国产高压变频器在注水站中的应用

　　目前，在油田注水系统中，进口高压大功率变频技术得到了部分应用，但进口高压大功率变频器价格昂贵、维修困难又限制了该技术的推广。在我厂聚北十六注水站应用的国产高压大功率变频器，是首次在油田注水系统中应用，通过其在注水管网中的连续运行实践，该项目达到了预期的节能效果，并且在满足生产需求方面发挥了较大的作用。
　　一、高压变频器结构原理
　　（一）技术现状
　　目前，从国内和国外的变频器市场上看，高压变频器基本应用4种技术（如表1），从表中可以看出，多级串联电压型变频器是目前最为成熟和先进的技术。
　　
　　
　　（二）设备原理
　　该设备采用免维护设计，使用寿命15年。该设备的突出特点为应用移相隔离变压器技术和高压旁路技术。移相变压器电气原理如图1所示，变压器原边绕组为6kV, 副边共24个（非自动旁路功能需要18个），绕组分为三相。每个绕组为延边三角形接法，分别有±5o 、±15o 、±25o 等移相角度，每个绕组接一个功率单元。因此移相隔离变压器能够有效抑制电网侧的电流谐波和变频部分的谐波注入电网，输入电压和电流之间没有相移，可以省掉谐波抑制环节和无功补偿装置，设备功率因数高，变压器绝缘耐热等级达到H级，最高允许温升180℃，耐热余量较大。
　　
　　
　　高压旁路技术原理见图2，每相6个为工作单元，另外2个单元作为旁路热备用。当设备单元故障时，自动切换到本回路内的其他热备单元，由计算机控制实现无扰动切换。因此，在连续运行的情况时，最多在6个单元损坏的情况下（每相损坏两个），保证连续工作。
　　
　　
　　
　　
　　高压变频器采用单元串联多电平拓扑结构。由若干个低压变频功率单元串联的方式实现直接高压输出,高压主回路与控制器之间采用光纤连接，保证系统和操作人员安全可靠。
　　
　　
　　（三）设备结构
　　该设备由1个控制柜、8个单元柜、一个移相变压器柜、1面旁通刀闸控制柜组成，单元柜内共安装24个单元，每项串连8个单元，设备总重量13.5吨，设备占地17m2。
　　
　　
　　（四）设备技术参数
　　系统控制器：SIEMENS S7-300
　　变频器容量：3000kVA
　　额定电流：303A
　　输出频率：0～50/60Hz ，三相
　　频率精度：±0.05%
　　频率分辨率：0.01 Hz
　　加减速时间：1～3000秒可调
　　功率因数：＞0.96（20%负荷以上）
　　效 率：＞96%
　　过载能力：120%额定电流值下30秒
　　防护等级：IP31
　　用户地网接地电阻：≤4Ω
　　环境温度：0℃～40℃
　　环境湿度：＜90％（20℃时）
　　设备总噪声：＜85dB
　　输入输出滤波器：不需要
　　输入输出谐波含量THD：<3%(符合GB14549-93及IEEE519的要求)
　　故障诊断方式：计算机在线自诊断
　　允许网侧输入电压消失时间：≤100mS
　　系统结构方式：模块化单元式结构
　　人机联系方式：触摸面板和触摸屏（输入）LCD或液晶显示屏（输出）
　　故障切换：故障单元自动旁路
　　
　　二、设计方案及特点
　　（一）应用地点的选择及现状
　　通过对三厂注水站生产情况的分析发现，由于注聚管网是随聚驱区块逐渐开发，各区块内部注聚的开始和结束时间又不一致，因此，各区块的管网没有完全连网，经常造成运行多余的清水注入基础井网，既浪费清水又使其它管网压力升高，为减少浪费清水，站上只能控制注水泵的排量，导致泵的运行参数不合理，能耗增加。
　　通过论证，确定选择在聚北十六注水站安装高压变频器，主要原因一是为了解决聚驱注水站受开发阶段性影响水量波动较大，造成清水和能源浪费的问题；二是由于聚北十六注水站和聚北十七注水站清水管线已联网，在2003年7月北三东西块投产后，聚北十六注水站的高压变频器在7年时间里（2003年7月-2010年10月）可同时调节两站清水量。
　　聚北十六注水站于2000年投产，位于北二东西块，该站设计能力为1.68×104m3/d，有DF400-150×11注水泵1台（电机功率2500 kW）、D300-150×11注水泵1台（电机功率2240kW）、D300-150×9注水泵1台（电机功率2240kW），为北二东（18－1、2、3、4）及东过南块（18－5）5座注入站供低矿化度清水。
　　
　　
　　聚北十七注水站于2003年投产，位于北三东西块，该站设计能力为1.68×104m3/d，有DF400-150×11注水泵1台（电机功率2500 kW）、D300-150×11注水泵2台（电机功率2240 kW），为北三东（18－6、7、8）3座注入站供低矿化度清水。
　　聚北十六注水站与聚北十七注水站，在18－1注聚站进站注水管线上与聚北十七注水站连通，管线型号为Φ168×13，这样聚北十六注水站与聚北十七注水站组成了一个区域注水管网。
　　在未使用高压变频器之前，该区块清水管网平均单耗最高达到7.5kWh/m3，泵管压差最高达到3.5Mpa。
　　（二）设计方案
　　如图7所示，在聚北十六注水站与电所之间，新建轻板房一座，作为高压变频器室。高压变频器设备费用为286万元，配套附属设施费用为144万元，设计概算资金为430万元。
　　
　　
　　（三）设计特点
　　1.设备改造成水冷方式
　　设备原设计为风冷却，我厂对设备的适应性进行了充分的调研和论证，针对设备冷却方式（风冷）不合理的问题，提出了改进方案，即变频器加装循环水冷却器，采用清水干线来水作为冷却水，冷却后进入注水泵进口，注入地下，消除了可能由于温度高而不能运行的隐患。同时设计一套后备循环冷却系统，在该站不注清水时冷却高压变频器，避免清水浪费。设备投运后，高压变频器室内未加装冷却及通风散热系统，设备冷却水管进出口温差为1℃。
　　2.灵活的系统主接线形式
　　设计主接线采用变频器一拖二形式，即可以分别用变频或工频启动1#或3#注水电机，达到灵活使用目的，并利用电所原有的备用出线开关柜和电机开关柜，原有工频启动方式及程序不变。该项可节省投资15万元。
　　3.电机（泵）保护
　　聚北十六变电所为综合自动化保护，在变频状态下，将注水电机保护测控单元的保护信号，接入到变频器的保护测控单元，原有电机保护信号全部有效，电机保护跳闸信号直接将变频器电源断开，原有保护功能及参数不变。
　　4.变频器内置的保护
　　变频器实现自身过载、过热、输出接地、输出短路等保护功能。对电动机有过电流、欠电压、缺相、过载等保护功能， 变频器跳闸信号直接接入其电源断路器跳闸回路。
　　5.设计加装继电保护
　　
　　
　　由于变频启动时，原有启动程序无效，所以设计加装继电保护装置，防止工频与变频切换时可能引起的误操作。如主接线图（图8）所示，4G和5G间、4G和1DL间、5G和3DL间采用电子互锁。在变频启动时电机所有保护信号（掉闸）进入2DL保护测控单元，变频启动时有关开关柜门采用电磁锁锁定，有关开关柜门开时变频无法启动，保证系统安全运行。
　　6.变频器控制方式
　　变频器采用二种控制方式，一是开环控制，即人为设定电机频率进行控制输出，正常状态下不使用。二是闭环控制，即变频器通过对管网的压力检测、优化，自动控制注水泵出口压力，从而达到消除泵管压差，调节管网水量，使管网压力分配更加合理，节约电能，正常生产状态下采用此方式运行。
　　三、变频器运行情况分析
　　高压变频器于2004年6月14日正式投产运行至今，聚北十六注水站的泵管压差降为0，单耗略有上升，聚北十七泵管压差下降，单耗下降，从高压变频器运行情况统计表（表2）中可以看出，高压变频器目前运转正常，设备发热量正常，控制准确，对轴瓦、电机设备适应性较好。
　　
　　
　　我们选用了安装施工后前后两个月的数据进行比对分析，在这两个月中，聚北十六注水站运行3＃注水泵（电机功率2240 kW），聚北十七注水站运行3＃注水泵（电机功率2240 kW）。
　　（一）泵效测试分析
　　
　　
　　通过北十六注水泵泵效实测分析（测试表见表3），安装变频前，通过调节注水泵出口阀门，调节流量，能耗损失集中在阀门上，电机输出轴功率较高，单耗较高。安装变频后，通过变频改变泵轴转速，引起流量的变化，注水泵出口阀门处于全开状态，没有控制损失，相同流量下，输出轴功率降低，单耗降低(约12％）。注水泵效率与工频状态下基本相同，低流量下，变频控制泵效较工频略高。
　　（二）水量分析
　　
　　
　　聚北十六注水站应用高压变频器，使得该区域管网的压力及流量状况趋于合理，减少了由于泵压高注入到基础井网的水量，整体注水量变小，从表4可以看出，聚北十七日注水量约增加10％，而聚北十六注水量减少量较大，达到52％，整个注聚区块注水量减少了25％。
　　
　　
　　由表5所示水量可以看出，聚北十六注水站在应用高压变频器装置以后的外输水量小于18-3、4、5三个注入站的实际注入量，这是因为该站泵出水至汇管并与聚北十七来水构成汇合管路，聚北十七注水站注水泵扬程不变，聚北十六注水泵加变频控制，泵扬程降为额定扬程的84％（46Hz），导致聚北十七注外输水将通过连通管为18－1、2注入站供水，并与聚北十六注一起为18－3、4、5注入站供水，聚北十六注主要为18－4、5注聚站供水，表5中的数据也验证了这样的分析判断。由此证明了高压变频器在区块管网的水量调节作用是明显的。
　　（三）能耗分析
　　
　　
　　从表6中可以看出，高压变频器在本区块注水管网中应用，输出频率与流量和能耗关系不大，在同一频率下，输出的流量不同（2500－5600m3/d），输出轴功率也不是固定值（经现场随机测试，输出50Hz下轴功率为1935kW），能耗与管网特性有关，本站单耗随水量上升而降低。根据变频器投运后的生产报表统计，聚北十六注水站在注水量小于4800m3/d时，变频比工频运行单耗高，当注水量大于5100m3/d时，变频比工频情况下单耗降低，因此聚北十六注水站注水量在大于4800m3/d左右液量时，应用高压变频器节能效果较好，运行4个月以来平均水量约为4100m3/d。
　　
　　
　　从区块内生产报表统计和节能测试，在高压变频器应用后单耗的变化趋势，聚北十六注水站的单耗增加（平均1.33 kWh/m3），聚北十七注水站的单耗减少（平均2.75 kWh/m3），区块平均单耗由未装变频前的7.2 kWh/m3降到6.49kWh/m3，区块整体评价达到了节能的目的。
　　（四）高压变频器在注聚管网应用的必要性
　　由于注聚管网具有随聚驱区块逐渐开发，各区块内部注聚的开始和结束时间不一致、调整相对频繁的特点，在聚驱注水站安装高压变频器具有对整体管网优化调节平衡的作用，这一点在聚北十六注水站得到了较好的印证。
　　与该区块刚投产时比较，聚北十六及聚北十七所辖区块月实注相差了10万方水量，水量波动是比较大的，生产管理上难于控制，能耗高。高压变频器投产后，有效的实现了对整个管网的调控功能，生产运行平稳。
　　在2004年9月23日，由于高压变频器LC过压保护器损坏，聚北十六工频启动3＃注水泵，泵出口压力较高，达到17.9 MPa，泵出口闸门调节无效，只能向北二区五排基础井网排放清水，降低泵出口压力，至10月1日高压变频器恢复运行，每天向基础井网排放清水3200 m3，造成了清水的浪费。在9月29日，由于北二区五排管径较细（φ219）,出水量小，造成局部压力过高导致管线穿孔。在这种情况下，只能再启动站内已经减掉2级的1＃泵，但启泵后，导致管网末端的18－5注入站注入压力不够。
　　以上情况说明，在本区块内采用注水泵减级，则难以满足出口压力，切削叶轮外径来改变流量这种方式也有一定的范围限制，且只能用在需长期改变泵特性的情况下。因此，只有通过高压变频器来改变泵轴的转速，才能实现水量的自动调控、平稳注水和节能降耗的目的。
　　四、经济效益分析
　　
　　
　　从能耗统计表可以看出，虽然聚北十六注水站单耗上升，但由于高压变频器对注水管网的调节作用，整个区块在高压变频器运行的一个月内，与未加变频控制的前一月对比，单耗下降0.71 kWh/m3，按当月区块总水量34.8×104 m3计算，节约电能折合资金11万元，由此推算年节约电费约为132万元。另外，投运高压变频器后，无需向基础井网排放清水，按每天少排放清水2000m3计算，年节约水费250万元。由于本次数据录取期注水量较少，因此保守推算投入高压变频器后，年节约资金约为382万元。
　　目前聚北十六注水站应用高压变频器，没有增加人员和岗位，由注水站统一管理，由于使用站内清水作为变频器冷却清水，所以冷却水部分不作消耗费用统计。另外由于变频器有6个冗余旁路单元，所以在使用期内可不需增加设备更换费用，只需每年对高压变频器的主回路和控制线路检修4次，每次检修费用约为1万元。即应用高压变频器每年在整个区块上可节约资金378万元，按总投资430万元计算，1.1年可收回全部投资。
　　五、几点认识
　　1、国产高压变频器在技术上是成熟的，可以在油田注水系统中推广应用。
　　2、在水量波动较大或管网不完善且调节余地较小的注水系统中，应用高压变频器，不但能够取得较好的节能效果，而且还能满足生产上调节水量、避免清水浪费和欠注达到平稳注水的要求。