大功率高压变频在注水系统中应用与实践

摘要：本文对高压变频工作原理进行了简要阐述。根据开发区注水系统的实际能耗状况，提出了在五注水站采用高压变频器拖动注水机泵，实现注水量的无节流调节，减小泵管压差，降低本站泵水单耗，在保证油田配注要求前提下，通过优化开泵方案，利用高压变频器，依据注水管网需要的压力或流量进行参数设定，降低开发区注水系统的能耗。分析杏南开发区生产运行数据，评价高压变频在降低注水系统单耗方面所能发挥的作用和产生的经济效益。指出利用高压变频不但可以降低单站的注水单耗，同时还可以作为一种技术手段，降低注水系统的能耗。

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高压变频应用系统概述

目前，开发区注水系统已建成注水站8座，安装注水泵23台（D300-150型8台，D280-160型4台，D250-150型8台，D200-150型3台）,注水能力75000m3/d，注水井1599（基础井855口，调整注水井692口,三次加密井52口）。

分析开发区注水系统实际状况，除了存在正常注水与测试、洗井、钻关等用水之间的矛盾之外，还存在正常注水与水源供水量不足之间的矛盾。上述两种矛盾使注水系统的注水量波动较大，运行工况十分复杂。为了适应注水量的波动，只能通过调节注水泵出口阀门来控制流量，人为的增加了管网阻力，造成相当大的能量浪费在阀门上，从而导致注水泵管网与系统注水方案之间匹配不合理，泵管压差较高，注水单耗较大。调查结果表明，杏南油田注水系统平均泵压为15.6Mpa，管压为14.8Mpa，泵管压差为0.8MPa，平均泵水单耗5.70kWh/m3。个别站的泵管压差在1.4MPa以上。由此可见，泵管压差大是造成杏南油田注水系统能耗的主要因素。

五注水站建有D300-150×11注水泵2台，电机功率2240kW，日平均注水量8500m3。注水单耗在5.70kWh/m3。杏南开发区注水管网相互联通，杏五注水站处于注水管网的中枢位置,对整个注水系统影响较大，在这里安装高压变频，可以实现泵的无节流调节，降低泵管压差，而且可以利用高压变频调节灵活的优势，最大限度发挥其系统节能效率。

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高压变频装置应用与节能原理

（1）高压变频应用方案

五注水站采用PowerFlex7000型变频器，是AB公司的第三代电流源型高压变频器，采用风冷散热，满负荷变频系统效率98%（不包括隔离变压器），输出额定电压6.5kV，额定电流250A，变频器进线侧采用18脉冲整流器，前端安装隔离变压器根据移相原理来衰减低次谐波。符合IEEE519-1992规范要求，不会对电机或电源产生谐波影响。逆变侧采用SGCT（带集成门极驱动器的可关断晶闸管）作为功率元件，与传统的功率元件相比，开关频率更高，提高了变频器性能和性价比，减小了变频器体积。变频器采用了PowerCage设计方式，将主要功率器件以紧凑的模块化形式集成于一体。先进的散热器设计，确保了高效的热传递且降低了热损伤，使得维护更加便捷。

五注水站两台注水泵采用一用一备的运行方案.电力主回路如图1所示，变频采用单电源一拖二结构，任何时候只能有一台电机由变频拖动，另一台为备用状态或工频运行。工频与变频切换采用手动的方式，变频器采用就地和远程两种启动和调节方式。

图1高压变频主回路控制图（2）高压变频的节能原理分析目前油田注水泵的流量调节通常采用改变泵出口阀门开度的方式，实质是改变管路特性曲线的位置来改变泵的工作点，如图2所示，这种方式存在较严重的节流，人为增加了注水损耗。根据离水泵的特性曲线可知，当注水泵采用工频运行时，随着泵出口阀门开度减小，管路特性曲线R1向左移动到R2，R1与R2之间可以得到一组曲线。当按照需要流量Q2固定阀开度后，泵的工况点由A沿着H-Q（g）左移到B点，泵排出阀上多消耗压头△H。从图3的效率曲线可以看出，随着闸阀开度的减小，泵效逐渐降低，工作在B点时，泵效为。变频调速不改变管性曲线，而是通过调整泵的转速改变流量，油田注水泵应用的变频调速一般都是通过降低电源的供电频率实现调速，所以变频调速基本都是使泵在低于额定转速下的调速。随着速度的降低，我们能够得到一组从工频特性曲线H-Q（g）下平移的泵特性曲线H-Q（f）。如图3所示，在某一变频调节的情况下,电机转速调低，使流量Q2相交于泵特性曲线H-Q（f）于C。显然，此时泵排出阀开度不变，泵出口阀门上没有压头损失，还降低了压头，与阀门节流相比节约压头，根据泵特性，在运行转速与额定转速变化不大的情况下，泵效曲线可平移到。相同流量条件下单泵工频状态闸阀节流调节与变频调节的功率比较由电动机轴功率计算公式：出口阀节流调节时电动机输入功率:

变频调节时电动机输入功率:

式中：

Q2:泵节流排出流量（m3/s）;

Hb:闸阀节流泵的扬程（m）;

Hc:变频状态泵扬程（m）;

η2:闸阀节流泵效;

η1:变频调速泵效;

式（1）-式（2）:由此可得相同流量条件下，单泵变频调速控制流量较工频下闸阀节流调节减少了功率消耗的定论。显然，变频调速节能主要原因是消除了泵排除阀节流所引起的压头损失（）和泵始终处于高效区运行，从而减少了电动机输入功率。从图3中可以看出,使用变频调节后,在其它站的阀门开度不变的情况下,注水量减少Q2-Q1,但是可以通过开大其它注水泵的出口阀门的方法弥补因变频调速时减少的水量,达到注水系统总注水量不变。

可以进一步分析变频调速在各种情况下对离心泵运行功率的影响。由于工频状态下闸阀节流调节均使管***性曲线由额定工况点A左移，因此可以得出闸阀节流调节均存在泵排出阀压头永远大于，而变频调速时泵的工况点均在管网工作特性曲线上A下面的各点，所以总是存在Hb＞Hc，又由于变频调速不改变管***性，所以变频调速均使泵工作在高效区，即在变频器正常调节范围内总存在η2＞η1。

根据式（3），则均有△P＞0成立，由此可以推论:变频调速在相同排量下均较闸阀节流调节节能。

加宽了变频对注水泵调节范围，在注水泵低于实际排量的70%的情况下泵水单耗也还呈下降趋势。从表3中可以看出9、10、11水量较低，主要是杏南地区受钻关影响，要求杏五注注水量控制在5000m3/d左右。D300泵正常运行时，日注水量应在8500m3左右，如果没有采用变频调速，只能通过打回流或者憋压运行，导致泵水单耗大幅度上升。采用变频后，通过表3可以看出，11月的变频运行的泵水单耗与9月工频运行时相差不大，注水量却可以降到5700m3/d左右。

从以上数据可以看出，注水泵采用变频后，实际流量的可调节范围远远大于理论可调节的流量。主要原因是变频进行流量调节时，只考虑到离心泵的相似定律（流量与频率成正比，压力与频率的平方成正比），没有考虑离心泵其它的特性，即它在一定范围内离心泵可以牺牲泵出口流量，换取泵出口压力的升高，这样会导致泵出口水量减少，单耗略有上升，但与注水泵工频运行时相同流量下的单耗仍要低很多。

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经济效益评价

从表1和表2可以看出，采用变频调速后，杏五注以及杏南开发区的节电效益计算如下：

五注日节电效益W1=P1×0.5142=4027元

五注年节电效益W2=W1×365=146.9万元

注水系统日节电效益W3=P2×0.5142=6093元

注水系统年节电效益W4=W3×365=222.4万元

通过计算可以看出注水系统年节电效益为222.4万元，五注水站本站年节电效益为146.9万元。两者效益之差为75.5万元，可以看作其它注水站泵水单耗降低，产生的节电效益。也就是高压变频对注水系统贡献值。

目前，新建一台高压变频（2200kW）变频器的价格也在350万元（杏五注高压变频为230），高压变频运行年限以10年计算，一次性建设费用投资回收期为1.6年。系统的维护费用以每3万元计。合计支出380万元。投资在回报率490%以上。

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认识与结论

（1）几点认识

①注水泵变频调速是降低注水能耗实现注水系统生产优化运行的重要技术手段。

注水泵采用变频调速后，具有以下几个特点：一是注水机泵实现自动控制，消除人为因素造成的泵管压差，大幅度降低注水单耗。二是加宽了注水泵流量的调节范围，注水量可以调节到正常排量的60%-70%而注水单耗不会大幅上升。三是提高了注水机泵对生产工艺参数的响应速度。电机实现了软启动、软停运，减少了启泵时强大的启动电流对电网的冲击和多余能量损耗同由于电机转速降低、延长了机泵的使用寿命和维修周期，提高注水时率。

②自主开发高压变频调速的控制系统，进一步全面掌握变频器的维护技术，是变频装置提高运行时率和长期可靠运行的保障。

高压变频系统开发调试涉及专业技术知识较多，包括电机的二次保护、变频技术、可编程控制技术、组态软件、现场仪表等，通常情况下是由变频厂家通过相关专业技术人员共同合作完成系统的开发。当厂家硬件、软件完成调试，交付生产单位使用过程中出现故障，我们的技术人员就会因为专业知识的限制，无法对故障进行准确判断，影响正常生产运行。在可能条件下，对于引进类似大功率高压变频这样的设备，技术人员一定要掌握核心的技术，这样才能为以后的维护和系统改造创造有利的条件，进一步发挥设备的效能。

③适宜的工作环境是高压变频能否长期运行的先决条件。

大功率高压变频是精密的电力电子设备，对运行和存放条件都有严格的要求。包括环境温度、环境湿度、冷却空气、散热通道和散热量，根据我们气侯冬冷夏凉、春季风沙大的特点，在变频室的设计时，需要认真考虑以下二个矛盾：一是考虑夏季散热冬季保暖，二是房间的防尘和通风。其中任何一项不在标准之内都会对