目前，在油田注水系統中，進口高壓大功率變頻技術得到了部分應用，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的推廣。在我廠聚北十六注水站應用的國產高壓大功率變頻器，是首次在油田注水系統中應用，通過其在注水管網中的連續運行實踐，該項目達到了預期的節能效果，并且在滿足生產需求方面發揮了較大的作用。 　　一、高壓變頻器結構原理 　?。ㄒ唬┘夹g現狀 　　目前，從國內和國外的變頻器市場上看，高壓變頻器基本應用4種技術（如表1），從表中可以看出，多級串聯電壓型變頻器是目前最為成熟和先進的技術。 　　 　　（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和高壓旁路技術。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側的電流諧波和變頻部分的諧波注入電網，輸入電壓和電流之間沒有相移，可以省掉諧波抑制環節和無功補償裝置，設備功率因數高，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的其他熱備單元，由計算機控制實現無擾動切換。因此，在連續運行的情況時，最多在6個單元損壞的情況下（每相損壞兩個），保證連續工作。 　　 　　 　　 　　 　　高壓變頻器采用單元串聯多電平拓撲結構。由若干個低壓變頻功率單元串聯的方式實現直接高壓輸出,高壓主回路與控制器之間采用光纖連接，保證系統和操作人員安全可靠。 　　 　（三）設備結構 　　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。 　　 ?。ㄋ模┰O備技術參數 　　系統控制器：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 　　功率因數：＞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 　　用戶地網接地電阻：≤4Ω 　　環境溫度：0℃～40℃ 　　環境濕度：＜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 　　允許網側輸入電壓消失時間：≤100mS 　　系統結構方式：模塊化單元式結構 　　人機聯系方式：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 　?。ㄒ唬玫攸c的選擇及現狀 　　通過對三廠注水站生產情況的分析發現，由于注聚管網是隨聚驅區塊逐漸開發，各區塊內部注聚的開始和結束時間又不一致，因此，各區塊的管網沒有完全連網，經常造成運行多余的清水注入基礎井網，既浪費清水又使其它管網壓力升高，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注水站受開發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網，在2003年7月北三東西塊投產后，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）可同時調節兩站清水量。 　　聚北十六注水站于2000年投產，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，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域注水管網。 　　在未使用高壓變頻器之前，該區塊清水管網平均單耗最高達到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冷卻系統，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，高壓變頻器室內未加裝冷卻及通風散熱系統，設備冷卻水管進出口溫差為1℃。 　　2.靈活的系統主接線形式 　　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不變。 　　4.變頻器內置的保護 　　變頻器實現自身過載、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，一是開環控制，即人為設定電機頻率進行控制輸出，正常狀態下不使用。二是閉環控制，即變頻器通過對管網的壓力檢測、優化，自動控制注水泵出口壓力，從而達到消除泵管壓差，調節管網水量，使管網壓力分配更加合理，節約電能，正常生產狀態下采用此方式運行。 　　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計表（表2）中可以看出，高壓變頻器目前運轉正常，設備發熱量正常，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據進行比對分析，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）。 　?。ㄒ唬┍眯y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，通過調節注水泵出口閥門，調節流量，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速，引起流量的變化，注水泵出口閥門處于全開狀態，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，使得該區域管網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中的數據也驗證了這樣的分析判斷。由此證明了高壓變頻器在區塊管網的水量調節作用是明顯的。 　?。ㄈ┠芎姆治? 　　 　　從表6中可以看出，高壓變頻器在本區塊注水管網中應用，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（經現場隨機測試，輸出50Hz下軸功率為1935kW），能耗與管網特性有關，本站單耗隨水量上升而降低。根據變頻器投運后的生產報表統計，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，應用高壓變頻器節能效果較好，運行4個月以來平均水量約為4100m3/d。 　　 　　從區塊內生產報表統計和節能測試，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），區塊平均單耗由未裝變頻前的7.2 kWh/m3降到6.49kWh/m3，區塊整體評價達到了節能的目的。 　　（四）高壓變頻器在注聚管網應用的必要性 　　由于注聚管網具有隨聚驅區塊逐漸開發，各區塊內部注聚的開始和結束時間不一致、調整相對頻繁的特點，在聚驅注水站安裝高壓變頻器具有對整體管網優化調節平衡的作用，這一點在聚北十六注水站得到了較好的印證。 　　與該區塊剛投產時比較，聚北十六及聚北十七所轄區塊月實注相差了10萬方水量，水量波動是比較大的，生產管理上難于控制，能耗高。高壓變頻器投產后，有效的實現了對整個管網的調控功能，生產運行平穩。 　　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，泵出口閘門調節無效，只能向北二區五排基礎井網排放清水，降低泵出口壓力，至10月1日高壓變頻器恢復運行，每天向基礎井網排放清水3200 m3，造成了清水的浪費。在9月29日，由于北二區五排管徑較細（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，只能再啟動站內已經減掉2級的1＃泵，但啟泵后，導致管網末端的18－5注入站注入壓力不夠。 　　以上情況說明，在本區塊內采用注水泵減級，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速，才能實現水量的自動調控、平穩注水和節能降耗的目的。 　　四、經濟效益分析 　　 　　從能耗統計表可以看出，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的調節作用，整個區塊在高壓變頻器運行的一個月內，與未加變頻控制的前一月對比，單耗下降0.71 kWh/m3，按當月區塊總水量34.8×104 m3計算，節約電能折合資金11萬元，由此推算年節約電費約為132萬元。另外，投運高壓變頻器后，無需向基礎井網排放清水，按每天少排放清水2000m3計算，年節約水費250萬元。由于本次數據錄取期注水量較少，因此保守推算投入高壓變頻器后，年節約資金約為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，由注水站統一管理，由于使用站內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計。另外由于變頻器有6個冗余旁路單元，所以在使用期內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塊上可節約資金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、國產高壓變頻器在技術上是成熟的，可以在油田注水系統中推廣應用。 　　2、在水量波動較大或管網不完善且調節余地較小的注水系統中，應用高壓變頻器，不但能夠取得較好的節能效果，而且還能滿足生產上調節水量、避免清水浪費和欠注達到平穩注水的要求。