能，高壓變頻器的運行數據可以通過GPRS傳輸到本地服務器上顯示、處理、存儲，也可以進行遠程故障診斷，在必要時操作員可以開起遠程操控功能。變頻器發生短路、接地、過流、過載、過壓、欠壓、過熱等情況時，系統均能及時告警或保護。

　　 內置PID調節器，可以實現閉環控制。

　　 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。

　　 具有與用戶隔離的開關量模擬量輸入輸出接口，確保了與用戶現有設備的可靠連接。可提供開關量輸入輸出接口各32路，模擬量輸入輸出接口4和8路，也可根據用戶要求配置。

　　 采用兩路控制電源供電，一路由輸入變壓器二次繞組提供，一路由用戶現場提供。變頻器同時內置UPS電源，保證無擾動平滑切換，控制電源失電變頻器不停機。

　　 完整的參數化功能，對于用戶的各種應用可全面支持。

　　 同時，為方便現場操作人員的以前的操作習慣，變頻器新增四檔調速及點動上升，下降功能，極大的方便了現場操作人員的操作。

　　投運以來獲得現場操作人員的一致好評。

　　五.應用高壓變頻調速系統產生的效果：

　　(1)、改善了工藝。投入變頻器后注水泵的注水量可以平滑的輸出，運行人員可以自如的調控，給水泵的運行參數得到了改善，提高了效率。

　　(2)、延長電機和水泵的使用壽命。工頻時注水泵，啟動電流大(約5～8倍額定電流)，機械沖擊力很大，采用變頻調速后，可以實現軟起動和軟制動，對電機幾乎不產生沖擊，可大大延長機械的使用壽命。

　　(3)、減少閥門機械磨損和管網沖擊。延長注水泵的大修周期，節省檢修費用和時間。

　　將這種方法與原來傳統閥門調節方案相比較可見，在流量相同的情況下，轉速控制避免了閥門控制下因壓頭的升高和管阻增大所帶來的能量損失，減少人工閥門調節。完全消除泵機投入、退出時的“水錘”現象。

　　六.經濟效益測量評價

　　由流體力學可知 P=(Q*H)/102η，

　　式中：P為水泵的軸功率; Q為流量; H為壓力;η為泵的效率。

　　水泵的耗能計算公式為：P=(K×H×Q)/ η

　　K:為裕度系數 η：效率 Q1/ Q2=nl/ n2;Pl/P2=(nl/n2)2;N1/N2=(nl/n2)3 ，

　　即Q∝n;H∝n2;P∝n3(n為轉速)

　　經標定，注水泵的額定功率為2500kW，實際運行平均軸功率為2200KW，

　　改變頻控制實際運行平均軸功率功率為1868kW，平均節電率達15.1% 。運行結果表明：改變頻調速控制后，反映調節速度快，電控系統連續運行平穩可靠，機泵實現了軟起動，轉速在2503 ~ 2800r/min間運轉，減少了機泵磨損。

　　通過上述的分析可看出,注水泵采用變頻調速改造后，不僅節約了大量電能，而且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，消除泵機投入、退出時的“水錘”現象。 它們的使用壽命得以延長，大幅度節省這些設備的維護費用。

　　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。