摘 要： 本文對高壓變頻工作原理進(jìn)行了簡要闡述。根據(jù)杏南開發(fā)區(qū)注水系統(tǒng)的實(shí)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(jī)泵，實(shí)現(xiàn)注水量的無節(jié)流調(diào)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(jìn)行參數(shù)設(shè)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(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)，評價(jià)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(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)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(shí)還可以作為一種技術(shù)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(jì)效益 評價(jià) 1 高壓變頻應(yīng)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(chǔ)井855口，調(diào)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(shí)際狀況，除了存在正常注水與測試、洗井、鉆關(guān)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(yùn)行工況十分復(fù)雜。為了適應(yīng)注水量的波動，只能通過調(diào)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(dāng)大的能量浪費(fèi)在閥門上，從而導(dǎo)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(diào)查結(jié)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(gè)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(jī)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(gè)注水系統(tǒng)影響較大，在這里安裝高壓變頻，可以實(shí)現(xiàn)泵的無節(jié)流調(diào)節(jié)，降低泵管壓差，而且可以利用高壓變頻調(diào)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(yīng)用與節(jié)能原理 （1）高壓變頻應(yīng)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(fēng)冷散熱，滿負(fù)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(jìn)線側(cè)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(jī)或電源產(chǎn)生諧波影響。逆變側(cè)采用SGCT（帶集成門極驅(qū)動器的可關(guān)斷晶閘管）作為功率元件，與傳統(tǒng)的功率元件相比，開關(guān)頻率更高，提高了變頻器性能和性價(jià)比，減小了變頻器體積。變頻器采用了PowerCage設(shè)計(jì)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(jìn)的散熱器設(shè)計(jì)，確保了高效的熱傳遞且降低了熱損傷，使得維護(hù)更加便捷。 杏五注水站兩臺注水泵采用一用一備的運(yùn)行方案.電力主回路如圖1所示，變頻采用單電源一拖二結(jié)構(gòu)，任何時(shí)候只能有一臺電機(jī)由變頻拖動，另一臺為備用狀態(tài)或工頻運(yùn)行。工頻與變頻切換采用手動的方式，變頻器采用就地和遠(yuǎn)程兩種啟動和調(diào)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(diào)節(jié)通常采用改變泵出口閥門開度的方式，實(shí)質(zhì)是改變管路特性曲線的位置來改變泵的工作點(diǎn)，如圖2所示，這種方式存在較嚴(yán)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(dāng)注水泵采用工頻運(yùn)行時(shí)，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(dāng)按照需要流量Q2固定閥開度后，泵的工況點(diǎn)由A沿著H-Q（g）左移到B點(diǎn)，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(diǎn)時(shí)，泵效為。 變頻調(diào)速不改變管網(wǎng)特性曲線，而是通過調(diào)整泵的轉(zhuǎn)速改變流量，油田注水泵應(yīng)用的變頻調(diào)速一般都是通過降低電源的供電頻率實(shí)現(xiàn)調(diào)速，所以變頻調(diào)速基本都是使泵在低于額定轉(zhuǎn)速下的調(diào)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(diào)節(jié)的情況下,電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)低，使流量Q2相交于泵特性曲線H-Q（f）于C。顯然，此時(shí)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(yùn)行轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)與變頻調(diào)節(jié)的功率比較由電動機(jī)軸功率計(jì)算公式： 出口閥節(jié)流調(diào)節(jié)時(shí)電動機(jī)輸入功率: 變頻調(diào)節(jié)時(shí)電動機(jī)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(yáng)程（m）; H[sub]c[/sub]:變頻狀態(tài)泵揚(yáng)程（m）; η[sub]2[/sub]:閘閥節(jié)流泵效; η[sub]1[/sub]:變頻調(diào)速泵效; 式（1） -式（2）: ，由此可得相同流量條件下，單泵變頻調(diào)速控制流量較工頻下閘閥節(jié)流調(diào)節(jié)減少了功率消耗的定論。顯然，變頻調(diào)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(yùn)行，從而減少了電動機(jī)輸入功率。從圖3中可以看出,使用變頻調(diào)節(jié)后,在其它站的閥門開度不變的情況下,注水量減少Q(mào)2-Q1,但是可以通過開大其它注水泵的出口閥門的方法彌補(bǔ)因變頻調(diào)速時(shí)減少的水量,達(dá)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(jìn)一步分析變頻調(diào)速在各種情況下對離心泵運(yùn)行功率的影響。由于工頻狀態(tài)下閘閥節(jié)流調(diào)節(jié)均使管網(wǎng)特性曲線由額定工況點(diǎn)A左移，因此可以得出閘閥節(jié)流調(diào)節(jié)均存在泵排出閥壓頭 永遠(yuǎn)大于 ，而變頻調(diào)速時(shí)泵的工況點(diǎn)均在管網(wǎng)工作特性曲線上A下面的各點(diǎn)，所以總是存在 H[sub]b[/sub]＞H[sub]c[/sub]，又由于變頻調(diào)速不改變管網(wǎng)特性，所以變頻調(diào)速均使泵工作在高效區(qū)，即在變頻器正常調(diào)節(jié)范圍內(nèi)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(diào)速在相同排量下均較閘閥節(jié)流調(diào)節(jié)節(jié)能。 3 高壓變頻應(yīng)用情況 （1）變頻運(yùn)行前后杏五注運(yùn)行效果分析 [align=center]表1 杏五注水站變頻運(yùn)行前后數(shù)據(jù) [/align] 表1是杏五注變頻運(yùn)行前后對比數(shù)據(jù)表，結(jié)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(jì)。杏五注水站日節(jié)電P1=0.88×8900=7832kWh。 （2）變頻運(yùn)行前后杏南開發(fā)區(qū)注水系統(tǒng)運(yùn)行效果分析 表2為杏五注高壓變頻運(yùn)行前后杏南開發(fā)區(qū)注水系統(tǒng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)對比，結(jié)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(yùn)行參數(shù)均未作任何調(diào)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(jì)，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(yùn)行前后杏南開發(fā)區(qū)注水系統(tǒng)生產(chǎn)數(shù)據(jù) [/align] （3）變頻器運(yùn)行前后，杏五注單站注水量變化運(yùn)行效果分析。 [align=center]表3杏五注水站2006年9月-2006年11月生產(chǎn)數(shù)據(jù) [/align] 加寬了變頻對注水泵調(diào)節(jié)范圍，在注水泵低于實(shí)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(guān)影響，要求杏五注注水量控制在5000 m3/d左右。D300泵正常運(yùn)行時(shí)，日注水量應(yīng)在8500 m3左右，如果沒有采用變頻調(diào)速，只能通過打回流或者憋壓運(yùn)行，導(dǎo)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(yùn)行的泵水單耗與9月工頻運(yùn)行時(shí)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(shí)際流量的可調(diào)節(jié)范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于理論可調(diào)節(jié)的流量。主要原因是變頻進(jìn)行流量調(diào)節(jié)時(shí)，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(nèi)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(dǎo)致泵出口水量減少，單耗略有上升，但與注水泵工頻運(yùn)行時(shí)相同流量下的單耗仍要低很多。 4 經(jīng)濟(jì)效益評價(jià) 從表1和表2可以看出，采用變頻調(diào)速后，杏五注以及杏南開發(fā)區(qū)的節(jié)電效益計(jì)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(jì)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(chǎn)生的節(jié)電效益。也就是高壓變頻對注水系統(tǒng)貢獻(xiàn)值。 目前，新建一臺高壓變頻（2200kW）變頻器的價(jià)格也在350萬元（杏五注高壓變頻為230），高壓變頻運(yùn)行年限以10年計(jì)算，一次性建設(shè)費(fèi)用投資回收期為1.6年。系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用以每3萬元計(jì)。合計(jì)支出380萬元。投資在回報(bào)率490%以上。 5 認(rèn)識與結(jié)論 （1）幾點(diǎn)認(rèn)識 ①注水泵變頻調(diào)速是降低注水能耗實(shí)現(xiàn)注水系統(tǒng)生產(chǎn)優(yōu)化運(yùn)行的重要技術(shù)手段。 注水泵采用變頻調(diào)速后，具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：一是注水機(jī)泵實(shí)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(diào)節(jié)范圍，注水量可以調(diào)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(jī)泵對生產(chǎn)工藝參數(shù)的響應(yīng)速度。電機(jī)實(shí)現(xiàn)了軟啟動、軟停運(yùn)，減少了啟泵時(shí)強(qiáng)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(jī)轉(zhuǎn)速降低、延長了機(jī)泵的使用壽命和維修周期，提高注水時(shí)率。 ②自主開發(fā)高壓變頻調(diào)速的控制系統(tǒng)，進(jìn)一步全面掌握變頻器的維護(hù)技術(shù)，是變頻裝置提高運(yùn)行時(shí)率和長期可靠運(yùn)行的保障。 高壓變頻系統(tǒng)開發(fā)調(diào)試涉及專業(yè)技術(shù)知識較多，包括電機(jī)的二次保護(hù)、變頻技術(shù)、可編程控制技術(shù)、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(guān)專業(yè)技術(shù)人員共同合作完成系統(tǒng)的開發(fā)。當(dāng)廠家硬件、軟件完成調(diào)試，交付生產(chǎn)單位使用過程中出現(xiàn)故障，我們的技術(shù)人員就會因?yàn)閷I(yè)知識的限制，無法對故障進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，影響正常生產(chǎn)運(yùn)行。在可能條件下，對于引進(jìn)類似大功率高壓變頻這樣的設(shè)備，技術(shù)人員一定要掌握核心的技術(shù)，這樣才能為以后的維護(hù)和系統(tǒng)改造創(chuàng)造有利的條件，進(jìn)一步發(fā)揮設(shè)備的效能。 ③ 適宜的工作環(huán)境是高壓變頻能否長期運(yùn)行的先決條件。 大功率高壓變頻是精密的電力電子設(shè)備，對運(yùn)行和存放條件都有嚴(yán)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(fēng)沙大的特點(diǎn)，在變頻室的設(shè)計(jì)時(shí)，需要認(rèn)真考慮以下二個(gè)矛盾：一是考慮夏季散熱冬季保暖，二是房間的防塵和通風(fēng)。其中任何一項(xiàng)不在標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)都會對變頻極大減少變頻的使用壽命。 （2）結(jié)論 結(jié)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(yùn)行表明，注水泵安裝高壓變頻調(diào)節(jié)單個(gè)注水站運(yùn)行狀態(tài)的手段，可以實(shí)現(xiàn)無節(jié)流調(diào)節(jié)，減小泵管壓差，降低泵水單耗。由于變頻調(diào)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(gè)系統(tǒng)調(diào)控的一個(gè)“支點(diǎn)”，與其它注水泵的節(jié)能措施相結(jié)合，通過優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行方案，達(dá)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。現(xiàn)在大慶油田第五采油廠規(guī)劃設(shè)計(jì)研究所儀表室從事自動化、計(jì)量系統(tǒng)開發(fā)以及高低壓變頻系統(tǒng)應(yīng)用以及維護(hù)工作。通訊地址：大慶第五采油廠規(guī)劃設(shè)計(jì)研究所，163513。電話：0459-4590711。