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1  安裝高壓變頻器的目的及意義
　　注水泵是滿足油田注水，保證地層壓力的源設(shè)備，隨著油田開采進(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)中大馬拉小車的現(xiàn)象比較普遍，注水泵泵壓與注水管線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來保證注水管網(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，離心泵流量通過控制出口閥門的開度進(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183210m3, 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，無法滿足油井注水需求，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來控制注水管網(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

　　JD-BP37系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見圖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

　　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)見圖3.2，為基本的交-直-交單相逆變電路，整流側(cè)為六支二極管實(shí)現(xiàn)三相全橋整流，通過對(duì)IGBT逆變橋進(jìn)行正弦PWM控制，每個(gè)個(gè)功率單元完全一樣，可以互換，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，每個(gè)功率單元都承受電機(jī)電流，1/8的相電壓、1/24的輸出功率。24個(gè)單元在變壓器上都有自己獨(dú)立的三相輸入繞組。功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣。二次繞組采用延邊三角形接法，目的是實(shí)現(xiàn)多重化，降低輸入電流的諧波成分。24個(gè)二次繞組分成三相位組，互差20°，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)算來實(shí)現(xiàn)，精心設(shè)計(jì)的算法可以保證電機(jī)達(dá)到較優(yōu)的運(yùn)行性能。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。控制器用于柜體內(nèi)開關(guān)信號(hào)的邏輯處理，以及與現(xiàn)場(chǎng)各種操作信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)的協(xié)調(diào)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。
　　控制器及各控制單元板中采用8位單片機(jī)等大規(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)CPU，也是8位單片機(jī)，負(fù)責(zé)管理LED顯示屏和鍵盤。
　　另外，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，系統(tǒng)具有極高的安全性，同時(shí)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)帶來了很大方便。

3、現(xiàn)場(chǎng)情況和節(jié)能效果統(tǒng)計(jì)
　　針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)存在的問題，系統(tǒng)優(yōu)化改造主要需解決兩方面的問題：第一，在滿足系統(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

　　系統(tǒng)閉環(huán)控制過程如下：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，通過頻率的變化以達(dá)到期望的排量值。通過上述閉環(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)算出變頻器的較佳運(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：
　　p1/p2 μ（n1/n2）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，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)速正式通過變頻器改變電源的頻率來控制泵的轉(zhuǎn)速，這充分說明變頻調(diào)速是節(jié)能的較好方法。
3.2.2系統(tǒng)效率提高，單耗降低
　　系統(tǒng)通過高壓變頻裝置改造后，使各泵在有效區(qū)運(yùn)行的前提下滿足系統(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 m3/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 m3/d，由于要求的注水量的波動(dòng)較大（有時(shí)需要注2600 m3/d，有時(shí)又需要注5500 m3/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 m3/d水時(shí)，泵的能力大于要求的水量，將多注1500m3/d；當(dāng)要求注5500 m3/d時(shí)，開1臺(tái)泵水量不夠，開2臺(tái)泵將多注2220 m3/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，為滿足配注量，每天平均多注水1600 m3/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)，則通過高壓變頻調(diào)節(jié)后年節(jié)電費(fèi)為：
　　1600X150X7.1X0.5=85.2萬元（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)見下表：

　　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
　　綜上所述，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。