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　　油田注水是中國很多油田保持高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要有效措施。其方法就是把地層中散布的油集中到油井，再提取上來。由于大慶油田屬于斷裂區(qū)塊油田，每個區(qū)塊注水范圍小，注水量隨開采狀況的變化，需要經(jīng)常調(diào)整，大部分注水站都存在額定流量與實際流量不相匹配的問題。而油田注水由于壓力高、水量大，注水電機大多是大功率電動機，電動機長期處于高耗能狀態(tài)運行，采用高壓變頻調(diào)速裝置對油田注水泵用電動機實行變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，實現(xiàn)注水泵變水量控制是一項非常有效的節(jié)能措施。

　　大慶油田采油某廠注水站的1250kW兩臺水泵主要用于油田注水，原來采用星三角啟動方式，工頻控制，水流量由閥門調(diào)節(jié)。現(xiàn)采用深圳英威騰電氣股份有限公司的自主研發(fā)、生產(chǎn)的多單元串聯(lián)的高─高形式的CHH100系列高壓變頻器，在注水泵配置的電動機安裝高壓變頻器, 進行變頻節(jié)能改造，都取得良好的節(jié)能效果，下面對改造情況作

2.英威騰CHH系列高壓變頻器技術(shù)特點

　　深圳市英威騰電氣股份有限公司，提供的CHH100系列變頻器除了具有一般廠家的高壓變頻器功能外，還有以下幾方面的特點。

　　1）具有較強的功能，能夠滿足不同工況

　　CHH100系列高壓變頻器采用DSP系統(tǒng)與可編程系統(tǒng)巧妙的結(jié)合，控制系統(tǒng)高度集成化，設(shè)備器件主要采用進口器件，完成了比一般高壓變頻器的功能，具有300多個功能碼，可以對啟動特性、運行模式等功能根據(jù)現(xiàn)場工況進行不同設(shè)定。CHH100系列高壓變頻器具有標準的RS485接口，可以通過RS485通訊接口（采用標準通信協(xié)議）與DCS進行連接，也可以通過硬接線的方式與DCS系統(tǒng)進行連接。多種接口方式選擇可以DCS系統(tǒng)很方便的對變頻調(diào)速系統(tǒng)進行監(jiān)控。也可以進行不同參數(shù)設(shè)置，滿足現(xiàn)場其它各種不同工況。

　　2）全面的保護功能

　　CHH100系列變頻器的功率單元自身就有多達11種的故障保護;主控系統(tǒng)采用DSP+PFGA巧妙配合，電氣部分對輸出電壓、輸出電流、輸入電壓、輸入電流都有全面檢測，對變頻器電源及電機都有過壓、過流、過載、欠壓、溫度等具有多達二十幾種超強綜合保護功能，并且重要的保護定值可以根據(jù)現(xiàn)場不同的工況進行參數(shù)設(shè)定。內(nèi)置雷擊過流保護裝置，有效提高設(shè)備保護功能和系統(tǒng)保護功能，完全能夠保證電源及電機的安全運行。

　　3）全面的參數(shù)記錄

　　CHH100系列高壓變頻器顯示多項運行參數(shù)過過程變量，包括每個模塊的溫度、母線電壓都有檢測與顯示。具有故障、事故顯示、記錄功能，具有自診斷功能，所在信息可以通過通訊上傳至DCS系統(tǒng)，異常時對變頻器的狀態(tài)都有全面的記錄，以便現(xiàn)場人員更準確、更快捷地解決問題。

　　4）最大的電壓、電流冗余量設(shè)計

　　深圳市英威騰電氣股份有限公司生產(chǎn)的CHH100系列高壓變頻器，以安全、可靠、使用壽命長為首要設(shè)計原則，采用1700V高壓IGBT，9級或6級串聯(lián)，電壓裕量為2.0倍左右。功率器件電壓安全設(shè)計冗余量較高。

　　5）電機轉(zhuǎn)速自動跟蹤功能

　　CHH100系列高壓變頻器在主電源母線切換（10秒內(nèi)）過程中，變頻器能夠自動跟蹤電機的轉(zhuǎn)速，當(dāng)主電源恢復(fù)后變頻器自動運行起來，保證了機組安全可靠運行。

　　6）功率模塊自動旁路技術(shù)

　　模塊自動旁路技術(shù)提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，CHH100系列高壓變頻器采用功率模塊自動旁路技術(shù)，可在1ms內(nèi)旁路故障模塊，變頻器降額并可長期運行，等適當(dāng)時候停機處理。

　　7）良好的電壓波動適應(yīng)能力

　　CHH100系列高壓變頻器對電網(wǎng)電壓在±15%范圍內(nèi)波動，變頻器能滿載輸出;電網(wǎng)電壓短時（30秒）下降至額定電壓的65%時，可繼續(xù)降額運行，不進行保護。

　　8）最有效的電磁干擾解決方案

　　深圳市英威騰電氣股份有限公司生產(chǎn)的CHH100系列高壓變頻器在模塊設(shè)計上，獨家采用后進線、前出線設(shè)計方案;結(jié)構(gòu)方面和電氣方面全面考慮電磁抗干擾措施，尤其是核心的控制板件，最有效保證變頻器的可靠運行。

　　9）合理的散熱系統(tǒng)

　　功率采用獨立的散熱風(fēng)道，系統(tǒng)集中散熱的方式，散熱性能良好，滿載長時間運行溫升不超過25℃，良好的散熱系統(tǒng)可以確保變頻裝置的高可靠性，并延長變頻裝置內(nèi)部的器件使用壽命。

　　10）模塊化設(shè)計

　　CHH100系列變頻器，遵循模塊化設(shè)計理念，功率單元采用模塊化結(jié)構(gòu)，各個相同的功率單元的結(jié)構(gòu)、配置完全相同，可以非常方便的互換，從而利于生產(chǎn)的標準化，以及維修的標準化。

　　11）最簡潔操作、最快捷維護

　　深圳市英威騰電氣股份有限公司生產(chǎn)的CHH100系列高壓變頻器具有人性化的接口設(shè)計、界面簡潔清晰;操作方便，采用抽屜式模塊設(shè)計，更換模塊僅需5分鐘;濾網(wǎng)更換方便、快捷。

3.改造項目介紹

　　1. 注水泵技術(shù)參數(shù)表

　　2.現(xiàn)有控制流量方式

　　常規(guī)情況下油田高壓注水采用閘板閥門控制來調(diào)節(jié)流量和壓力。根據(jù)工藝要求，不允許長時間小排量運行，否則泵內(nèi)溫度升高造成汽蝕和機件燒毀等問題，過去被迫采用大回流方法降低溫升，造成電力的大量消耗，給油田造成了大量的能源損失。

　　在原設(shè)計系統(tǒng)工況中，用兩臺D（F）250-150注水泵進行系統(tǒng)注水。在未進行變頻調(diào)速改造中，該工況的注水系統(tǒng)能耗損失主要在控制閥節(jié)流上。通過分析，只有通過結(jié)合配注量，降低水壓，減少各注水井的閥門控制壓差，才能達到節(jié)能降耗的目的。

4.注水泵變頻調(diào)速的節(jié)能原理

　　注水泵是典型的變轉(zhuǎn)矩負載。變轉(zhuǎn)矩負載的特性是轉(zhuǎn)矩隨速度的上升而上升。注水泵的電動機的軸功率P與其流量Q，揚程H之間的關(guān)系式如下：

　　P∝Q×H （1）

　　當(dāng)流量Q1由變化到Q2時，電動機的轉(zhuǎn)速為N1、N2，此時Q、H、P相對于轉(zhuǎn)速的關(guān)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，水泵的電動機的軸功率（功率輸出）與轉(zhuǎn)速的3次方成正比，而轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的2次方成正比。所以當(dāng)需要80%的額定流量時，通過調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速的80%，即調(diào)節(jié)頻率到40Hz即可，這時所需功率將僅為原來的51.2%，系統(tǒng)工作點變化如下圖所示：

變頻調(diào)速工作點示意圖

　　從上圖的特性示意圖來分析，采用變頻調(diào)速的節(jié)能效果。在額定情況下，系統(tǒng)工作在A點，當(dāng)所需流量從Q1減小到Q2時，如果工頻運行，流量減小，系統(tǒng)壓力將增加，系統(tǒng)將工作在B點。如果水泵采用變頻器進行調(diào)節(jié)，在系統(tǒng)壓力滿足要求時，系統(tǒng)將在C點運行，C點對應(yīng)的X軸、Y軸的面積與B點對應(yīng)的X軸、Y軸的面積之比即使變頻消耗的功率與工頻消耗的功率之比，同時還需考慮系統(tǒng)其它損耗。從圖2、3中可以看出，在低速時，功率會有很大的下降。由于注水泵運行于額定轉(zhuǎn)速以上是恒功率調(diào)速，此時注水泵效率很低，機械磨損大，容易損壞電機。從理論上講，速度降低10%時會帶來30%左右的功率下降，由于功率的大幅度降低，可獲得顯著的節(jié)能效果。

5.注水泵系統(tǒng)的變頻器方案

　　油田注水泵系統(tǒng)中有兩臺水泵長期運行，主要用于1250kW的水泵注水;因此所用的高壓變頻器可對注水泵進行一拖二的控制。

　　1.系統(tǒng)原理說明

　　由于注水泵的實際流量比泵的額定流量小，因此節(jié)電潛力較大。系統(tǒng)中注水泵的注水控制是由變頻器通過變送器的回饋壓力值，與事先預(yù)設(shè)在變頻器中的壓力值進行比較，變頻器中的PID調(diào)節(jié)器自動根據(jù)差值進行運算調(diào)節(jié)控制變頻器變頻調(diào)速運行;同時，變頻器的運行參數(shù)通過內(nèi)部計算機接口和通訊協(xié)議傳輸至計算機工作站;在計算機上可以隨時檢測和控制系統(tǒng)運行壓力、電動機轉(zhuǎn)速、輸入/輸出電壓、輸入/輸出電流等參數(shù)，達到系統(tǒng)自動節(jié)能運行的目的。

　　高壓變頻器內(nèi)設(shè)了自動運行和工頻降壓啟動運行兩種運行方式，實現(xiàn)了自動和手動控制相結(jié)合的目的。

　　2.高壓變頻器系統(tǒng)與原有控制系統(tǒng)的比較

　　1）采用變頻控制方式，其操作方便，無須手動調(diào)節(jié)進水閥門，極大的減輕了工人的勞動強度，提高了工作效率。

　　2）啟動噪音低，在啟動過程中電機從低頻開始緩慢加速，經(jīng)20秒后達到設(shè)定頻率，由于啟動電流很小，減小了對電網(wǎng)的沖擊，保護了用電設(shè)備，延長了電動機的使用壽命，提高了電機的效率，節(jié)約維修成本。

　　3）系統(tǒng)采用一拖二控制方式，采用壓力變送器反饋電流信號（4—20mA）至變頻器中央處理器（CPU）,經(jīng)PID控制組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。其輸出頻率的大小由作用處理器控制，使電機的轉(zhuǎn)速自動增加或降低;當(dāng)壓力超過設(shè)定的目標值時即（>5%）其中第一臺電機轉(zhuǎn)為工頻運行，變頻器啟動第二臺電機變頻運行，保持水壓恒定。這樣不但減小了電動機的無功功率，而且提高了水泵的工作效率，節(jié)約了能源。

　　4）普通的工頻控制方式（原有的控制方式）則不能實現(xiàn)這樣的目的，其啟動和停止需要人操作，還需要調(diào)節(jié)進水的閥門開關(guān)來滿足工況要求，即費時又費力，且容易出現(xiàn)操作失誤，造成不必要的損失。工頻運行控制方式的電機的轉(zhuǎn)速是不可調(diào)節(jié)的，并且啟動電流大，當(dāng)供水壓力超過所需的壓力值時需人工調(diào)節(jié)進水閥門的大小來滿足供水壓力。這時電機仍以滿負荷運行，多余的功率就消耗在閥門上，能源浪費很大。

6.應(yīng)用高壓變頻器后的效果分析

　　1. 系統(tǒng)使用高壓變頻器后的節(jié)能

　　1）考慮管網(wǎng)阻力損失等因素的影響，理論上綜合平均節(jié)能值在30%以上。

　　2）按照節(jié)能30%計算，每天運行24個小時。則每天電動機的節(jié)能電度數(shù)為：

　　按照0.5元/kWh計算，每天節(jié)約的電費為：1250KW×0.85×30%×24H×0. 50元/天=3825元/天

　　若每月運行30天，則月節(jié)電費為： 3825元/天×30天=114750元/月

　　若每年運行12個月，則年節(jié)電費為： 114750元/月×12月=1377000元/年

　　2. 采用變頻器是實現(xiàn)變水量控制節(jié)能的最有效措施

　　從以上實際工況中分析，采用變頻調(diào)速的方式來滿足生產(chǎn)的需要，使得注水泵既可大流量，也可小流量，既可高壓力，也可低壓力運行。可以用壓力閉環(huán)或流量閉環(huán)控制注水的壓力或流量，在注入站工況改變時，變頻器可以使注水泵自動調(diào)節(jié)注水壓力或流量。此時，泵的出口閥門全開，使泵的壓差減至為零。這樣，既節(jié)約了電能，又減少了閥門的維護量。還提高了系統(tǒng)的自動化水平，降低了系統(tǒng)的噪音，改善了工作的環(huán)境，減輕了工人的勞動強度。采用變頻調(diào)速來獲得實際需要的水流量，不但節(jié)約了電能，提高系統(tǒng)自動化運行程度;變頻器自動根據(jù)需求量調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，而且平滑穩(wěn)定，減少了人員的勞動強度;水泵的運行參數(shù)得以改進，系統(tǒng)效率大為提高。

7.結(jié)束語

　　綜上所述 ,采用變頻控制方式調(diào)速是現(xiàn)代工礦企業(yè)節(jié)能降耗的必然趨勢，有利于提高企業(yè)的經(jīng)濟效益，自動運行時節(jié)能可達30%以上。通過對注水泵系統(tǒng)的變頻調(diào)速的技術(shù)改造，經(jīng)過較長時間的運行檢驗，證明該產(chǎn)品性能可靠、功能齊全、技術(shù)先進，說明國內(nèi)自主開發(fā)的高壓變頻器在技術(shù)上已經(jīng)處于世界先進水平。由于IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器無輸入輸出變壓器、體積小、性價比高、綜合性能好等方面均超過了國內(nèi)外其它產(chǎn)品，是新一代高性能高壓變頻產(chǎn)品的代表，為高壓變頻調(diào)速技術(shù)在油田其它工序的技術(shù)改造提供了一條可行的途徑，在高壓變頻改造領(lǐng)域具有極大的推廣價值。

本文摘自中國傳動網(wǎng)