摘要：本文敘述了高壓變頻器在油田注水泵上的應(yīng)用，節(jié)電效果明顯， 具有推廣應(yīng)用價(jià)值。 Abstract: The paper mainly introduces the application that the high voltage inverter in the oil field pump and joint electricity effect is clear, and possesses application and dissemination value. 關(guān)鍵詞：高壓變頻器 , 閉環(huán)控制 , 注水單耗 Key WordS:high voltage inverter, Close ring control, Pouring water singly consumes 1 安裝高壓變頻器的目的及意義 注水泵是滿(mǎn)足油田注水，保證地層壓力的源設(shè)備，隨著油田開(kāi)采進(jìn)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(fèi)占總電費(fèi)的 16% ，并呈逐年顯上升趨勢(shì)。在高壓注水系統(tǒng)中，高壓電機(jī)中大馬拉小車(chē)的現(xiàn)象比較普遍，注水泵泵壓與注水管線(xiàn)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(mén)來(lái)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(shí)又由于泵壓較高，對(duì)機(jī)泵的運(yùn)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(jìn)行參數(shù)設(shè)定，自動(dòng)調(diào)節(jié)注水量，既可節(jié)約大量的電能又能降低機(jī)泵的損耗，對(duì)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(yùn)一臺(tái)型號(hào)為 DFJ200-170AX11 的注水泵，匹配電機(jī)型號(hào)為 YB1800S2-2 的 6KV/1800KW 異步電動(dòng)機(jī)，采用直接驅(qū)動(dòng)方式控制，離心泵流量通過(guò)控制出口閥門(mén)的開(kāi)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，造成大量節(jié)流損失 , 離心泵及電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在低效率工作區(qū)，能源浪費(fèi)嚴(yán)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(yùn)行中離心泵實(shí)際泵壓為 16.5MPa ，注水管網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行壓力為 12.5MPa ，由于多泵注水實(shí)施并網(wǎng)運(yùn)行，當(dāng)注水管網(wǎng)壓力升高到目前注水管網(wǎng)實(shí)際注水壓力以上時(shí)，將造成高壓注水量減少，無(wú)法滿(mǎn)足油井注水需求，同時(shí)污水量大于注水量將造成污水外排。為此注水電機(jī)運(yùn)行時(shí)必須靠調(diào)節(jié)離心泵出口高壓回流閥門(mén)來(lái)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(dá)到 4 MPa 以上，造成了大量的電能浪費(fèi)。 通過(guò)綜合調(diào)研和考慮，我們選用了山東新風(fēng)光電子公司 JD-BP37-1800F 型號(hào)的高壓變頻器，通過(guò)應(yīng)用，該變頻器有安全性能好，可靠性高，設(shè)計(jì)合理，易損件壽命長(zhǎng)，啟動(dòng)性能好，降耗效果明顯，安裝、維護(hù)和保養(yǎng)都比較方便。 2、高壓變頻器的原理 [ALIGN=CENTER] 圖 1 變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)[/ALIGN] JD-BP37 系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見(jiàn)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(gè)功率單元，每 8 個(gè)功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相。 2.1功率單元電路 [ALIGN=CENTER] 圖 2 單元結(jié)構(gòu)[/ALIGN] 每個(gè)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(jiàn)圖 3.2 ，為基本的交 - 直 - 交單相逆變電路， 這不但調(diào)試、維修方便，而且備份也十分經(jīng)濟(jì)，假如某一單元發(fā)生故障，該單元的輸出端能自動(dòng)短路而整機(jī)可以暫時(shí)降額工作，直到緩慢停止運(yùn)行。 2.2 輸入側(cè)結(jié)構(gòu) 輸入側(cè)由移相變壓器給每個(gè)單元供電，構(gòu)成 18 脈沖整流方式；這種多級(jí)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(fù)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(shí)測(cè)輸入電流總諧波成分小于 5% 。由于變壓器副邊繞組的獨(dú)立性，使每個(gè)功率單元的主回路相對(duì)獨(dú)立，類(lèi)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(jī)和工控 PC 機(jī)協(xié)同運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)，工控 PC 提供友好的全中文 WINDOWS 監(jiān)控和操作界面，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化控制?？刂破骷案骺刂茊卧逯胁捎么笠?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(gè)單片機(jī) ,負(fù)責(zé)管理LED顯示屏和鍵盤(pán)。 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，具有很好的抗電磁干擾性能，并且各個(gè)功率單元的控制電源采用一個(gè)獨(dú)立于高壓系統(tǒng)的統(tǒng)一控制器，方便調(diào)試、維修、現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。 2.4 控制電源 控制器有一套獨(dú)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(diǎn)的波形與加高壓情況基本相似，給整機(jī)可靠性、調(diào)試、培訓(xùn)帶來(lái)了很大方便。 [ALIGN=CENTER] 圖 3 獨(dú)立控制電源系統(tǒng)[/ALIGN] 3 、現(xiàn)場(chǎng)情況和節(jié)能效果統(tǒng)計(jì) 針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)存在的問(wèn)題，系統(tǒng)優(yōu)化改造主要需解決兩方面的問(wèn)題：第一，在滿(mǎn)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(mǎn)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(dòng)能和勢(shì)能兩方面同時(shí)入手，盡可能降低能耗、提高系統(tǒng)效率。 3.1 現(xiàn)場(chǎng)的系統(tǒng)構(gòu)成 [ALIGN=CENTER] 圖 4 現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)構(gòu)成[/ALIGN] 統(tǒng)閉環(huán)控制過(guò)程如下：由智能傳感器對(duì)各運(yùn)行注水泵進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控和處理，即采集和傳輸注水泵、站的運(yùn)行參數(shù)，如：泵的排量 Q 單、電機(jī)電流 I 、泵進(jìn)、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(xiàn)進(jìn)行對(duì)比和優(yōu)化計(jì)算。其中，注水站干壓和總流量是系統(tǒng)所需監(jiān)測(cè)和控制的兩個(gè)最主要參數(shù)。本系統(tǒng)中，一方面在泵出口管線(xiàn)上安裝一只高可靠性壓力傳感器，將實(shí)測(cè)的壓力信號(hào)與系統(tǒng)的配注壓力（期望值）相比，并將其差值送往過(guò)程參數(shù)調(diào)節(jié)器（ PID ）進(jìn)行比例和積分運(yùn)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(xiàn)上安裝一只流量計(jì)，用于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)際總流量，將該值與系統(tǒng)配注量的差值再進(jìn)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(gè) PID 整定信號(hào)，利用模糊推理的方法，在滿(mǎn)足系統(tǒng)干壓的前提下，系統(tǒng)及時(shí)自動(dòng)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(guò)頻率的變化以達(dá)到期望的排量值。通過(guò)上述閉環(huán)控制，使系統(tǒng)的實(shí)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(jì)為閉環(huán)控制系統(tǒng)，流量和壓力為系統(tǒng)的兩個(gè)主要參數(shù)，將系統(tǒng)實(shí)測(cè)的流量和壓力信號(hào)與地質(zhì)要求的流量和壓力（期望值）進(jìn)行雙 PID 調(diào)節(jié)；通過(guò)模糊推理的方法自動(dòng)尋優(yōu)控制，根據(jù)推理結(jié)果，系統(tǒng)及時(shí)自動(dòng)調(diào)整高壓變頻器的輸出，并自動(dòng)計(jì)算出變頻器的最佳運(yùn)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(jī)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(shuō)，當(dāng)泵的轉(zhuǎn)速下降 1 個(gè)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(guò)變頻器改變電源的頻率來(lái)控制泵的轉(zhuǎn)速，這充分說(shuō)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(guò)高壓變頻裝置改造后，使各泵在高效區(qū)運(yùn)行的前提下滿(mǎn)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(jì)算，系統(tǒng)改造后可實(shí)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(jì)，則一年可以節(jié)約電費(fèi)為： 4100 ′ 365 ′ 0.3 ′ 0.5=22.4 萬(wàn)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(dòng)較大（有時(shí)需要注 2600 m 3 /d ，有時(shí)又需要注 5500 m 3 /d ）且變化頻繁（一周或幾天一變）。對(duì)該站實(shí)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(yùn)行，使之在滿(mǎn)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(fèi)。 當(dāng)要求注 3600 m 3 /d 水時(shí)，泵的能力大于要求的水量，將多注 1500m 3 /d ；當(dāng)要求注 5500 m 3 /d 時(shí)，開(kāi) 1 臺(tái)泵水量不夠，開(kāi) 2 臺(tái)泵將多注 2220 m 3 /d 水，都將造成水源和電能的浪費(fèi)。根據(jù)以上數(shù)據(jù)及站內(nèi)運(yùn)行情況推算，為滿(mǎn)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(fèi)為 0.5 元計(jì)，改造前每年約有 150 天水量處于不匹配狀態(tài)，則通過(guò)高壓變頻調(diào)節(jié)后年節(jié)電費(fèi)為： 1600 ′ 150 ′ 7.1 ′ 0.5=85.2 萬(wàn)元（人民幣） 3.3 實(shí)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(jī)安裝正式運(yùn)行，使用變頻器前后的耗電情況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)下表： 表 1 ： 2004 年 5 月使用變頻器前的耗電情況 表 2 ： 2004 年 8 月 2# 泵使用變頻器后的耗電情況 由表 1 ，表 2 可以看出， 2# 注水泵電機(jī)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(shí)際的節(jié)電率與計(jì)算值有所不同，但根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行情況來(lái)看，不會(huì)有太大的出入，總體的節(jié)電效果不會(huì)改變的。 4 結(jié)束語(yǔ) 綜上所書(shū)， JD-BP37 序列高壓變頻器運(yùn)行平穩(wěn)，性能可靠，簡(jiǎn)便實(shí)用，節(jié)電效果明顯，改善了工作人員的工作環(huán)境，啟動(dòng)無(wú)沖擊電流，大大降低了維修費(fèi)用提高了機(jī)組的使用壽命，安裝使用后明顯帶來(lái)了比較顯著的經(jīng)濟(jì)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(jià)值。 參考文獻(xiàn)： （ 略 ） 作者簡(jiǎn)介： 尹彭飛 男 工程師，畢業(yè)與東北大學(xué)，現(xiàn)在山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司從事變頻器的開(kāi)發(fā)，研制工作 通信地址： 山東汶上縣廣場(chǎng)路西段 769號(hào) 郵編： 272500 電話(huà)： 13854781073