摘 要： 本文對高壓變頻工作原理進行了簡要闡述。根據(jù)杏南開發(fā)區(qū)注水系統(tǒng)的實際能耗狀況，提出了在杏五注水站采用高壓變頻器拖動注水機泵，實現(xiàn)注水量的無節(jié)流調節(jié)，減小泵管壓差，降低本站泵水單耗，在保證油田配注要求前提下，通過優(yōu)化開泵方案，利用高壓變頻器，依據(jù)注水管網(wǎng)需要的壓力或流量進行參數(shù)設定，降低杏南開發(fā)區(qū)注水系統(tǒng)的能耗。分析杏南開發(fā)區(qū)生產運行數(shù)據(jù)，評價高壓變頻在降低注水系統(tǒng)單耗方面所能發(fā)揮的作用和產生的經(jīng)濟效益。指出利用高壓變頻不但可以降低單站的注水單耗，同時還可以作為一種技術手段，降低注水系統(tǒng)的能耗。 主題詞：高壓變頻 泵水單耗 經(jīng)濟效益 評價 1 高壓變頻應用系統(tǒng)概述 目前，杏南開發(fā)區(qū)注水系統(tǒng)已建成注水站8座，安裝注水泵23臺（D300-150型8臺，D280-160型4臺，D250-150型8臺，D200-150型3臺）,注水能力75000m[sup]3[/sup] /d，注水井1599（基礎井855口，調整注水井692口,三次加密井52口）。 分析杏南開發(fā)區(qū)注水系統(tǒng)實際狀況，除了存在正常注水與測試、洗井、鉆關等用水之間的矛盾之外，還存在正常注水與水源供水量不足之間的矛盾。上述兩種矛盾使注水系統(tǒng)的注水量波動較大，運行工況十分復雜。為了適應注水量的波動，只能通過調節(jié)注水泵出口閥門來控制流量，人為的增加了管網(wǎng)阻力，造成相當大的能量浪費在閥門上，從而導致注水泵管網(wǎng)與系統(tǒng)注水方案之間匹配不合理，泵管壓差較高，注水單耗較大。調查結果表明，杏南油田注水系統(tǒng)平均泵壓為15.6Mpa，管壓為14.8Mpa，泵管壓差為0.8MPa，平均泵水單耗5.70kWh/m[sup]3[/sup]。個別站的泵管壓差在1.4MPa以上。由此可見，泵管壓差大是造成杏南油田注水系統(tǒng)能耗的主要因素。 杏五注水站建有 D300-150×11注水泵2臺，電機功率2240kW，日平均注水量8500m[sup]3[/sup]。注水單耗在5.70kWh/m[sup]3[/sup]。杏南開發(fā)區(qū)注水管網(wǎng)相互聯(lián)通，杏五注水站處于注水管網(wǎng)的中樞位置,對整個注水系統(tǒng)影響較大，在這里安裝高壓變頻，可以實現(xiàn)泵的無節(jié)流調節(jié)，降低泵管壓差，而且可以利用高壓變頻調節(jié)靈活的優(yōu)勢，最大限度發(fā)揮其系統(tǒng)節(jié)能效率。 2 高壓變頻裝置應用與節(jié)能原理 （1）高壓變頻應用方案 杏五注水站采用PowerFlex7000型變頻器，是AB公司的第三代電流源型高壓變頻器，采用風冷散熱，滿負荷變頻系統(tǒng)效率98%（不包括隔離變壓器），輸出額定電壓6.5kV，額定電流250A，變頻器進線側采用18脈沖整流器，前端安裝隔離變壓器根據(jù)移相原理來衰減低次諧波。符合IEEE 519-1992規(guī)范要求，不會對電機或電源產生諧波影響。逆變側采用SGCT（帶集成門極驅動器的可關斷晶閘管）作為功率元件，與傳統(tǒng)的功率元件相比，開關頻率更高，提高了變頻器性能和性價比，減小了變頻器體積。變頻器采用了PowerCage設計方式，將主要功率器件以緊湊的模塊化形式集成于一體。先進的散熱器設計，確保了高效的熱傳遞且降低了熱損傷，使得維護更加便捷。 杏五注水站兩臺注水泵采用一用一備的運行方案.電力主回路如圖1所示，變頻采用單電源一拖二結構，任何時候只能有一臺電機由變頻拖動，另一臺為備用狀態(tài)或工頻運行。工頻與變頻切換采用手動的方式，變頻器采用就地和遠程兩種啟動和調節(jié)方式。 [align=center] 圖1高壓變頻主回路控制圖[/align] （2）高壓變頻的節(jié)能原理分析 目前油田注水泵的流量調節(jié)通常采用改變泵出口閥門開度的方式，實質是改變管路特性曲線的位置來改變泵的工作點，如圖2所示，這種方式存在較嚴重的節(jié)流，人為增加了注水損耗。 根據(jù)離水泵的特性曲線可知，當注水泵采用工頻運行時，隨著泵出口閥門開度減小，管路特性曲線R1向左移動到R2，R1與R2之間可以得到一組曲線。當按照需要流量Q2固定閥開度后，泵的工況點由A沿著H-Q（g）左移到B點，泵排出閥上多消耗壓頭△H。從圖3的效率曲線可以看出，隨著閘閥開度的減小，泵效逐漸降低，工作在B點時，泵效為。 變頻調速不改變管網(wǎng)特性曲線，而是通過調整泵的轉速改變流量，油田注水泵應用的變頻調速一般都是通過降低電源的供電頻率實現(xiàn)調速，所以變頻調速基本都是使泵在低于額定轉速下的調速。隨著速度的降低，我們能夠得到一組從工頻特性曲線H-Q（g）下平移的泵特性曲線H-Q（f）。如圖3所示，在某一變頻調節(jié)的情況下,電機轉速調低，使流量Q2相交于泵特性曲線H-Q（f）于C。顯然，此時泵排出閥開度不變，泵出口閥門上沒有壓頭損失 ，還降低了壓頭 ，與閥門節(jié)流相比節(jié)約壓頭 ，根據(jù)泵特性，在運行轉速與額定轉速變化不大的情況下，泵效曲線可平移到 。 相同流量條件下單泵工頻狀態(tài)閘閥節(jié)流調節(jié)與變頻調節(jié)的功率比較由電動機軸功率計算公式： 出口閥節(jié)流調節(jié)時電動機輸入功率: 變頻調節(jié)時電動機輸入功率: 式中： Q[sup]2[/sup]:泵節(jié)流排出流量（m[sup]3[/sup]/s）; H[sub]b[/sub]:閘閥節(jié)流泵的揚程（m）; H[sub]c[/sub]:變頻狀態(tài)泵揚程（m）; η[sub]2[/sub]:閘閥節(jié)流泵效; η[sub]1[/sub]:變頻調速泵效; 式（1） -式（2）: ，由此可得相同流量條件下，單泵變頻調速控制流量較工頻下閘閥節(jié)流調節(jié)減少了功率消耗的定論。顯然，變頻調速節(jié)能主要原因是消除了泵排除閥節(jié)流所引起的壓頭損失（ ）和泵始終處于高效區(qū)運行，從而減少了電動機輸入功率。從圖3中可以看出,使用變頻調節(jié)后,在其它站的閥門開度不變的情況下,注水量減少Q2-Q1,但是可以通過開大其它注水泵的出口閥門的方法彌補因變頻調速時減少的水量,達到注水系統(tǒng)總注水量不變。 [align=center] 圖2 注水泵性能曲線圖[/align] 可以進一步分析變頻調速在各種情況下對離心泵運行功率的影響。由于工頻狀態(tài)下閘閥節(jié)流調節(jié)均使管網(wǎng)特性曲線由額定工況點A左移，因此可以得出閘閥節(jié)流調節(jié)均存在泵排出閥壓頭 永遠大于 ，而變頻調速時泵的工況點均在管網(wǎng)工作特性曲線上A下面的各點，所以總是存在 H[sub]b[/sub]＞H[sub]c[/sub]，又由于變頻調速不改變管網(wǎng)特性，所以變頻調速均使泵工作在高效區(qū)，即在變頻器正常調節(jié)范圍內總存在 η[sub]2[/sub]＞η[sub]1[/sub]。 根據(jù)式（3），則均有△P＞0成立，由此可以推論:變頻調速在相同排量下均較閘閥節(jié)流調節(jié)節(jié)能。 3 高壓變頻應用情況 （1）變頻運行前后杏五注運行效果分析 [align=center]表1 杏五注水站變頻運行前后數(shù)據(jù) [/align] 表1是杏五注變頻運行前后對比數(shù)據(jù)表，結果表明，注水泵采用變頻前后，注水量基本保持不變的情況下，注水泵壓泵管壓差下降0.4MPa，泵水單耗下降0.88kWh/m3。如果杏五注水站日注水量按8900 m3計。杏五注水站日節(jié)電P1=0.88×8900=7832kWh。 （2）變頻運行前后杏南開發(fā)區(qū)注水系統(tǒng)運行效果分析 表2為杏五注高壓變頻運行前后杏南開發(fā)區(qū)注水系統(tǒng)生產數(shù)據(jù)對比，結果表明，變頻前后,除全開杏五注泵出口閥門外，其它注水站運行參數(shù)均未作任何調整。系統(tǒng)泵壓平均下降0.1Mpa，管壓未發(fā)生變化，日注水量由79583 m3 降為79092 m3，耗電量由441840 kWh減少到428520kWh，泵水單耗由5.55kWh/m3降低到5.40kWh/m3,泵水單耗下降了0.15kWh/m3。如果杏南開發(fā)區(qū)日注水量按79000 m3計，杏南開發(fā)區(qū)日節(jié)電P2=0.15×79000=11850kW。 [align=center]表2 杏五注高壓變頻運行前后杏南開發(fā)區(qū)注水系統(tǒng)生產數(shù)據(jù) [/align] （3）變頻器運行前后，杏五注單站注水量變化運行效果分析。 [align=center]表3杏五注水站2006年9月-2006年11月生產數(shù)據(jù) [/align] 加寬了變頻對注水泵調節(jié)范圍，在注水泵低于實際排量的70%的情況下泵水單耗也還呈下降趨勢。從表3中可以看出9、10、11水量較低，主要是杏南地區(qū)受鉆關影響，要求杏五注注水量控制在5000 m3/d左右。D300泵正常運行時，日注水量應在8500 m3左右，如果沒有采用變頻調速，只能通過打回流或者憋壓運行，導致泵水單耗大幅度上升。采用變頻后，通過表3可以看出，11月的變頻運行的泵水單耗與9月工頻運行時相差不大，注水量卻可以降到5700 m3/d左右。 從以上數(shù)據(jù)可以看出，注水泵采用變頻后，實際流量的可調節(jié)范圍遠遠大于理論可調節(jié)的流量。主要原因是變頻進行流量調節(jié)時，只考慮到離心泵的相似定律（流量與頻率成正比，壓力與頻率的平方成正比），沒有考慮離心泵其它的特性，即它在一定范圍內離心泵可以犧牲泵出口流量，換取泵出口壓力的升高，這樣會導致泵出口水量減少，單耗略有上升，但與注水泵工頻運行時相同流量下的單耗仍要低很多。 4 經(jīng)濟效益評價 從表1和表2可以看出，采用變頻調速后，杏五注以及杏南開發(fā)區(qū)的節(jié)電效益計算如下： 杏五注日節(jié)電效益W1=P1×0.5142=4027元 杏五注年節(jié)電效益W2=W1×365=146.9萬元 杏南注水系統(tǒng)日節(jié)電效益W3=P2×0.5142=6093元 杏南注水系統(tǒng)年節(jié)電效益W4=W3×365=222.4萬元 通過計算可以看出杏南注水系統(tǒng)年節(jié)電效益為222.4萬元，杏五注水站本站年節(jié)電效益為146.9萬元。兩者效益之差為75.5萬元，可以看作其它注水站泵水單耗降低，產生的節(jié)電效益。也就是高壓變頻對注水系統(tǒng)貢獻值。 目前，新建一臺高壓變頻（2200kW）變頻器的價格也在350萬元（杏五注高壓變頻為230），高壓變頻運行年限以10年計算，一次性建設費用投資回收期為1.6年。系統(tǒng)的維護費用以每3萬元計。合計支出380萬元。投資在回報率490%以上。 5 認識與結論 （1）幾點認識 ①注水泵變頻調速是降低注水能耗實現(xiàn)注水系統(tǒng)生產優(yōu)化運行的重要技術手段。 注水泵采用變頻調速后，具有以下幾個特點：一是注水機泵實現(xiàn)自動控制，消除人為因素造成的泵管壓差，大幅度降低注水單耗。二是加寬了注水泵流量的調節(jié)范圍，注水量可以調節(jié)到正常排量的60%-70%而注水單耗不會大幅上升。三是提高了注水機泵對生產工藝參數(shù)的響應速度。電機實現(xiàn)了軟啟動、軟停運，減少了啟泵時強大的啟動電流對電網(wǎng)的沖擊和多余能量損耗同由于電機轉速降低、延長了機泵的使用壽命和維修周期，提高注水時率。 ②自主開發(fā)高壓變頻調速的控制系統(tǒng)，進一步全面掌握變頻器的維護技術，是變頻裝置提高運行時率和長期可靠運行的保障。 高壓變頻系統(tǒng)開發(fā)調試涉及專業(yè)技術知識較多，包括電機的二次保護、變頻技術、可編程控制技術、組態(tài)軟件、現(xiàn)場儀表等，通常情況下是由變頻廠家通過相關專業(yè)技術人員共同合作完成系統(tǒng)的開發(fā)。當廠家硬件、軟件完成調試，交付生產單位使用過程中出現(xiàn)故障，我們的技術人員就會因為專業(yè)知識的限制，無法對故障進行準確判斷，影響正常生產運行。在可能條件下，對于引進類似大功率高壓變頻這樣的設備，技術人員一定要掌握核心的技術，這樣才能為以后的維護和系統(tǒng)改造創(chuàng)造有利的條件，進一步發(fā)揮設備的效能。 ③ 適宜的工作環(huán)境是高壓變頻能否長期運行的先決條件。 大功率高壓變頻是精密的電力電子設備，對運行和存放條件都有嚴格的要求。包括環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、冷卻空氣、散熱通道和散熱量，根據(jù)我們氣侯冬冷夏涼、春季風沙大的特點，在變頻室的設計時，需要認真考慮以下二個矛盾：一是考慮夏季散熱冬季保暖，二是房間的防塵和通風。其中任何一項不在標準之內都會對變頻極大減少變頻的使用壽命。 （2）結論 結合油田注水系統(tǒng)的能耗狀況，以及高壓變頻在杏南開發(fā)區(qū)注水系統(tǒng)一年的運行表明，注水泵安裝高壓變頻調節(jié)單個注水站運行狀態(tài)的手段，可以實現(xiàn)無節(jié)流調節(jié)，減小泵管壓差，降低泵水單耗。由于變頻調速方式可以大幅度改變注水泵的流量范圍而又能保證其在高效區(qū)工作，因此它可以作為整個系統(tǒng)調控的一個“支點”，與其它注水泵的節(jié)能措施相結合，通過優(yōu)化系統(tǒng)運行方案，達到降低注水系統(tǒng)總能耗的目的。 作者簡介 姚毅立，男，1974年生，助理工程師?，F(xiàn)在大慶油田第五采油廠規(guī)劃設計研究所儀表室從事自動化、計量系統(tǒng)開發(fā)以及高低壓變頻系統(tǒng)應用以及維護工作。通訊地址：大慶第五采油廠規(guī)劃設計研究所，163513。電話：0459-4590711。