1 安裝高壓變頻器的目的及意義 注水泵是滿足油田注水，保證地層壓力的源設(shè)備，隨著油田開采進入中后期，油田注水量也將逐年加大，注水耗電已占生產(chǎn)用電的 19% 、注水電費占總電費的 16% ，并呈逐年顯上升趨勢。在高壓注水系統(tǒng)中，高壓電機中大馬拉小車的現(xiàn)象比較普遍，注水泵泵壓與注水管線干壓之間存在較大的壓差，必須靠控制泵出口高壓回流閥門來保證注水管網(wǎng)的注水壓力，這樣既造成大量的電能被白白的消耗掉，同時又由于泵壓較高，對機泵的運行，管道的使用十分不利。安裝高壓變頻調(diào)速裝置后，依據(jù)注水管網(wǎng)需要的壓力進行參數(shù)設(shè)定，自動調(diào)節(jié)注水量，既可節(jié)約大量的電能又能降低機泵的損耗，對降低生產(chǎn)成本有著十分積極的意義。 遼河新三聯(lián)注水站投運一臺型號為 DFJ200-170AX11 的注水泵，匹配電機型號為 YB1800S2-2 的 6KV/1800KW 異步電動機，采用直接驅(qū)動方式控制，離心泵流量通過控制出口閥門的開度進行調(diào)節(jié)，造成大量節(jié)流損失 , 離心泵及電動機運行在低效率工作區(qū)，能源浪費嚴重。目前月注水流量為 183210m 3 , 夏秋季節(jié)注水量相應(yīng)降低，運行中離心泵實際泵壓為 16.5MPa ，注水管網(wǎng)實際運行壓力為 12.5MPa ，由于多泵注水實施并網(wǎng)運行，當注水管網(wǎng)壓力升高到目前注水管網(wǎng)實際注水壓力以上時，將造成高壓注水量減少，無法滿足油井注水需求，同時污水量大于注水量將造成污水外排。為此注水電機運行時必須靠調(diào)節(jié)離心泵出口高壓回流閥門來控制注水管網(wǎng)壓力，以維持聯(lián)網(wǎng)注水平衡。這樣就造成泵壓與管網(wǎng)干壓平均壓差達到 4 MPa 以上，造成了大量的電能浪費。 通過綜合調(diào)研和考慮，我們選用了山東新風光電子公司 JD-BP37-1800F 型號的高壓變頻器，通過應(yīng)用，該變頻器有安全性能好，可靠性高，設(shè)計合理，易損件壽命長，啟動性能好，降耗效果明顯，安裝、維護和保養(yǎng)都比較方便。 2 、 高壓變頻器的原理 圖 1 變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) JD-BP37 系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見圖 1 ，由移相變壓器、功率單元和控制器組成。 6KV/1800KW 變頻器共有 24 個功率單元，每 8 個功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相。 2 ． 1 功率單元電路 圖 2 單元結(jié)構(gòu) 每個功率單元結(jié)構(gòu)上完全一致，可以互換，其電路結(jié)構(gòu)見圖 3.2，為基本的交-直-交單相逆變電路，整流側(cè)為六支二極管實現(xiàn)三相全橋整流，通過對IGBT逆變橋進行正弦PWM控制， 每個個功率單元完全一樣，可以互換，這不但調(diào)試、維修方便，而且備份也十分經(jīng)濟，假如某一單元發(fā)生故障，該單元的輸出端能自動短路而整機可以暫時降額工作，直到緩慢停止運行。 2．2 輸入側(cè)結(jié)構(gòu) 輸入側(cè)由移相變壓器給每個單元供電，每個功率單元都承受電機電流， 1/8的相電壓、1/24的輸出功率。24個單元在變壓器上都有自己獨立的三相輸入繞組。功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣。二次繞組采用延邊三角形接法，目的是實現(xiàn)多重化，降低輸入電流的諧波成分。24個二次繞組分成三相位組，互差20°，構(gòu)成18脈沖整流方式；這種多級移相疊加的整流方式可以大大改善網(wǎng)側(cè)的電流波形，使其負載下的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近1，輸入電流諧波成分低。實測輸入電流總諧波成分小于5%。由于變壓器副邊繞組的獨立性，使每個功率單元的主回路相對獨立，類似常規(guī)低壓變頻器，便于采用現(xiàn)有的成熟技術(shù)。 2．3 控制器 控制器核心由高速 16 位單片機和工控 PC 機協(xié)同運算來實現(xiàn)，精心設(shè)計的算法可以保證電機達到最優(yōu)的運行性能。工控 PC 提供友好的全中文 WINDOWS 監(jiān)控和操作界面，同時可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化控制。控制器用于柜體內(nèi)開關(guān)信號的邏輯處理，以及與現(xiàn)場各種操作信號和狀態(tài)信號的協(xié)調(diào)，增強了系統(tǒng)的靈活性。 控制器及各控制單元板中采用 8 位單片機等大規(guī)模集成電路和表面焊接技術(shù)，系統(tǒng)具有極高的可靠性。 此外還有一個 CPU，也是8位單片機,負責管理LED顯示屏和鍵盤。 另外，控制器與功率單元之間采用多通道光纖通訊技術(shù)，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，系統(tǒng)具有極高的安全性，同時具有很好的抗電磁干擾性能，并且各個功率單元的控制電源采用一個獨立于高壓系統(tǒng)的統(tǒng)一控制器，方便調(diào)試、維修、現(xiàn)場培訓(xùn)，增強了系統(tǒng)的可靠性。 2．4 控制電源 控制器有一套獨立于高壓電源的供電體系，在不加高壓的情況下，設(shè)備各點的波形與加高壓情況基本相似，給整機可靠性、調(diào)試、培訓(xùn)帶來了很大方便。 圖 3 獨立控制電源系統(tǒng) 3、現(xiàn)場情況和節(jié)能效果統(tǒng)計 針對現(xiàn)場存在的問題，系統(tǒng)優(yōu)化改造主要需解決兩方面的問題：第一，在滿足系統(tǒng)配注水量的基礎(chǔ)上盡可能減少排量損失；第二，在滿足注水壓力的前提下盡可能減少泵管壓差，即減少壓力損失。系統(tǒng)優(yōu)化擬從動能和勢能兩方面同時入手，盡可能降低能耗、提高系統(tǒng)效率。 3.1 現(xiàn)場的系統(tǒng)構(gòu)成 圖 4 現(xiàn)場系統(tǒng)構(gòu)成 系統(tǒng)閉環(huán)控制過程如下：由智能傳感器對各運行注水泵進行實時數(shù)據(jù)監(jiān)控和處理，即采集和傳輸注水泵、站的運行參數(shù)，如：泵的排量 Q 單、電機電流 I 、泵進、出口壓力 P 泵，注水站出口干壓 P 干、總排量 Q 總、平均單耗等，并將這些控制參數(shù)（ Q 單、 I 、 P 泵， P 干、 Q 總、）與其期望值及泵本身的特性曲線進行對比和優(yōu)化計算。其中，注水站干壓和總流量是系統(tǒng)所需監(jiān)測和控制的兩個最主要參數(shù)。本系統(tǒng)中，一方面在泵出口管線上安裝一只高可靠性壓力傳感器，將實測的壓力信號與系統(tǒng)的配注壓力（期望值）相比，并將其差值送往過程參數(shù)調(diào)節(jié)器（ PID ）進行比例和積分運算，最后將輸出結(jié)果送給可編程控制器（ PLC ）；另一方面在泵入口管線上安裝一只流量計，用于監(jiān)測系統(tǒng)實際總流量，將該值與系統(tǒng)配注量的差值再進行一次 PID 整定，最后將輸出結(jié)果送給 PLC 。 PLC 根據(jù)所接收的兩個 PID 整定信號，利用模糊推理的方法，在滿足系統(tǒng)干壓的前提下，系統(tǒng)及時自動調(diào)整高壓變頻器的輸出頻率從而控制變頻泵的轉(zhuǎn)速。由離心泵原理知，泵轉(zhuǎn)速的變化可引起相應(yīng)的排量變化，通過頻率的變化以達到期望的排量值。通過上述閉環(huán)控制，使系統(tǒng)的實際壓力和排量與系統(tǒng)的配注壓力和配注量相接近。系統(tǒng)設(shè)計為閉環(huán)控制系統(tǒng)，流量和壓力為系統(tǒng)的兩個主要參數(shù)，將系統(tǒng)實測的流量和壓力信號與地質(zhì)要求的流量和壓力（期望值）進行雙 PID 調(diào)節(jié)；通過模糊推理的方法自動尋優(yōu)控制，根據(jù)推理結(jié)果，系統(tǒng)及時自動調(diào)整高壓變頻器的輸出，并自動計算出變頻器的最佳運行頻率。 3.2 節(jié)電效果分析 3.2.1 由功率和轉(zhuǎn)速的立方成比例： p 1 /p 2 μ （n 1 /n 2 ） 3 （其中， n 為機泵轉(zhuǎn)速， p 為輸出功率） 可知，泵的功率變化與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，也就是說，當泵的轉(zhuǎn)速下降 1 個單位，則泵的功率將以該單位的三次方的關(guān)系下降。而變頻調(diào)速正式通過變頻器改變電源的頻率來控制泵的轉(zhuǎn)速，這充分說明變頻調(diào)速是節(jié)能的最好方法。 3.2.2 系統(tǒng)效率提高，單耗降低 系統(tǒng)通過高壓變頻裝置改造后，使各泵在高效區(qū)運行的前提下滿足系統(tǒng)的注水量，有效提高了系統(tǒng)效率，降低系統(tǒng)單耗。據(jù)分析計算，系統(tǒng)改造后可實現(xiàn) 注水單耗平均降低 0.2～0.4kW/h ，取平均值 0.3kW/h ， 每天 注水量平均為 4100 m 3 /d ， ，每度電以 0.5 元計，則一年可以節(jié)約電費為： 4100 ′ 365 ′ 0.3 ′ 0.5=22.4 萬元（人民幣） 3.2.3 調(diào)整多余水量，節(jié)約電能 每天平均注水量為 4100 m 3 /d ， 由于要求的 注水量的波動較大（有時需要注 2600 m 3 /d ，有時又需要注 5500 m 3 /d ）且變化頻繁（一周或幾天一變）。對該站實施高壓變頻改造，可根據(jù)站外要求的水量靈活調(diào)整站內(nèi)泵的運行，使之在滿足系統(tǒng)壓力要求的前提下盡可能與要求的注水量一致，重大程度減少電能和水源的浪費。 當要求注 3600 m 3 /d 水時，泵的能力大于要求的水量，將多注 1500m 3 /d ；當要求注 5500 m 3 /d 時，開 1 臺泵水量不夠，開 2 臺泵將多注 2220 m 3 /d 水，都將造成水源和電能的浪費。根據(jù)以上數(shù)據(jù)及站內(nèi)運行情況推算，為滿足配注量，每天平均多注水 1600 m 3 /d ， 系統(tǒng)單耗為 7.1 kW/h ，按每度電電費為 0.5 元計，改造前每年約有 150 天水量處于不匹配狀態(tài)，則通過高壓變頻調(diào)節(jié)后年節(jié)電費為： 1600 ′ 150 ′ 7.1 ′ 0.5=85.2 萬元（人民幣） 3.3 實際節(jié)電效果 該變頻器于 2004年8月在新三聯(lián)2#注水電機安裝正式運行，使用變頻器前后的耗電情況統(tǒng)計見下表： 表 1：2004年5月使用變頻器前的耗電情況 由表 1，表2可以看出，2#注水泵電機安裝變頻器前后的注水單耗從6.79下降到5.38，不考慮其它方面的影響： 節(jié)電率=（安裝前耗電-安裝后耗電）/安裝前耗電＊100﹪ =（1244246-698215）/1244246＊100﹪ =43.88﹪ 考慮到注水量各方面條件的影響，實際的節(jié)電率與計算值有所不同，但根據(jù)現(xiàn)場的運行情況來看，不會有太大的出入，總體的節(jié)電效果不會改變的。 4 結(jié)束語 綜上所書，JD-BP37序列高壓變頻器運行平穩(wěn)，性能可靠，簡便實用，節(jié)電效果明顯，改善了工作人員的工作環(huán)境，啟動無沖擊電流，大大降低了維修費用提高了機組的使用壽命，安裝使用后明顯帶來了比較顯著的經(jīng)濟效益，使用表明，JD-BP37系列高壓變頻器具有巨大的推廣應(yīng)用價值。