高压变频器在油田注水采油上的应用
2009-3-16 11:39:00 深圳市英威腾电气股份有限公司 供稿
1.引言
油田注水是中国很多油田保持高产稳产的重要有效措施。其方法就是把地层中散布的油集中到油井，再提取上来。由于大庆油田属于断裂区块油田，每个区块注水范围小，注水量随开采状况的变化，需要经常调整，大部分注水站都存在额定流量与实际流量不相匹配的问题。而油田注水由于压力高、水量大，注水电机大多是大功率电动机，电动机长期处于高耗能状态运行，采用高压变频调速装置对油田注水泵用电动机实行变转速调节，实现注水泵变水量控制是一项非常有效的节能措施。
大庆油田采油某厂注水站的1250kW两台水泵主要用于油田注水，原来采用星三角启动方式，工频控制，水流量由阀门调节。现采用深圳英威腾电气股份有限公司的自主研发、生产的多单元串联的高─高形式的CHH100系列高压变频器，在注水泵配置的电动机安装高压变频器, 进行变频节能改造，都取得良好的节能效果，下面对改造情况作
2.英威腾CHH系列高压变频器技术特点
深圳市英威腾电气股份有限公司，提供的CHH100系列变频器除了具有一般厂家的高压变频器功能外，还有以下几方面的特点。
1）具有较强的功能，能够满足不同工况
CHH100系列高压变频器采用DSP系统与可编程系统巧妙的结合，控制系统高度集成化，设备器件主要采用进口器件，完成了比一般高压变频器的功能，具有300多个功能码，可以对启动特性、运行模式等功能根据现场工况进行不同设定。CHH100系列高压变频器具有标准的RS485接口，可以通过RS485通讯接口（采用标准通信协议）与DCS进行连接，也可以通过硬接线的方式与DCS系统进行连接。多种接口方式选择可以DCS系统很方便的对变频调速系统进行监控。也可以进行不同参数设置，满足现场其它各种不同工况。
2）全面的保护功能
CHH100系列变频器的功率单元自身就有多达11种的故障保护;主控系统采用DSP+PFGA巧妙配合，电气部分对输出电压、输出电流、输入电压、输入电流都有全面检测，对变频器电源及电机都有过压、过流、过载、欠压、温度等具有多达二十几种超强综合保护功能，并且重要的保护定值可以根据现场不同的工况进行参数设定。内置雷击过流保护装置，有效提高设备保护功能和系统保护功能，完全能够保证电源及电机的安全运行。
3）全面的参数记录
CHH100系列高压变频器显示多项运行参数过过程变量，包括每个模块的温度、母线电压都有检测与显示。具有故障、事故显示、记录功能，具有自诊断功能，所在信息可以通过通讯上传至DCS系统，异常时对变频器的状态都有全面的记录，以便现场人员更准确、更快捷地解决问题。
4）最大的电压、电流冗余量设计
深圳市英威腾电气股份有限公司生产的CHH100系列高压变频器，以安全、可靠、使用寿命长为首要设计原则，采用1700V高压IGBT，9级或6级串联，电压裕量为2.0倍左右。功率器件电压安全设计冗余量较高。
5）电机转速自动跟踪功能
CHH100系列高压变频器在主电源母线切换（10秒内）过程中，变频器能够自动跟踪电机的转速，当主电源恢复后变频器自动运行起来，保证了机组安全可靠运行。
6）功率模块自动旁路技术
模块自动旁路技术提高了系统的稳定性，CHH100系列高压变频器采用功率模块自动旁路技术，可在1ms内旁路故障模块，变频器降额并可长期运行，等适当时候停机处理。
7）良好的电压波动适应能力
CHH100系列高压变频器对电网电压在±15%范围内波动，变频器能满载输出;电网电压短时（30秒）下降至额定电压的65%时，可继续降额运行，不进行保护。
8）最有效的电磁干扰解决方案
深圳市英威腾电气股份有限公司生产的CHH100系列高压变频器在模块设计上，独家采用后进线、前出线设计方案;结构方面和电气方面全面考虑电磁抗干扰措施，尤其是核心的控制板件，最有效保证变频器的可靠运行。
9）合理的散热系统
功率采用独立的散热风道，系统集中散热的方式，散热性能良好，满载长时间运行温升不超过25℃，良好的散热系统可以确保变频装置的高可靠性，并延长变频装置内部的器件使用寿命。
10）模块化设计
CHH100系列变频器，遵循模块化设计理念，功率单元采用模块化结构，各个相同的功率单元的结构、配置完全相同，可以非常方便的互换，从而利于生产的标准化，以及维修的标准化。
11）最简洁操作、最快捷维护
深圳市英威腾电气股份有限公司生产的CHH100系列高压变频器具有人性化的接口设计、界面简洁清晰;操作方便，采用抽屉式模块设计，更换模块仅需5分钟;滤网更换方便、快捷。
3.改造项目介绍
1. 注水泵技术参数表
2.现有控制流量方式
常规情况下油田高压注水采用闸板阀门控制来调节流量和压力。根据工艺要求，不允许长时间小排量运行，否则泵内温度升高造成汽蚀和机件烧毁等问题，过去被迫采用大回流方法降低温升，造成电力的大量消耗，给油田造成了大量的能源损失。
在原设计系统工况中，用两台D（F）250-150注水泵进行系统注水。在未进行变频调速改造中，该工况的注水系统能耗损失主要在控制阀节流上。通过分析，只有通过结合配注量，降低水压，减少各注水井的阀门控制压差，才能达到节能降耗的目的。
4.注水泵变频调速的节能原理
注水泵是典型的变转矩负载。变转矩负载的特性是转矩随速度的上升而上升。注水泵的电动机的轴功率P与其流量Q，扬程H之间的关系式如下：
P∝Q×H （1）
当流量Q1由变化到Q2时，电动机的转速为N1、N2，此时Q、H、P相对于转速的关系如下：
Q2=Q1×（N2/N1）
H2=H1×（N2/N1）2
P2=P1×（N2/N1）3
由式（1）和式（2）可以看出，水泵的电动机的轴功率（功率输出）与转速的3次方成正比，而转矩与转速的2次方成正比。所以当需要80%的额定流量时，通过调节电机的转速至额定转速的80%，即调节频率到40Hz即可，这时所需功率将仅为原来的51.2%，系统工作点变化如下图所示：
变频调速工作点示意图
从上图的特性示意图来分析，采用变频调速的节能效果。在额定情况下，系统工作在A点，当所需流量从Q1减小到Q2时，如果工频运行，流量减小，系统压力将增加，系统将工作在B点。如果水泵采用变频器进行调节，在系统压力满足要求时，系统将在C点运行，C点对应的X轴、Y轴的面积与B点对应的X轴、Y轴的面积之比即使变频消耗的功率与工频消耗的功率之比，同时还需考虑系统其它损耗。从图2、3中可以看出，在低速时，功率会有很大的下降。由于注水泵运行于额定转速以上是恒功率调速，此时注水泵效率很低，机械磨损大，容易损坏电机。从理论上讲，速度降低10%时会带来30%左右的功率下降，由于功率的大幅度降低，可获得显著的节能效果。
5.注水泵系统的变频器方案
油田注水泵系统中有两台水泵长期运行，主要用于1250kW的水泵注水;因此所用的高压变频器可对注水泵进行一拖二的控制。
1.系统原理说明
由于注水泵的实际流量比泵的额定流量小，因此节电潜力较大。系统中注水泵的注水控制是由变频器通过变送器的回馈压力值，与事先预设在变频器中的压力值进行比较，变频器中的PID调节器自动根据差值进行运算调节控制变频器变频调速运行;同时，变频器的运行参数通过内部计算机接口和通讯协议传输至计算机工作站;在计算机上可以随时检测和控制系统运行压力、电动机转速、输入/输出电压、输入/输出电流等参数，达到系统自动节能运行的目的。
高压变频器内设了自动运行和工频降压启动运行两种运行方式，实现了自动和手动控制相结合的目的。
2.高压变频器系统与原有控制系统的比较
1）采用变频控制方式，其操作方便，无须手动调节进水阀门，极大的减轻了工人的劳动强度，提高了工作效率。
2）启动噪音低，在启动过程中电机从低频开始缓慢加速，经20秒后达到设定频率，由于启动电流很小，减小了对电网的冲击，保护了用电设备，延长了电动机的使用寿命，提高了电机的效率，节约维修成本。
3）系统采用一拖二控制方式，采用压力变送器反馈电流信号（4—20mA）至变频器中央处理器（CPU）,经PID控制组成闭环控制系统。其输出频率的大小由作用处理器控制，使电机的转速自动增加或降低;当压力超过设定的目标值时即（>5%）其中第一台电机转为工频运行，变频器启动第二台电机变频运行，保持水压恒定。这样不但减小了电动机的无功功率，而且提高了水泵的工作效率，节约了能源。
4）普通的工频控制方式（原有的控制方式）则不能实现这样的目的，其启动和停止需要人操作，还需要调节进水的阀门开关来满足工况要求，即费时又费力，且容易出现操作失误，造成不必要的损失。工频运行控制方式的电机的转速是不可调节的，并且启动电流大，当供水压力超过所需的压力值时需人工调节进水阀门的大小来满足供水压力。这时电机仍以满负荷运行，多余的功率就消耗在阀门上，能源浪费很大。
6.应用高压变频器后的效果分析
1. 系统使用高压变频器后的节能
1）考虑管网阻力损失等因素的影响，理论上综合平均节能值在30%以上。
2）按照节能30%计算，每天运行24个小时。则每天电动机的节能电度数为：
按照0.5元/kWh计算，每天节约的电费为：1250KW×0.85×30%×24H×0. 50元/天=3825元/天
若每月运行30天，则月节电费为： 3825元/天×30天=114750元/月
若每年运行12个月，则年节电费为： 114750元/月×12月=1377000元/年
2. 采用变频器是实现变水量控制节能的最有效措施
从以上实际工况中分析，采用变频调速的方式来满足生产的需要，使得注水泵既可大流量，也可小流量，既可高压力，也可低压力运行。可以用压力闭环或流量闭环控制注水的压力或流量，在注入站工况改变时，变频器可以使注水泵自动调节注水压力或流量。此时，泵的出口阀门全开，使泵的压差减至为零。这样，既节约了电能，又减少了阀门的维护量。还提高了系统的自动化水平，降低了系统的噪音，改善了工作的环境，减轻了工人的劳动强度。采用变频调速来获得实际需要的水流量，不但节约了电能，提高系统自动化运行程度;变频器自动根据需求量调节转速，而且平滑稳定，减少了人员的劳动强度;水泵的运行参数得以改进，系统效率大为提高。
7.结束语
综上所述 ,采用变频控制方式调速是现代工矿企业节能降耗的必然趋势，有利于提高企业的经济效益，自动运行时节能可达30%以上。通过对注水泵系统的变频调速的技术改造，经过较长时间的运行检验，证明该产品性能可靠、功能齐全、技术先进，说明国内自主开发的高压变频器在技术上已经处于世界先进水平。由于IGBT直接串联高压变频器无输入输出变压器、体积小、性价比高、综合性能好等方面均超过了国内外其它产品，是新一代高性能高压变频产品的代表，为高压变频调速技术在油田其它工序的技术改造提供了一条可行的途径，在高压变频改造领域具有极大的推广价值。
