目前，在油田注水系統(tǒng)中，進口高壓大功率變頻技術(shù)得到了部分應用，但進口高壓大功率變頻器價格昂貴、維修困難又限制了該技術(shù)的推廣。在我廠聚北十六注水站應用的國產(chǎn)高壓大功率變頻器，是首次在油田注水系統(tǒng)中應用，通過其在注水管網(wǎng)中的連續(xù)運行實踐，該項目達到了預期的節(jié)能效果，并且在滿足生產(chǎn)需求方面發(fā)揮了較大的作用。 　　一、高壓變頻器結(jié)構(gòu)原理 　　（一）技術(shù)現(xiàn)狀 　　目前，從國內(nèi)和國外的變頻器市場上看，高壓變頻器基本應用4種技術(shù)（如表1），從表中可以看出，多級串聯(lián)電壓型變頻器是目前最為成熟和先進的技術(shù)。 　　 　　（二）設備原理 　　該設備采用免維護設計，使用壽命15年。該設備的突出特點為應用移相隔離變壓器技術(shù)和高壓旁路技術(shù)。移相變壓器電氣原理如圖1所示，變壓器原邊繞組為6kV, 副邊共24個（非自動旁路功能需要18個），繞組分為三相。每個繞組為延邊三角形接法，分別有±5o 、±15o 、±25o 等移相角度，每個繞組接一個功率單元。因此移相隔離變壓器能夠有效抑制電網(wǎng)側(cè)的電流諧波和變頻部分的諧波注入電網(wǎng)，輸入電壓和電流之間沒有相移，可以省掉諧波抑制環(huán)節(jié)和無功補償裝置，設備功率因數(shù)高，變壓器絕緣耐熱等級達到H級，最高允許溫升180℃，耐熱余量較大。 　　 　　高壓旁路技術(shù)原理見圖2，每相6個為工作單元，另外2個單元作為旁路熱備用。當設備單元故障時，自動切換到本回路內(nèi)的其他熱備單元，由計算機控制實現(xiàn)無擾動切換。因此，在連續(xù)運行的情況時，最多在6個單元損壞的情況下（每相損壞兩個），保證連續(xù)工作。 　　 　　 　　 　　 　　高壓變頻器采用單元串聯(lián)多電平拓撲結(jié)構(gòu)。由若干個低壓變頻功率單元串聯(lián)的方式實現(xiàn)直接高壓輸出,高壓主回路與控制器之間采用光纖連接，保證系統(tǒng)和操作人員安全可靠。 　　 　（三）設備結(jié)構(gòu) 　　該設備由1個控制柜、8個單元柜、一個移相變壓器柜、1面旁通刀閘控制柜組成，單元柜內(nèi)共安裝24個單元，每項串連8個單元，設備總重量13.5噸，設備占地17m2。 　　 　（四）設備技術(shù)參數(shù) 　　系統(tǒng)控制器：SIEMENS S7-300 　　變頻器容量：3000kVA 　　額定電流：303A 　　輸出頻率：0～50/60Hz ，三相 　　頻率精度：±0.05% 　　頻率分辨率：0.01 Hz 　　加減速時間：1～3000秒可調(diào) 　　功率因數(shù)：＞0.96（20%負荷以上） 　　效 率：＞96% 　　過載能力：120%額定電流值下30秒 　　防護等級：IP31 　　用戶地網(wǎng)接地電阻：≤4Ω 　　環(huán)境溫度：0℃～40℃ 　　環(huán)境濕度：＜90％（20℃時） 　　設備總噪聲：＜85dB 　　輸入輸出濾波器：不需要 　　輸入輸出諧波含量THD：<3%（符合GB14549-93及IEEE519的要求） 　　故障診斷方式：計算機在線自診斷 　　允許網(wǎng)側(cè)輸入電壓消失時間：≤100mS 　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方式：模塊化單元式結(jié)構(gòu) 　　人機聯(lián)系方式：觸摸面板和觸摸屏（輸入）LCD或液晶顯示屏（輸出） 　　故障切換：故障單元自動旁路 　　 　　二、設計方案及特點 　　（一）應用地點的選擇及現(xiàn)狀 　　通過對三廠注水站生產(chǎn)情況的分析發(fā)現(xiàn)，由于注聚管網(wǎng)是隨聚驅(qū)區(qū)塊逐漸開發(fā)，各區(qū)塊內(nèi)部注聚的開始和結(jié)束時間又不一致，因此，各區(qū)塊的管網(wǎng)沒有完全連網(wǎng)，經(jīng)常造成運行多余的清水注入基礎井網(wǎng)，既浪費清水又使其它管網(wǎng)壓力升高，為減少浪費清水，站上只能控制注水泵的排量，導致泵的運行參數(shù)不合理，能耗增加。 　　通過論證，確定選擇在聚北十六注水站安裝高壓變頻器，主要原因一是為了解決聚驅(qū)注水站受開發(fā)階段性影響水量波動較大，造成清水和能源浪費的問題；二是由于聚北十六注水站和聚北十七注水站清水管線已聯(lián)網(wǎng)，在2003年7月北三東西塊投產(chǎn)后，聚北十六注水站的高壓變頻器在7年時間里（2003年7月-2010年10月）可同時調(diào)節(jié)兩站清水量。 　　聚北十六注水站于2000年投產(chǎn)，位于北二東西塊，該站設計能力為1.68×104m3/d，有DF400-150×11注水泵1臺（電機功率2500 kW）、D300-150×11注水泵1臺（電機功率2240kW）、D300-150×9注水泵1臺（電機功率2240kW），為北二東（18－1、2、3、4）及東過南塊（18－5）5座注入站供低礦化度清水。 　　 　　 　　聚北十七注水站于2003年投產(chǎn)，位于北三東西塊，該站設計能力為1.68×104m3/d，有DF400-150×11注水泵1臺（電機功率2500 kW）、D300-150×11注水泵2臺（電機功率2240 kW），為北三東（18－6、7、8）3座注入站供低礦化度清水。 　　聚北十六注水站與聚北十七注水站，在18－1注聚站進站注水管線上與聚北十七注水站連通，管線型號為Φ168×13，這樣聚北十六注水站與聚北十七注水站組成了一個區(qū)域注水管網(wǎng)。 　　在未使用高壓變頻器之前，該區(qū)塊清水管網(wǎng)平均單耗最高達到7.5kWh/m3，泵管壓差最高達到3.5Mpa。 　　（二）設計方案 　　如圖7所示，在聚北十六注水站與電所之間，新建輕板房一座，作為高壓變頻器室。高壓變頻器設備費用為286萬元，配套附屬設施費用為144萬元，設計概算資金為430萬元。 　　 　（三）設計特點 　　1.設備改造成水冷方式 　　設備原設計為風冷卻，我廠對設備的適應性進行了充分的調(diào)研和論證，針對設備冷卻方式（風冷）不合理的問題，提出了改進方案，即變頻器加裝循環(huán)水冷卻器，采用清水干線來水作為冷卻水，冷卻后進入注水泵進口，注入地下，消除了可能由于溫度高而不能運行的隱患。同時設計一套后備循環(huán)冷卻系統(tǒng)，在該站不注清水時冷卻高壓變頻器，避免清水浪費。設備投運后，高壓變頻器室內(nèi)未加裝冷卻及通風散熱系統(tǒng)，設備冷卻水管進出口溫差為1℃。 　　2.靈活的系統(tǒng)主接線形式 　　設計主接線采用變頻器一拖二形式，即可以分別用變頻或工頻啟動1#或3#注水電機，達到靈活使用目的，并利用電所原有的備用出線開關柜和電機開關柜，原有工頻啟動方式及程序不變。該項可節(jié)省投資15萬元。 　　3.電機（泵）保護 　　聚北十六變電所為綜合自動化保護，在變頻狀態(tài)下，將注水電機保護測控單元的保護信號，接入到變頻器的保護測控單元，原有電機保護信號全部有效，電機保護跳閘信號直接將變頻器電源斷開，原有保護功能及參數(shù)不變。 　　4.變頻器內(nèi)置的保護 　　變頻器實現(xiàn)自身過載、過熱、輸出接地、輸出短路等保護功能。對電動機有過電流、欠電壓、缺相、過載等保護功能， 變頻器跳閘信號直接接入其電源斷路器跳閘回路。 　　5.設計加裝繼電保護 　　 　　由于變頻啟動時，原有啟動程序無效，所以設計加裝繼電保護裝置，防止工頻與變頻切換時可能引起的誤操作。如主接線圖（圖8）所示，4G和5G間、4G和1DL間、5G和3DL間采用電子互鎖。在變頻啟動時電機所有保護信號（掉閘）進入2DL保護測控單元，變頻啟動時有關開關柜門采用電磁鎖鎖定，有關開關柜門開時變頻無法啟動，保證系統(tǒng)安全運行。 　　6.變頻器控制方式 　　變頻器采用二種控制方式，一是開環(huán)控制，即人為設定電機頻率進行控制輸出，正常狀態(tài)下不使用。二是閉環(huán)控制，即變頻器通過對管網(wǎng)的壓力檢測、優(yōu)化，自動控制注水泵出口壓力，從而達到消除泵管壓差，調(diào)節(jié)管網(wǎng)水量，使管網(wǎng)壓力分配更加合理，節(jié)約電能，正常生產(chǎn)狀態(tài)下采用此方式運行。 　　三、變頻器運行情況分析 　　高壓變頻器于2004年6月14日正式投產(chǎn)運行至今，聚北十六注水站的泵管壓差降為0，單耗略有上升，聚北十七泵管壓差下降，單耗下降，從高壓變頻器運行情況統(tǒng)計表（表2）中可以看出，高壓變頻器目前運轉(zhuǎn)正常，設備發(fā)熱量正常，控制準確，對軸瓦、電機設備適應性較好。 　　 　　我們選用了安裝施工后前后兩個月的數(shù)據(jù)進行比對分析，在這兩個月中，聚北十六注水站運行3＃注水泵（電機功率2240 kW），聚北十七注水站運行3＃注水泵（電機功率2240 kW）。 　　（一）泵效測試分析 　　 　　通過北十六注水泵泵效實測分析（測試表見表3），安裝變頻前，通過調(diào)節(jié)注水泵出口閥門，調(diào)節(jié)流量，能耗損失集中在閥門上，電機輸出軸功率較高，單耗較高。安裝變頻后，通過變頻改變泵軸轉(zhuǎn)速，引起流量的變化，注水泵出口閥門處于全開狀態(tài)，沒有控制損失，相同流量下，輸出軸功率降低，單耗降低（約12％）。注水泵效率與工頻狀態(tài)下基本相同，低流量下，變頻控制泵效較工頻略高。 　　（二）水量分析 　　 　　聚北十六注水站應用高壓變頻器，使得該區(qū)域管網(wǎng)的壓力及流量狀況趨于合理，減少了由于泵壓高注入到基礎井網(wǎng)的水量，整體注水量變小，從表4可以看出，聚北十七日注水量約增加10％，而聚北十六注水量減少量較大，達到52％，整個注聚區(qū)塊注水量減少了25％。 　　 　　由表5所示水量可以看出，聚北十六注水站在應用高壓變頻器裝置以后的外輸水量小于18-3、4、5三個注入站的實際注入量，這是因為該站泵出水至匯管并與聚北十七來水構(gòu)成匯合管路，聚北十七注水站注水泵揚程不變，聚北十六注水泵加變頻控制，泵揚程降為額定揚程的84％（46Hz），導致聚北十七注外輸水將通過連通管為18－1、2注入站供水，并與聚北十六注一起為18－3、4、5注入站供水，聚北十六注主要為18－4、5注聚站供水，表5中的數(shù)據(jù)也驗證了這樣的分析判斷。由此證明了高壓變頻器在區(qū)塊管網(wǎng)的水量調(diào)節(jié)作用是明顯的。 　　（三）能耗分析 　　 　　從表6中可以看出，高壓變頻器在本區(qū)塊注水管網(wǎng)中應用，輸出頻率與流量和能耗關系不大，在同一頻率下，輸出的流量不同（2500－5600m3/d），輸出軸功率也不是固定值（經(jīng)現(xiàn)場隨機測試，輸出50Hz下軸功率為1935kW），能耗與管網(wǎng)特性有關，本站單耗隨水量上升而降低。根據(jù)變頻器投運后的生產(chǎn)報表統(tǒng)計，聚北十六注水站在注水量小于4800m3/d時，變頻比工頻運行單耗高，當注水量大于5100m3/d時，變頻比工頻情況下單耗降低，因此聚北十六注水站注水量在大于4800m3/d左右液量時，應用高壓變頻器節(jié)能效果較好，運行4個月以來平均水量約為4100m3/d。 　　 　　從區(qū)塊內(nèi)生產(chǎn)報表統(tǒng)計和節(jié)能測試，在高壓變頻器應用后單耗的變化趨勢，聚北十六注水站的單耗增加（平均1.33 kWh/m3），聚北十七注水站的單耗減少（平均2.75 kWh/m3），區(qū)塊平均單耗由未裝變頻前的7.2 kWh/m3降到6.49kWh/m3，區(qū)塊整體評價達到了節(jié)能的目的。 　　（四）高壓變頻器在注聚管網(wǎng)應用的必要性 　　由于注聚管網(wǎng)具有隨聚驅(qū)區(qū)塊逐漸開發(fā)，各區(qū)塊內(nèi)部注聚的開始和結(jié)束時間不一致、調(diào)整相對頻繁的特點，在聚驅(qū)注水站安裝高壓變頻器具有對整體管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)節(jié)平衡的作用，這一點在聚北十六注水站得到了較好的印證。 　　與該區(qū)塊剛投產(chǎn)時比較，聚北十六及聚北十七所轄區(qū)塊月實注相差了10萬方水量，水量波動是比較大的，生產(chǎn)管理上難于控制，能耗高。高壓變頻器投產(chǎn)后，有效的實現(xiàn)了對整個管網(wǎng)的調(diào)控功能，生產(chǎn)運行平穩(wěn)。 　　在2004年9月23日，由于高壓變頻器LC過壓保護器損壞，聚北十六工頻啟動3＃注水泵，泵出口壓力較高，達到17.9 MPa，泵出口閘門調(diào)節(jié)無效，只能向北二區(qū)五排基礎井網(wǎng)排放清水，降低泵出口壓力，至10月1日高壓變頻器恢復運行，每天向基礎井網(wǎng)排放清水3200 m3，造成了清水的浪費。在9月29日，由于北二區(qū)五排管徑較細（φ219）,出水量小，造成局部壓力過高導致管線穿孔。在這種情況下，只能再啟動站內(nèi)已經(jīng)減掉2級的1＃泵，但啟泵后，導致管網(wǎng)末端的18－5注入站注入壓力不夠。 　　以上情況說明，在本區(qū)塊內(nèi)采用注水泵減級，則難以滿足出口壓力，切削葉輪外徑來改變流量這種方式也有一定的范圍限制，且只能用在需長期改變泵特性的情況下。因此，只有通過高壓變頻器來改變泵軸的轉(zhuǎn)速，才能實現(xiàn)水量的自動調(diào)控、平穩(wěn)注水和節(jié)能降耗的目的。 　　四、經(jīng)濟效益分析 　　 　　從能耗統(tǒng)計表可以看出，雖然聚北十六注水站單耗上升，但由于高壓變頻器對注水管網(wǎng)的調(diào)節(jié)作用，整個區(qū)塊在高壓變頻器運行的一個月內(nèi)，與未加變頻控制的前一月對比，單耗下降0.71 kWh/m3，按當月區(qū)塊總水量34.8×104 m3計算，節(jié)約電能折合資金11萬元，由此推算年節(jié)約電費約為132萬元。另外，投運高壓變頻器后，無需向基礎井網(wǎng)排放清水，按每天少排放清水2000m3計算，年節(jié)約水費250萬元。由于本次數(shù)據(jù)錄取期注水量較少，因此保守推算投入高壓變頻器后，年節(jié)約資金約為382萬元。 　　目前聚北十六注水站應用高壓變頻器，沒有增加人員和崗位，由注水站統(tǒng)一管理，由于使用站內(nèi)清水作為變頻器冷卻清水，所以冷卻水部分不作消耗費用統(tǒng)計。另外由于變頻器有6個冗余旁路單元，所以在使用期內(nèi)可不需增加設備更換費用，只需每年對高壓變頻器的主回路和控制線路檢修4次，每次檢修費用約為1萬元。即應用高壓變頻器每年在整個區(qū)塊上可節(jié)約資金378萬元，按總投資430萬元計算，1.1年可收回全部投資。 　　五、幾點認識 　　1、國產(chǎn)高壓變頻器在技術(shù)上是成熟的，可以在油田注水系統(tǒng)中推廣應用。 　　2、在水量波動較大或管網(wǎng)不完善且調(diào)節(jié)余地較小的注水系統(tǒng)中，應用高壓變頻器，不但能夠取得較好的節(jié)能效果，而且還能滿足生產(chǎn)上調(diào)節(jié)水量、避免清水浪費和欠注達到平穩(wěn)注水的要求。