一、引言  
　　注水是油田開發(fā)中穩(wěn)油增產(chǎn)的重要措施之一。它有效地補(bǔ)充了地層的能量，保持了地層的壓力，對(duì)提高采油速度和原油采收率，確保油田高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)起到了積極作用。 
　　一直以來，大慶油田大功率注水電機(jī)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(fā)的熱管散熱系統(tǒng)完美的解決了（>200A）大功率高壓變頻器的散熱技術(shù)瓶頸后，第一套2500KVA/6KV高壓大功率高壓變頻器在山東康達(dá)水泥投運(yùn)成功，連續(xù)運(yùn)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(biāo)大慶油田大功率注水電機(jī)節(jié)能改造用橇裝式高壓大功率變頻器4臺(tái)，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(jī)所用的高壓大功率變頻器的一統(tǒng)天一的壟斷地位，為高壓大功率高壓變頻器國產(chǎn)品牌的　在大慶油田大功率注水電機(jī)的應(yīng)用開了先河。 
二、采油五廠杏南區(qū)注水系統(tǒng)現(xiàn)狀及存在的問題。 
1．現(xiàn)狀 
　　2008年6月底，杏南開發(fā)區(qū)建成注水井1822口，其中開井?dāng)?shù)1511  口，注水站9座，注水泵25臺(tái)，裝機(jī)功率總計(jì)49140KW，設(shè)計(jì)注水能力11.60×104m3/d ,實(shí)際負(fù)荷8.24×104m3/d,負(fù)荷率71%。純油田區(qū)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(xiàn)注水系統(tǒng)按水質(zhì)分為普通污水注入系統(tǒng)，三次加密井注入系統(tǒng)，含聚污水注入系統(tǒng)。由于沒有調(diào)節(jié)措施，在注水方案變動(dòng)和鉆井關(guān)井時(shí)，只能通過調(diào)整注水泵運(yùn)行的臺(tái)數(shù)和型號(hào)來調(diào)整注水泵出口水量，調(diào)節(jié)效率低，適應(yīng)性差，注水系統(tǒng)多處于壓力較高的狀態(tài)下運(yùn)行，鉆關(guān)水量平均在5000 m3/d左右，注水系統(tǒng)單耗較正常運(yùn)行時(shí)單耗高出0.15kwh/m3以上，最高時(shí)高出0.4kwh/m3,嚴(yán)重時(shí)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(tǒng)無綜合調(diào)節(jié)措施導(dǎo)致泵水單耗的問題，決定采用高壓變頻技術(shù)，在杏南開發(fā)區(qū)實(shí)現(xiàn)水量和壓力的綜合調(diào)節(jié)，保證注水壓力在合理范圍之內(nèi) ，降低泵水單耗。 
　　根據(jù)注水站布局情況和各注水站的單耗實(shí)際情況，在雙水質(zhì)注水站（5.1.1和8.3.2）杏V-2注水站實(shí)行節(jié)能技術(shù)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(chǎn)的橇裝式高壓變頻裝置，實(shí)現(xiàn)一拖二，既能對(duì)“8.3.2”水質(zhì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，又能對(duì)：“5.1.1“水質(zhì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。 
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(tǒng)的設(shè)計(jì)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(fā)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(yùn)行的可靠性。 
　　由于大慶油田處在我國北方高寒地區(qū)，春夏秋較短，冬季相對(duì)較長(zhǎng)。因此變頻器的散熱采用空調(diào)+風(fēng)道的復(fù)合模式。即春夏秋用空調(diào)，冬季用風(fēng)道散熱的方式。同時(shí)在板房?jī)?nèi)配置電加熱器，以保持冬季變頻室在變頻器停運(yùn)檢修維護(hù)時(shí)的溫度。 

彩鋼板房剖面圖如下： 

 

（二）一次系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)： 
方案圖如下： 

 

說明： 
1. QS1～QS5為高壓隔離刀閘 
2. QS4,QS5機(jī)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(jī)既可工頻運(yùn)行，也可變頻運(yùn)行，同一時(shí)刻一臺(tái)電機(jī)只允許運(yùn)行在工頻或變頻狀態(tài)。 
6. 變頻器檢修維護(hù)時(shí)，將QS3，QS4，QS5全部斷開，有明顯的斷開點(diǎn)，保護(hù)了維護(hù)人員的安全。 
7. 變頻器檢修維護(hù)時(shí)，電機(jī)（M1，M2）可工頻運(yùn)行，保證了生產(chǎn)的連續(xù)性。 
(三). 設(shè)備參數(shù)： 
1. 電機(jī)參數(shù)： 
額定電壓：6KV 
額定電流：265A 
額定功率：2500KW 
2. 高壓變頻器技術(shù)參數(shù)： 
高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用高-高方式，輸入側(cè)直接接6kV電壓等級(jí)的電源，輸出連接甲方6kV異步電動(dòng)機(jī)。 

設(shè)計(jì)使用標(biāo)準(zhǔn)	DL/T994-2006
安裝地點(diǎn)	室內(nèi)
技術(shù)方案	交-直-交、高-高方式
對(duì)電動(dòng)機(jī)要求	普通鼠籠式(或繞線式)異步電機(jī)
額定輸入電壓允許變化范圍	6kV±10%
額定容量	3150KVA
系統(tǒng)輸出電壓	0～6kV
系統(tǒng)輸出電流	0～315A
頻率輸出范圍	0～50Hz
額定輸入頻率/允許變化范圍	50Hz±10%
變頻器效率	滿載時(shí)≥97%
諧波	輸入電壓≤4%,輸出電流≤4%
輸入側(cè)功率因數(shù)	≥0.95（在調(diào)速范圍內(nèi)）
控制電源	380V±10%AC，6kVA
控制電源UPS型式、參數(shù)及容量	在線式，    3000  VAh
高低壓隔離	采用光纖
噪聲等級(jí)	在設(shè)備1米外≤75dB
冷卻方式	強(qiáng)迫風(fēng)冷（熱管）
過載能力	120%過載時(shí)間1分鐘 (每10分鐘)
模擬量信號(hào)(輸入)規(guī)格及數(shù)量	4～20mA，2路
模擬量信號(hào)(輸出)規(guī)格及數(shù)量	4～20mA，2路
開關(guān)量信號(hào)(輸入)規(guī)格及數(shù)量	干接點(diǎn)，12路
開關(guān)量信號(hào)(輸出)規(guī)格及數(shù)量	干接點(diǎn)，12路
防護(hù)等級(jí)	IP30
操作鍵盤	液晶觸摸屏
界面語言	簡(jiǎn)體中文
柜體顏色	RAL7000
進(jìn)線方式	下進(jìn)線
環(huán)境溫度	0～40oC
海拔高度	不超過1000米
空氣污染	僅有干燥的、非導(dǎo)電性污染
相對(duì)濕度	最高90% (20℃)，無凝露

3．九洲電氣橇裝式高壓大功率變頻器功能簡(jiǎn)介： 

　　變頻室與變頻器一體化設(shè)計(jì)，完善的防護(hù)功能可達(dá)IP54，可放置在工作環(huán)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(jī)，可靠性高，速度高達(dá)納秒級(jí)，比工業(yè)控機(jī)的響應(yīng)速度快1000倍，杜絕了變頻器死機(jī)問題。 
    采用36脈沖整流及空間矢量多重化PWM技術(shù)，每相由6個(gè)單元串聯(lián)而成，并直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，無需輸出升壓變壓器。輸出電平數(shù)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(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。 
    具有PWM控制波形與逆變輸出波形實(shí)時(shí)驗(yàn)證功能，提高了輸出波形的準(zhǔn)確性，增強(qiáng)了系統(tǒng)無故障的運(yùn)行能力，而同類廠家的數(shù)據(jù)以打包通訊方式則無法實(shí)現(xiàn)此驗(yàn)證功能。 
    系統(tǒng)等效開關(guān)頻率高，每臺(tái)功率單元開關(guān)頻率為1.2kHz，通過串聯(lián)疊加，變頻器實(shí)際輸出的相間等效開關(guān)頻率可達(dá)14.4kHz。 
    變頻器輸出轉(zhuǎn)矩脈沖窄，控制精度高，避免了機(jī)械共振，減少傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的磨損，電動(dòng)機(jī)的電應(yīng)力強(qiáng)度與采用工頻電源時(shí)相近，無明顯附加影響，電動(dòng)機(jī)噪聲與采用工頻供電時(shí)相近。 
    輸入采用多重化的切分變壓器，絕緣等級(jí)H級(jí)，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(hù)功能，130℃告警，150℃故障跳閘，告警與故障點(diǎn)可根據(jù)設(shè)定，變壓器過載能力強(qiáng)120% 60min，200% 10s,輸入阻抗高達(dá)8%，抗短路電流沖擊能力可達(dá)到額定電流的12.5倍。 。 
    完善的自我診斷和故障預(yù)警機(jī)制，上電自檢，運(yùn)行中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，檢測(cè)速度高。通過雙DSP系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)納秒級(jí)運(yùn)算并進(jìn)行綜合判斷，分析準(zhǔn)確，減少變頻器誤報(bào)警。故障的自診斷及保護(hù)功能相當(dāng)完備，多達(dá)400多項(xiàng)的診斷信息，對(duì)電網(wǎng)和負(fù)荷有很強(qiáng)的適應(yīng)性。 
    采用專利技術(shù)的實(shí)時(shí)光纖傳送技術(shù)，對(duì)功率單元進(jìn)行控制，避免了同類廠家的數(shù)據(jù)打包通訊方式帶來的波形延遲現(xiàn)行。 
    具有反轉(zhuǎn)啟動(dòng)和飛車啟動(dòng)功能，無論電機(jī)處于正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)狀態(tài)，變頻器均可實(shí)現(xiàn)大力矩直接啟動(dòng)。 
    變頻器具有軟啟動(dòng)功能，可以實(shí)現(xiàn)一拖多軟啟動(dòng)。 

 
    可以提供GPRS遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，高壓變頻器的運(yùn)行數(shù)據(jù)可以通過GPRS傳輸?shù)奖镜胤?wù)器上顯示、處理、存儲(chǔ)，也可以進(jìn)行遠(yuǎn)程故障診斷，在必要時(shí)操作員可以開起遠(yuǎn)程操控功能。變頻器發(fā)生短路、接地、過流、過載、過壓、欠壓、過熱等情況時(shí)，系統(tǒng)均能及時(shí)告警或保護(hù)。 
    內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器，可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。 
    可以實(shí)現(xiàn)觸摸屏、數(shù)字鍵盤、模擬電位器、遠(yuǎn)程DCS等多種頻率設(shè)定方式，適應(yīng)各種用戶需求。 
    具有與用戶隔離的開關(guān)量模擬量輸入輸出接口，確保了與用戶現(xiàn)有設(shè)備的可靠連接。可提供開關(guān)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(jù)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(xiàn)場(chǎng)提供。變頻器同時(shí)內(nèi)置UPS電源，保證無擾動(dòng)平滑切換，控制電源失電變頻器不停機(jī)。 
    完整的參數(shù)化功能，對(duì)于用戶的各種應(yīng)用可全面支持。 
    同時(shí)，為方便現(xiàn)場(chǎng)操作人員的以前的操作習(xí)慣，變頻器新增四檔調(diào)速及點(diǎn)動(dòng)上升，下降功能，極大的方便了現(xiàn)場(chǎng)操作人員的操作。 
投運(yùn)以來獲得現(xiàn)場(chǎng)操作人員的一致好評(píng)。 
五．應(yīng)用高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)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(yùn)行人員可以自如的調(diào)控，給水泵的運(yùn)行參數(shù)得到了改善，提高了效率。    
（2）、延長(zhǎng)電機(jī)和水泵的使用壽命。工頻時(shí)注水泵，啟動(dòng)電流大（約5～8倍額定電流），機(jī)械沖擊力很大，采用變頻調(diào)速后，可以實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)和軟制動(dòng)，對(duì)電機(jī)幾乎不產(chǎn)生沖擊，可大大延長(zhǎng)機(jī)械的使用壽命。    
（3）、減少閥門機(jī)械磨損和管網(wǎng)沖擊。延長(zhǎng)注水泵的大修周期，節(jié)省檢修費(fèi)用和時(shí)間。    
　　將這種方法與原來傳統(tǒng)閥門調(diào)節(jié)方案相比較可見，在流量相同的情況下，轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)。完全消除泵機(jī)投入、退出時(shí)的“水錘”現(xiàn)象。  
六．經(jīng)濟(jì)效益測(cè)量評(píng)價(jià)    
　　由流體力學(xué)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(jì)算公式為：P=(K×H×Q)/ η  
K:為裕度系數(shù)  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(zhuǎn)速）

   
　　經(jīng)標(biāo)定，注水泵的額定功率為2500kW，實(shí)際運(yùn)行平均軸功率為2200KW， 
改變頻控制實(shí)際運(yùn)行平均軸功率功率為1868kW，平均節(jié)電率達(dá)15.1% 。運(yùn)行結(jié)果表明：改變頻調(diào)速控制后，反映調(diào)節(jié)速度快，電控系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行平穩(wěn)可靠，機(jī)泵實(shí)現(xiàn)了軟起動(dòng)，轉(zhuǎn)速在2503 ~ 2800r/min間運(yùn)轉(zhuǎn)，減少了機(jī)泵磨損。 
　　通過上述的分析可看出,注水泵采用變頻調(diào)速改造后，不僅節(jié)約了大量電能，而且對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)真正的軟啟動(dòng)，對(duì)電機(jī)、水泵、閥門、各種工藝、高壓開關(guān)等設(shè)備以及電網(wǎng)的啟動(dòng)沖擊大大減少，消除泵機(jī)投入、退出時(shí)的“水錘”現(xiàn)象。 它們的使用壽命得以延長(zhǎng)，大幅度節(jié)省這些設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用。 
　　變頻器屬于高度智能化的新型設(shè)備，完全可以實(shí)現(xiàn)提高生產(chǎn)效率和機(jī)組自動(dòng)化水平的要求。