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1  安裝高壓變頻器的目的及意義
　　注水泵是滿(mǎn)足油田注水，保證地層壓力的源設備，隨著(zhù)油田開(kāi)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%、注水電費占總電費的16%，并呈逐年顯上升趨勢。在高壓注水系統中，高壓電機中大馬拉小車(chē)的現象比較普遍，注水泵泵壓與注水管線(xiàn)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(mén)來(lái)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，對機泵的運行，管道的使用十分不利。安裝高壓變頻調速裝置后，依據注水管網(wǎng)需要的壓力進(jìn)行參數設定，自動(dòng)調節注水量，既可節約大量的電能又能降低機泵的損耗，對降低生產(chǎn)成本有著(zhù)十分積極的意義。
　　遼河新三聯(lián)注水站投運一臺型號為DFJ200-170AX11的注水泵，匹配電機型號為YB1800S2-2的6KV/1800KW異步電動(dòng)機，采用直接驅動(dòng)方式控制，離心泵流量通過(guò)控制出口閥門(mén)的開(kāi)度進(jìn)行調節，造成大量節流損失， 離心泵及電動(dòng)機運行在低效率工作區，能源浪費嚴重。目前月注水流量為183210m3, 夏秋季節注水量相應降低，運行中離心泵實(shí)際泵壓為16.5MPa，注水管網(wǎng)實(shí)際運行壓力為12.5MPa，由于多泵注水實(shí)施并網(wǎng)運行，當注水管網(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(wú)法滿(mǎn)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。為此注水電機運行時(shí)必須靠調節離心泵出口高壓回流閥門(mén)來(lái)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)干壓平均壓差達到4 MPa以上，造成了大量的電能浪費。
　　通過(guò)綜合調研和考慮，我們選用了山東新風(fēng)光電子公司JD-BP37-1800F型號的高壓變頻器，通過(guò)應用，該變頻器有安全性能好，可靠性高，設計合理，易損件壽命長(cháng)，啟動(dòng)性能好，降耗效果明顯，安裝、維護和保養都比較方便。
2、高壓變頻器的原理

　　JD-BP37系列高壓變頻調速系統的結構見(jiàn)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)構成一相。
2.1功率單元電路

　　每個(gè)功率單元結構上完全一致，可以互換，其電路結構見(jiàn)圖3.2，為基本的交-直-交單相逆變電路，整流側為六支二極管實(shí)現三相全橋整流，通過(guò)對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，這不但調試、維修方便，而且備份也十分經(jīng)濟，假如某一單元發(fā)生故障，該單元的輸出端能自動(dòng)短路而整機可以暫時(shí)降額工作，直到緩慢停止運行。
2.2 輸入側結構
　　輸入側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°，構成18脈沖整流方式；這種多級移相疊加的整流方式可以大大改善網(wǎng)側的電流波形，使其負載下的網(wǎng)側功率因數接近1，輸入電流諧波成分低。實(shí)測輸入電流總諧波成分小于5%。由于變壓器副邊繞組的獨立性，使每個(gè)功率單元的主回路相對獨立，類(lèi)似常規低壓變頻器，便于采用現有的成熟技術(shù)。
2.3 控制器
　　控制器核心由高速16位單片機和工控PC機協(xié)同運算來(lái)實(shí)現，精心設計的算法可以保證電機達到較優(yōu)的運行性能。工控PC提供友好的全中文WINDOWS監控和操作界面，同時(shí)可以實(shí)現遠程監控和網(wǎng)絡(luò )化控制。控制器用于柜體內開(kāi)關(guān)信號的邏輯處理，以及與現場(chǎng)各種操作信號和狀態(tài)信號的協(xié)調，增強了系統的靈活性。
　　控制器及各控制單元板中采用8位單片機等大規模集成電路和表面焊接技術(shù)，系統具有極高的可靠性。此外還有一個(gè)CPU，也是8位單片機，負責管理LED顯示屏和鍵盤(pán)。
　　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)獨立于高壓系統的統一控制器，方便調試、維修、現場(chǎng)培訓，增強了系統的可靠性。
2.4  控制電源
　　控制器有一套獨立于高壓電源的供電體系，在不加高壓的情況下，設備各點(diǎn)的波形與加高壓情況基本相似，給整機可靠性、調試、培訓帶來(lái)了很大方便。

3、現場(chǎng)情況和節能效果統計
　　針對現場(chǎng)存在的問(wèn)題，系統優(yōu)化改造主要需解決兩方面的問(wèn)題：第一，在滿(mǎn)足系統配注水量的基礎上盡可能減少排量損失；第二，在滿(mǎn)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。系統優(yōu)化擬從動(dòng)能和勢能兩方面同時(shí)入手，盡可能降低能耗、提高系統效率。
3.1  現場(chǎng)的系統構成

　　系統閉環(huán)控制過(guò)程如下：由智能傳感器對各運行注水泵進(jìn)行實(shí)時(shí)數據監控和處理，即采集和傳輸注水泵、站的運行參數，如：泵的排量Q單、電機電流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（Q單、I、P泵，P干、Q總、）與其期望值及泵本身的特性曲線(xiàn)進(jìn)行對比和優(yōu)化計算。其中，注水站干壓和總流量是系統所需監測和控制的兩個(gè)最主要參數。本系統中，一方面在泵出口管線(xiàn)上安裝一只高可靠性壓力傳感器，將實(shí)測的壓力信號與系統的配注壓力（期望值）相比，并將其差值送往過(guò)程參數調節器（PID）進(jìn)行比例和積分運算，最后將輸出結果送給可編程控制器（PLC）；另一方面在泵入口管線(xiàn)上安裝一只流量計，用于監測系統實(shí)際總流量，將該值與系統配注量的差值再進(jìn)行一次PID整定，最后將輸出結果送給PLC。PLC根據所接收的兩個(gè)PID整定信號，利用模糊推理的方法，在滿(mǎn)足系統干壓的前提下，系統及時(shí)自動(dòng)調整高壓變頻器的輸出頻率從而控制變頻泵的轉速。由離心泵原理知，泵轉速的變化可引起相應的排量變化，通過(guò)頻率的變化以達到期望的排量值。通過(guò)上述閉環(huán)控制，使系統的實(shí)際壓力和排量與系統的配注壓力和配注量相接近。系統設計為閉環(huán)控制系統，流量和壓力為系統的兩個(gè)主要參數，將系統實(shí)測的流量和壓力信號與地質(zhì)要求的流量和壓力（期望值）進(jìn)行雙PID調節；通過(guò)模糊推理的方法自動(dòng)尋優(yōu)控制，根據推理結果，系統及時(shí)自動(dòng)調整高壓變頻器的輸出，并自動(dòng)計算出變頻器的較佳運行頻率。
3.2  節電效果分析
3.2.1  由功率和轉速的立方成比例：
　　p1/p2 μ（n1/n2）3　　　　　　　（其中，n為機泵轉速，p為輸出功率）
　　可知，泵的功率變化與轉速的三次方成正比，也就是說(shuō)，當泵的轉速下降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。而變頻調速正式通過(guò)變頻器改變電源的頻率來(lái)控制泵的轉速，這充分說(shuō)明變頻調速是節能的較好方法。
3.2.2系統效率提高，單耗降低
　　系統通過(guò)高壓變頻裝置改造后，使各泵在有效區運行的前提下滿(mǎn)足系統的注水量，有效提高了系統效率，降低系統單耗。據分析計算，系統改造后可實(shí)現注水單耗平均降低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，則一年可以節約電費為：
　　4100?365?0.3?0.5=22.4萬(wàn)元（人民幣）
3.2.3 調整多余水量，節約電能
　　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）。對該站實(shí)施高壓變頻改造，可根據站外要求的水量靈活調整站內泵的運行，使之在滿(mǎn)足系統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。
　　當要求注3600 m3/d水時(shí)，泵的能力大于要求的水量，將多注1500m3/d；當要求注5500 m3/d時(shí)，開(kāi)1臺泵水量不夠，開(kāi)2臺泵將多注2220 m3/d水，都將造成水源和電能的浪費。根據以上數據及站內運行情況推算，為滿(mǎn)足配注量，每天平均多注水1600 m3/d，系統單耗為7.1 kW/h，按每度電電費為0.5元計，改造前每年約有150天水量處于不匹配狀態(tài)，則通過(guò)高壓變頻調節后年節電費為：
　　1600X150X7.1X0.5=85.2萬(wàn)元（人民幣）
3.3 實(shí)際節電效果
　　該變頻器于2004年8月在新三聯(lián)2#注水電機安裝正式運行，使用變頻器前后的耗電情況統計見(jiàn)下表：

　　由表1，表2可以看出，2#注水泵電機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)際的節電率與計算值有所不同，但根據現場(chǎng)的運行情況來(lái)看，不會(huì )有太大的出入，總體的節電效果不會(huì )改變的。
4 結束語(yǔ)
　　綜上所述，JD-BP37序列高壓變頻器運行平穩，性能可靠，簡(jiǎn)便實(shí)用，節電效果明顯，改善了工作人員的工作環(huán)境，啟動(dòng)無(wú)沖擊電流，大大降低了維修費用提高了機組的使用壽命，安裝使用后明顯帶來(lái)了比較顯著(zhù)的經(jīng)濟效益，使用表明，JD-BP37系列高壓變頻器具有巨大的推廣應用價(jià)值。