高压变频器在大庆油田注水泵上的解决方案

　　一、引言

　　注水是油田开发中稳油增产的重要措施之一。它有效地补充了地层的能量，保持了地层的压力，对提高采油速度和原油采收率，确保油田高产、稳产起到了积极作用。但是，当油田进入高含水开发期后，注水技术面临着新的问题。随着含水率的不断提高，注水量迅速上升以保持油田稳产，注水耗电也随着含水量的上升而急剧增长。因此，注水系统节能成为降低生产成本的重要问题，对油田生产有着重要意义。

　　近几年，国内油田注水泵站为了节能降耗降低生产成本，已经普遍开始采用变频调速装置进行注水流量与压力的控制，在这方面也有大量的报道。油田注水系统主要由注水站、注水管网、注水井组成。注水系统效率指标的构成要素中，由于电机效率变化幅度很小，为次要因素;注水系统效率是主要因素，即主要由注水泵效率和管网效率决定注水系统的效率。两种效率之间关系密切，反映了系统注水泵与注水管网之间的匹配合理程度。当匹配合理程度较高时，系统能耗较低;反之系统能耗较高。一般情况下，离心式注水泵的高效率区域一般都在80%～100%的额定流量范围内，如果注水泵的运行流量超出此范围其运行效率将不在的效率区域内运行。对于注水系统的管网系统效率，当管网系统结构一经确定管网的阻力就确定了，其效率也就已经确定了。管网结构确定之后，注水系统的运行效率主要取决于注水井的压力与单位时间内的流量。

　　在我国，注水泵站所用的注水泵包括离心式注水泵和往复式柱塞泵两种。离心泵的出口压力低，泵的效率低，一般都在80%以下，但是流量大，适用于大流量注水泵站。往复式柱塞泵出口压力高，效率高，一般都在80%以上，但是流量小，适用于小的注水泵站。

　　一般而言,为降低系统能耗,总是遵循以下两条路线，一是通过系统运行的优化调度，二是调整注水管网系统的结构。一个油田注水管网系统的注水能力，不管如何充分利用，都是有一定限度的。当油田进入高含水开发期后，随着含水率的不断提高，为了保持油田稳产注水量迅速上升，新增注水井的数量不断增长，注水范围与注水量不断扩大，这就对注水系统的管网结构与合理布局以及注水泵站的注水能力提出了新的要求。

　　使油田注水系统原来主要依靠放溢流控制压力平衡，注水泵电动机长期运行在满负荷状态，效率比较低的情况得到根本改善，节电效果明显。同时软起动降低了设备的冲击，减少设备的故障，提高了注水泵的效率，保证了注水系统压力的稳定，消除了溢流，节约用水。

　　二、关于水泵的运行特性图解概述

　　有很多人在水泵变频运行的分析中都习惯引用水泵的比例定律：

　　流量比例定律：Q1/Q2=n1/n2

　　扬程比例定律：H1/H2=(n1/n2)2

　　轴功率比例定律：P1/P2=(n1/n2)3

　　并由此得出结论：水泵的流量与转速成正比，水泵的扬程与转速的平方成正比，水泵的输出功率与转速的3次方成正比，节能效果与水泵调速后的转速成立方关系变化。实际中却没有这样的节能效果。

　　比例定律是研究、设计泵本身的规律，它是就水泵而论水泵的定律。对于工作在管道系统中的水泵必须视具体工况分析计算，因此，水泵的节能计算不能统统照搬照抄比例定律，水泵的节能计算必须根据实际工况进行分析计算。

　　比例定律仅适用于水泵的出水口和进水口之间没有高度或压力差，即没有静扬程的情况。比如在没有落差或压力差的同一水平面上远距离输水，水泵的输出扬程(压力)仅用来克服管道的阻力，在这种情况下，当转速降到零时，扬程(压力)也降到零，流量也正好降到零，这是理想的水泵运行工况。图1中工作点A和C就完全适合这种工况，可以使用比例定律。

　　图1—理想的水泵特性曲线

　　但实际水泵运行工况不可能达到理想工况，水泵的出水口和进水口之间是有高度差或压力差的，有时还很大，如图2所示。在水泵并联运行时，水泵的出水口压力还要受到其它水泵运行压力的影响。并联运行的泵要想出水，其扬程必须大于其它水泵当时的压力。水泵出口流量并不是总管网流量，总管网流量为所有运行的水泵的流量和。由于管网总流量增大和阻力增大，因此并联运行的水泵扬程更高，工况发生变化，因此比例定律在此也不再适用。

　　三、单台水泵变频运行的图解分析

　　(1) 单台水泵变频运行，在于水泵进出口水位的高度差或压力差，也就是水泵的净扬程H0。水泵的扬程只有大于净扬程时才能出水。因此管网阻力曲线的起始点就是该净扬程的高度，见图2。

　　图2—单台水泵变频运行特性曲线

　　图2中，额定工作点仍然为A，理想管网阻力曲线R1与流量成正比。变频后的特性曲线F2，工作点B。流量为零时的净扬程H0，变频运行实际工作点HB与净扬程的差△H=HB-H0，为克服管网阻力达到所需流量QB时的附加扬程。由于管网阻力曲线与图1不同，因此不满足相似定律。

　　(2) 图2中的工作点A为水泵额定工作点，满足水泵的额定扬程和额定流量。因此R1成为理想的管网阻力曲线。

　　四、大庆采油八厂注水站泵调速问题

　　大庆采油八厂注水泵站共有3台离心式注水泵，从厂家给出的参数表得知：一般情况下一台工作二台备用，注水泵站实际运行参数如下表。

　　1、 机泵组设备参数

序号	一、单台水泵参数
	1、水泵名牌或随机样本参数					2、水泵实际运行参数
1*	水泵型号与类型	DF140-150×11		1*		入口扬程/压力 H0/p0	m		4
2*	额定扬程/压He/pe	m	1650	2*		实际扬程/压力 Hs/ps	m		1700
3*	额定流量 Qe	m3/h	140	3*		实际流量 Qs	m3/h		112平均
4*	水泵轴功率 Nz	kW	862	4*		水泵实际功率 Nsz	kW
5*	水泵额定效率 η	%	73	5*		阀门实际开度 k	%		35
6*	水泵额定转速 n	r/m	2980	6*		水泵并联运行台数
7	介质的额定密度ρ	t/m3
二、电动机参数
1、电机名牌或随机样本参数				2、电机实际运行参数
1	电动机型号	YK1000-2/990		1*	实际电压 US		kV	6.41
2	额定功率 Ne	kW	1000	2*	实际输出功率 Ns		kW
3	额定电压 Ue	kV	6.3	3*	实际电流 Is		A	85A
4	额定电流 Ie	A	106	联系人：
5	功率因数cosφ		0.87	电 话：
6	额定转速	r/m		现场联系人： 联系人电话：

　　2、注水管网阻力的变化趋势与管网效率

　　由于油田注水管网的阻力与地壳压力基本上处于逐年稳定增加状态，管网的阻力将会不断地增大，如图5中的曲线R2所示。

　　图3—注水泵与管网效率

　　图5中的为A点为额定运行工作点，R1为理想管网阻力曲线， 为额定流量时的管网阻力压降。管网阻力增加主要有二种因素，第一，关小阀门导致泵管压差较大。管网造成的能量损失除了管阻损失之外，主要就是泵站、配水间、井口采用阀门节流造成的能量损失。泵管压差的存在是由于注水泵的运行状态与管路特性匹配不良而产生大量节流造成的。第二，管网结垢内径变小、用户端(关小阀门)减小流量，阻力增加。由于油田注水系统的注入水成分复杂，易发生物理和化学变化，管网产生结垢。结垢现象导致管网阻力增加，管网损失增加,形成注水泵出口压力上升，对注水系统的效率产生较大影响，相应注水单耗增加。如图5中所示的h3部分，由于管网阻力增加造成运行效率降低。图5中的h2+h3为关小阀门或管网阻力增加后的扬程损失,B点为管网阻力增大后的运行点。R2为阀门或管网结垢后的阻力特性曲线。B点的运行效率为： ，可见由于管网的阻力增加或阀门的关小，将会造成注水泵在低效工况下运行。

　　五、参数说明与计算

　　1、参数与计算说明

　　参数表中其余数据全部由大庆采油八厂提供。根据风的相似定律，按照比例关系进行分析计算。

　　2、压力比和转速比的参数确定

　　由于风机的额定风量为1650m。压力比分别取为h=(Hs/He)=(Qs/Qe)2=4/5、17/20、9/10。

　　3、节能分析计算

　　3.1、单位节电量节电率与节电率

　　根据哈尔滨九洲电气股份有限公司电动机经济运行的规定公式计算单位节电量及节电率得出：(额定轴功率，按照862kW 计取。)

　　3.2压力比为4/5时的单位节电量与节电率

　　节电量：ΔN2=0.90(0.45+0.55×0.92-0.93)862=0.15×862=129.17kW;

　　节电率：λ=15%

　　3.3压力比为9/10时的单位节电量与节电率

　　节电量：ΔN2=0.90(0.45+0.55×0.952-0.953)862=0.08×862=69kW;

　　节电率：λ=8%。

　　六、哈尔滨九洲公司高压变频器简介

　　1、技术方案的确定

　　图4一拖一方案

　　至于采用什么技术方案，由厂家来定，上图以一拖一方案为例。建议采用国产哈尔滨九洲电气生产的POWERSMART 6000-A/112变频器1套。具体主接线见图4。

　　2、九洲POWERSMART系列变频器

　　2.l POWERSMART系列变频器的基本原理

　　1、POWERSMART系列高压变频装置为多重化串联方式，属于电压型交—直—交，高～高结构，6(10)kV输入，0～6(10)kV直接输出。变频装置与电机之间没有任何形式的升压变压器，也不用改变电机Y-△接线方式，输出侧不加电抗器，电机可直接使用。

　　2、由于POWERSMART系列高压变频装置为多重化串联方式，6kV每相6个功率单元，理论上相当于36脉冲输入整流;10kV每相9个功率单元，理论上相当于54脉冲输入整流。变频器输入电流中谐波含量大为减少，远低于标准规定(4%)的限值，即使在供电电网的容量较小时也能满足谐波要求。符合并优于IEEE519-1992及GB/T1451-93标准对电压失真和电流失真最严格的要求。

　　3、 在20～100%的负载变化情况内功率因数数达0.95以上，因此不需要附加电源滤波器或功率因数补偿装置，也不会与原有的补偿电容装置发生谐振，变频器工作时不会对同一电网上运行的电气设备发生干扰，因而被人们誉为“无电网污染的高压变频器”。

　　2.2 POWERSMART系列变频器主要功能

　　1、人机界面友好，彩色液晶屏的全中文操作界面，图形显示;

　　2、实现本地、远程操作自由选择;

　　3、内置PID调节器，可以实现闭环控制。

　　4、具有完善的保护功能，电机、变压器发生短路、接地、过流、过载、过压、欠压、过热等故障时，系统均能及时告警或保护;

　　5、可以实现触摸屏、数字键盘、模拟电位器、远程DCS等多种频率设定方式，适应各种用户需求;

　　6、具有开关量、模拟量输入输出接口，确保与用户现有设备的可靠连接;

　　7、具有参数与故障的设定和查询功能;

　　8、通过预留的上位机接口，具有显示波形的功能。

　　9、具有冷却风机缺相保护功能。

　　10、具有变压器过热告警、保护功能;

　　11、可实现旁路功能。

　　12、具有中心点偏移式的单元旁路功能。

　　13、具有防止风机喘振/水泵共振的频率跳跃功能。2个频率跳跃设定点。

　　14、具有轴流风机失速保护功能(电流振荡保护)。

　　2.3 POWERSMART系列变频器的特点

　　1、全系列模块化设计，外形美观，结构紧凑。使得MTTF小于30分钟。

　　2、采用优化空间矢量PWM控制，输出波形接近正弦波，谐波成份很小，运行平稳，对电机不会产生谐波影响。

　　3、功率因数高，无需功率因数补偿装置。

　　4、输入谐波小，对供电系统不产生明显的谐波畸变。

　　5、输出电平数达到25/37阶梯波，dv/dt很小，对电机的绝缘无影响。

　　6、 采用最新一代IGBT功率模块，低压差，损耗小，效率高。

　　7、瞬时输出电压自动调整，即使电网存在较大的波动，输出电压也基本保持不变。

　　8、适应电压范围宽，60%~115%。

　　9、采用双片高速DSP为控制核心，指令在纳秒级完成。无硬盘、无风扇。没有工控机控制方式响应速度慢(微秒级)、易出现“死机”的问题。

　　10、采用先进的反擎住技术，使IGBT更加可靠运行。

　　11、选用具有内部软恢复特性二极管的IGBT，降低了系统的EMI。

　　12、故障的自诊断及保护功能相当完备。

　　13、完整的参数化功能，对于用户的各种应用可全面支持。

　　14、采用软启动技术，减小了对系统和电动机的冲击。功率单元模块内设置通电缓冲电路，使得整流二极管更加可靠运行，同时减少通电瞬间电流对模块的冲击。

　　2.4 POWERSMART系列变频器采用的主要进口器件

1	电解电容：	日本佳美工
2	IGBT：	德国西门子
3	光纤光电转换器：	惠普
4	DSP芯片：	美国TI公司
5	整流桥：	德国IXYS
6	可控硅：	德国IXYS
7	PLC：	德国西门子
8	CPLD：	ALTERA
9	变压器用料：	美国杜邦公司NOMEX(俄罗斯3408-0.27硅钢片)

　　2.5 POWERSMART系列变频器控制系统与通信接口

　　2.5.1 POWERSMART系列高压变频器控制核心

　　POWERSMART系列高压变频器控制核心采用双片数字信号处理器(DSP)TMS320F206。它有6条总线，包括3条程序/数据总线和3条地址总线。控制系统无硬盘、无风扇，不死机。

　　图4--主控制器的正面图

　　2.5.2 POWERSMART系列高压变频器操作平台

　　本系统采用了MCGS组态软件作为应用平台，高压变频器的显示和操作都由该平台下组态的工程来完成。界面为10.4英寸彩色液晶触摸屏。该屏操作系统采用微软公司的嵌入式操作系统WindowsCE.NET，全中文操作界面，当前版本为4.2。

　　该屏实现的功能包括：变频器数据显示、曲线显示、触摸按钮操作启动、停止、升速、减速、P参数设定、故障报警、查询等。

　　2.5.3 参数设置

　　POWERSMART系列高压变频装置可以在彩色液晶触摸屏上，进行各种参数设置(如控制方式、给定频率、加减速时间等)、各种控制操作(如起动、停止、加速、减速、急停、复位、手动/自动/联动转换等信号)，以及各种显示功能(如给定频率、实际频率、电流、电压、功率、功率因数、故障、故障记录以及各种状态显示等)，操作简单方便。

　　2.5.4 通讯接口

　　POWERSMART变频装置内置PLC控制器，具有与现有控制系统DCS或其它控制系统的通讯接口。可以接受自动控制系统提供的4—20mA模拟量指令信号，构成闭环系统。同时还可以提供4—20mA模拟量输出信号，开关量输入信号共8路，开关量输出信号8路，模拟量输入信号共4路，模拟量输出信号共4路。以上信号还可根据用户需要扩展。

　　图5--主控制器的背面接口图

　　2.6 POWERSMART系列变频器的保护功能

　　2.6.1 JZEPOWERSMART系列高压变频设备提供的控制和电动机保护功能有：过电压、过电流、短路、缺相、超频、电机过载、电机过热。并且这些报警信号与变频器本身的报警信号分开。当变频器负载发生故障时能跳开高压电源，当变频器本身发生故障时，能自动断开变频器的进出线高压断路器，并且切换到旁路运行状态。

　　2.6.2 POWERSMART变频装置采用断线保护功能，当现场4-20mA给定信号故障时，变频器可以保持原运行工况不变，当给定信号恢复时，可以自动跟踪给定信号，实现无扰动。

　　2.7 POWERSMART系列变频器的结构尺寸

　　装置的外形图、技术参数详见JZEPOWERSMART系列高压变频技术样本。

　　2.8 POWERSMART系列变频器的优势所在

　　2.8.1九洲具有长期从事“高压电机调速”技术研究的专家团队。九洲有自主研发体系，有企业自己的研究院和博士后科研工作站;

　　2.8.2九洲与罗克韦尔自动化的强强联合、优势互补。

　　2.8.3九洲具有国内一流的电气产品试验、检测及老化手段。九洲先进的现代化实验装备与检测手段，确保了产品品质及产品在复杂工况现场下安全可靠运行。

　　1)九洲具有先进的电气性能试验室——对产品的功能和性能等进行综合测试;

　　2)九洲具有环境模拟试验室——在高温、低温、潮湿、振动等环境下对产品进行考核;

　　3)九洲具有电磁兼容试验室——对现有产品进行快速脉冲群、静电、浪涌、电磁静电干扰等项目试验;

　　4)九洲具有元件和模块老化试验室——对所有电子元器件进行老化筛选;对功率单、控制模块进行高温带载72小时老化试验;

　　5)九洲具有亚洲最大的高压变频试验站。是目前国内唯一能对大功率高压变频器做出厂全项带载试验的专业生产厂。试验电机4台同轴，总装机容量为5000kW。

　　2.9九洲的售后服务体系

　　2.9.1九洲公司市场体系和售后服务体系是并轨运行的，在全国建立了八大区域销售分公司和驻外机构，在每个驻外机构都配有售后服务人员，负责各个地区的产品售后服务和回访。

　　2.9.2公司有较强的技术支持队伍，能为客户提供现场工况分析和不同性价比的节能技术方案，并免费为客户选派技术水平高，具有丰富现场经验的专业技术人员指导现场安装、调试及检测工作，并负责解决在安装调试过程及试运行中发现的相关问题。

　　2.9.3对使用我们产品的客户，我们负责对运行维修人员进行操作、运行、维修等技术培训及注意事项培训。

　　2.9.4对产品质量提出的投诉，我们以最快速度响应，保证在2小时之内给予满意的答复，产品故障在12-48小时之内给予解决处理完毕。

　　2.10关于数字信号处理器DSP

　　DSP是数字信号处理器的简称。它是一种专用高速微处理器，运算功能强大，能实现高速输入和高速输出数据。它专门处理运算为主且不允许迟延的实时信号，可以高效快速进行傅里叶变换运算。它包含灵活可变的I/O管理，以及高速并行数据处理算法的优化指令集。数字信号处理器的精度高，可靠性好，其先进的品质和性能为电机控制提供了极其强大的支持。数字信号处理器保持了微处理器自成系统的特点，又具有优于通用微处理器对数字信号的处理能力。

　　数字信号微处理器为完成信号的实时处理，采用了改进的哈佛结构总线。程序和数据存储器相隔离的双独立总线，在确保运算速度的前提下，还提供程序总线和数据总线之间的总线数据交换器以间接实现冯诺伊曼结构的一些功能。提高了系统的灵活性。数字信号处理器中专门设置了乘法累加器结构，从硬件上实现了乘法器和累加器的并行工作，可以在单指令周期内完成一次乘法并将乘积求和的运算，这是数字信号处理器区别于其他通用微处理器的主要特征，也是实现数字信号时实处理的必要条件。

　　TMS320F206有6条总线，包括3条程序/数据总线和3条地址总线。

　　1.PAB：程序地址总线，提供读写程序存储器期的地址。

　　2.DRAB：数据读地址总线，提供读数据存储器的地址。

　　3.DWAB：数据写地址总线，提供写数据存储器的地址。

　　4.PRDB：程序读总线，承载指令代码和立即操作数以及表信息，从程序存储器传送到CPU。

　　5.DRDB：数据读总线，承载数据从数据存储器传送到中央算术逻辑单元(CALU)和辅助寄存器算术单元(ARAU)。

　　6.DWEB：数据写总线，承载数据传送到程序存储器和数据存储器。

　　3、供货范围

　　配置JZEPOWERSMART6000-A/112变频装置1套;及切换装置一套。

　　七、结束语

　　通过上述的分析计算我们认为，大庆采油八厂对注水泵进行变频调速，无论是从技术上还从经济效益上都是可行的。水泵采用变频调速改造后，不仅节约了大量电能，由于对电机实现真正的软启动，对电机、水泵、阀门、各种工艺、高压开关等设备以及电网的启动冲击大大减少，它们的使用寿命得以延长，可以大幅度节省这些设备的维护费用。另外，变频器高精度、宽范围的无级调速功能，不仅可以全面满足流量、压力的动态调节需要，而且变频器属于高度智能化的新型设备，完全可以实现提高生产效率和机组自动化水平的要求。