油田注水是中國很多油田保持高產(chǎn)穩產(chǎn)的重要有效措施。其方法就是把地層中散布的油集中到油井，再提取上來(lái)。由于大慶油田屬于斷裂區塊油田，每個(gè)區塊注水范圍小，注水量隨開(kāi)采狀況的變化，需要經(jīng)常調整，大部分注水站都存在額定流量與實(shí)際流量不相匹配的問(wèn)題。而油田注水由于壓力高、水量大，注水電機大多是大功率電動(dòng)機，電動(dòng)機長(cháng)期處于高耗能狀態(tài)運行，采用高壓變頻調速裝置對油田注水泵用電動(dòng)機實(shí)行變轉速調節，實(shí)現注水泵變水量控制是一項非常有效的節能措施。

　　大慶油田采油某廠(chǎng)注水站的1250kW兩臺水泵主要用于油田注水，原來(lái)采用星三角啟動(dòng)方式，工頻控制，水流量由閥門(mén)調節?，F采用深圳英威騰電氣股份有限公司的自主研發(fā)、生產(chǎn)的多單元串聯(lián)的高─高形式的CHH100系列高壓變頻器，在注水泵配置的電動(dòng)機安裝高壓變頻器, 進(jìn)行變頻節能改造，都取得良好的節能效果，下面對改造情況作

2.英威騰CHH系列高壓變頻器技術(shù)特點(diǎn)

　　深圳市英威騰電氣股份有限公司，提供的CHH100系列變頻器除了具有一般廠(chǎng)家的高壓變頻器功能外，還有以下幾方面的特點(diǎn)。

　　1）具有較強的功能，能夠滿(mǎn)足不同工況

　　CHH100系列高壓變頻器采用DSP系統與可編程系統巧妙的結合，控制系統高度集成化，設備器件主要采用進(jìn)口器件，完成了比一般高壓變頻器的功能，具有300多個(gè)功能碼，可以對啟動(dòng)特性、運行模式等功能根據現場(chǎng)工況進(jìn)行不同設定。CHH100系列高壓變頻器具有標準的RS485接口，可以通過(guò)RS485通訊接口（采用標準通信協(xié)議）與DCS進(jìn)行連接，也可以通過(guò)硬接線(xiàn)的方式與DCS系統進(jìn)行連接。多種接口方式選擇可以DCS系統很方便的對變頻調速系統進(jìn)行監控。也可以進(jìn)行不同參數設置，滿(mǎn)足現場(chǎng)其它各種不同工況。

　　2）全面的保護功能

　　CHH100系列變頻器的功率單元自身就有多達11種的故障保護;主控系統采用DSP+PFGA巧妙配合，電氣部分對輸出電壓、輸出電流、輸入電壓、輸入電流都有全面檢測，對變頻器電源及電機都有過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)載、欠壓、溫度等具有多達二十幾種超強綜合保護功能，并且重要的保護定值可以根據現場(chǎng)不同的工況進(jìn)行參數設定。內置雷擊過(guò)流保護裝置，有效提高設備保護功能和系統保護功能，完全能夠保證電源及電機的安全運行。

　　3）全面的參數記錄

　　CHH100系列高壓變頻器顯示多項運行參數過(guò)過(guò)程變量，包括每個(gè)模塊的溫度、母線(xiàn)電壓都有檢測與顯示。具有故障、事故顯示、記錄功能，具有自診斷功能，所在信息可以通過(guò)通訊上傳至DCS系統，異常時(shí)對變頻器的狀態(tài)都有全面的記錄，以便現場(chǎng)人員更準確、更快捷地解決問(wèn)題。

　　4）最大的電壓、電流冗余量設計

　　深圳市英威騰電氣股份有限公司生產(chǎn)的CHH100系列高壓變頻器，以安全、可靠、使用壽命長(cháng)為首要設計原則，采用1700V高壓IGBT，9級或6級串聯(lián)，電壓裕量為2.0倍左右。功率器件電壓安全設計冗余量較高。

　　5）電機轉速自動(dòng)跟蹤功能

　　CHH100系列高壓變頻器在主電源母線(xiàn)切換（10秒內）過(guò)程中，變頻器能夠自動(dòng)跟蹤電機的轉速，當主電源恢復后變頻器自動(dòng)運行起來(lái)，保證了機組安全可靠運行。

　　6）功率模塊自動(dòng)旁路技術(shù)

　　模塊自動(dòng)旁路技術(shù)提高了系統的穩定性，CHH100系列高壓變頻器采用功率模塊自動(dòng)旁路技術(shù)，可在1ms內旁路故障模塊，變頻器降額并可長(cháng)期運行，等適當時(shí)候停機處理。

　　7）良好的電壓波動(dòng)適應能力

　　CHH100系列高壓變頻器對電網(wǎng)電壓在±15%范圍內波動(dòng)，變頻器能滿(mǎn)載輸出;電網(wǎng)電壓短時(shí)（30秒）下降至額定電壓的65%時(shí)，可繼續降額運行，不進(jìn)行保護。

　　8）最有效的電磁干擾解決方案

　　深圳市英威騰電氣股份有限公司生產(chǎn)的CHH100系列高壓變頻器在模塊設計上，獨家采用后進(jìn)線(xiàn)、前出線(xiàn)設計方案;結構方面和電氣方面全面考慮電磁抗干擾措施，尤其是核心的控制板件，最有效保證變頻器的可靠運行。

　　9）合理的散熱系統

　　功率采用獨立的散熱風(fēng)道，系統集中散熱的方式，散熱性能良好，滿(mǎn)載長(cháng)時(shí)間運行溫升不超過(guò)25℃，良好的散熱系統可以確保變頻裝置的高可靠性，并延長(cháng)變頻裝置內部的器件使用壽命。

　　10）模塊化設計

　　CHH100系列變頻器，遵循模塊化設計理念，功率單元采用模塊化結構，各個(gè)相同的功率單元的結構、配置完全相同，可以非常方便的互換，從而利于生產(chǎn)的標準化，以及維修的標準化。

　　11）最簡(jiǎn)潔操作、最快捷維護

　　深圳市英威騰電氣股份有限公司生產(chǎn)的CHH100系列高壓變頻器具有人性化的接口設計、界面簡(jiǎn)潔清晰;操作方便，采用抽屜式模塊設計，更換模塊僅需5分鐘;濾網(wǎng)更換方便、快捷。

3.改造項目介紹

　　1. 注水泵技術(shù)參數表

　　2.現有控制流量方式

　　常規情況下油田高壓注水采用閘板閥門(mén)控制來(lái)調節流量和壓力。根據工藝要求，不允許長(cháng)時(shí)間小排量運行，否則泵內溫度升高造成汽蝕和機件燒毀等問(wèn)題，過(guò)去被迫采用大回流方法降低溫升，造成電力的大量消耗，給油田造成了大量的能源損失。

　　在原設計系統工況中，用兩臺D（F）250-150注水泵進(jìn)行系統注水。在未進(jìn)行變頻調速改造中，該工況的注水系統能耗損失主要在控制閥節流上。通過(guò)分析，只有通過(guò)結合配注量，降低水壓，減少各注水井的閥門(mén)控制壓差，才能達到節能降耗的目的。

4.注水泵變頻調速的節能原理

　　注水泵是典型的變轉矩負載。變轉矩負載的特性是轉矩隨速度的上升而上升。注水泵的電動(dòng)機的軸功率P與其流量Q，揚程H之間的關(guān)系式如下：

　　P∝Q×H （1）

　　當流量Q1由變化到Q2時(shí)，電動(dòng)機的轉速為N1、N2，此時(shí)Q、H、P相對于轉速的關(guān)系如下：

　　Q2=Q1×（N2/N1）

　　H2=H1×（N2/N1）² 

　　P2=P1×（N2/N1）³

　　由式（1）和式（2）可以看出，水泵的電動(dòng)機的軸功率（功率輸出）與轉速的3次方成正比，而轉矩與轉速的2次方成正比。所以當需要80%的額定流量時(shí)，通過(guò)調節電機的轉速至額定轉速的80%，即調節頻率到40Hz即可，這時(shí)所需功率將僅為原來(lái)的51.2%，系統工作點(diǎn)變化如下圖所示：

變頻調速工作點(diǎn)示意圖

　　從上圖的特性示意圖來(lái)分析，采用變頻調速的節能效果。在額定情況下，系統工作在A(yíng)點(diǎn)，當所需流量從Q1減小到Q2時(shí)，如果工頻運行，流量減小，系統壓力將增加，系統將工作在B點(diǎn)。如果水泵采用變頻器進(jìn)行調節，在系統壓力滿(mǎn)足要求時(shí)，系統將在C點(diǎn)運行，C點(diǎn)對應的X軸、Y軸的面積與B點(diǎn)對應的X軸、Y軸的面積之比即使變頻消耗的功率與工頻消耗的功率之比，同時(shí)還需考慮系統其它損耗。從圖2、3中可以看出，在低速時(shí)，功率會(huì )有很大的下降。由于注水泵運行于額定轉速以上是恒功率調速，此時(shí)注水泵效率很低，機械磨損大，容易損壞電機。從理論上講，速度降低10%時(shí)會(huì )帶來(lái)30%左右的功率下降，由于功率的大幅度降低，可獲得顯著(zhù)的節能效果。

5.注水泵系統的變頻器方案

　　油田注水泵系統中有兩臺水泵長(cháng)期運行，主要用于1250kW的水泵注水;因此所用的高壓變頻器可對注水泵進(jìn)行一拖二的控制。

　　1.系統原理說(shuō)明

　　由于注水泵的實(shí)際流量比泵的額定流量小，因此節電潛力較大。系統中注水泵的注水控制是由變頻器通過(guò)變送器的回饋壓力值，與事先預設在變頻器中的壓力值進(jìn)行比較，變頻器中的PID調節器自動(dòng)根據差值進(jìn)行運算調節控制變頻器變頻調速運行;同時(shí)，變頻器的運行參數通過(guò)內部計算機接口和通訊協(xié)議傳輸至計算機工作站;在計算機上可以隨時(shí)檢測和控制系統運行壓力、電動(dòng)機轉速、輸入/輸出電壓、輸入/輸出電流等參數，達到系統自動(dòng)節能運行的目的。

　　高壓變頻器內設了自動(dòng)運行和工頻降壓?jiǎn)?dòng)運行兩種運行方式，實(shí)現了自動(dòng)和手動(dòng)控制相結合的目的。

　　2.高壓變頻器系統與原有控制系統的比較

　　1）采用變頻控制方式，其操作方便，無(wú)須手動(dòng)調節進(jìn)水閥門(mén)，極大的減輕了工人的勞動(dòng)強度，提高了工作效率。

　　2）啟動(dòng)噪音低，在啟動(dòng)過(guò)程中電機從低頻開(kāi)始緩慢加速，經(jīng)20秒后達到設定頻率，由于啟動(dòng)電流很小，減小了對電網(wǎng)的沖擊，保護了用電設備，延長(cháng)了電動(dòng)機的使用壽命，提高了電機的效率，節約維修成本。

　　3）系統采用一拖二控制方式，采用壓力變送器反饋電流信號（4—20mA）至變頻器中央處理器（CPU）,經(jīng)PID控制組成閉環(huán)控制系統。其輸出頻率的大小由作用處理器控制，使電機的轉速自動(dòng)增加或降低;當壓力超過(guò)設定的目標值時(shí)即（>5%）其中第一臺電機轉為工頻運行，變頻器啟動(dòng)第二臺電機變頻運行，保持水壓恒定。這樣不但減小了電動(dòng)機的無(wú)功功率，而且提高了水泵的工作效率，節約了能源。

　　4）普通的工頻控制方式（原有的控制方式）則不能實(shí)現這樣的目的，其啟動(dòng)和停止需要人操作，還需要調節進(jìn)水的閥門(mén)開(kāi)關(guān)來(lái)滿(mǎn)足工況要求，即費時(shí)又費力，且容易出現操作失誤，造成不必要的損失。工頻運行控制方式的電機的轉速是不可調節的，并且啟動(dòng)電流大，當供水壓力超過(guò)所需的壓力值時(shí)需人工調節進(jìn)水閥門(mén)的大小來(lái)滿(mǎn)足供水壓力。這時(shí)電機仍以滿(mǎn)負荷運行，多余的功率就消耗在閥門(mén)上，能源浪費很大。

6.應用高壓變頻器后的效果分析

　　1. 系統使用高壓變頻器后的節能

　　1）考慮管網(wǎng)阻力損失等因素的影響，理論上綜合平均節能值在30%以上。

　　2）按照節能30%計算，每天運行24個(gè)小時(shí)。則每天電動(dòng)機的節能電度數為：

　　按照0.5元/kWh計算，每天節約的電費為：1250KW×0.85×30%×24H×0. 50元/天=3825元/天

　　若每月運行30天，則月節電費為： 3825元/天×30天=114750元/月

　　若每年運行12個(gè)月，則年節電費為： 114750元/月×12月=1377000元/年

　　2. 采用變頻器是實(shí)現變水量控制節能的最有效措施

　　從以上實(shí)際工況中分析，采用變頻調速的方式來(lái)滿(mǎn)足生產(chǎn)的需要，使得注水泵既可大流量，也可小流量，既可高壓力，也可低壓力運行?？梢杂脡毫﹂]環(huán)或流量閉環(huán)控制注水的壓力或流量，在注入站工況改變時(shí)，變頻器可以使注水泵自動(dòng)調節注水壓力或流量。此時(shí)，泵的出口閥門(mén)全開(kāi)，使泵的壓差減至為零。這樣，既節約了電能，又減少了閥門(mén)的維護量。還提高了系統的自動(dòng)化水平，降低了系統的噪音，改善了工作的環(huán)境，減輕了工人的勞動(dòng)強度。采用變頻調速來(lái)獲得實(shí)際需要的水流量，不但節約了電能，提高系統自動(dòng)化運行程度;變頻器自動(dòng)根據需求量調節轉速，而且平滑穩定，減少了人員的勞動(dòng)強度;水泵的運行參數得以改進(jìn)，系統效率大為提高。

7.結束語(yǔ)

　　綜上所述 ,采用變頻控制方式調速是現代工礦企業(yè)節能降耗的必然趨勢，有利于提高企業(yè)的經(jīng)濟效益，自動(dòng)運行時(shí)節能可達30%以上。通過(guò)對注水泵系統的變頻調速的技術(shù)改造，經(jīng)過(guò)較長(cháng)時(shí)間的運行檢驗，證明該產(chǎn)品性能可靠、功能齊全、技術(shù)先進(jìn)，說(shuō)明國內自主開(kāi)發(fā)的高壓變頻器在技術(shù)上已經(jīng)處于世界先進(jìn)水平。由于IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器無(wú)輸入輸出變壓器、體積小、性?xún)r(jià)比高、綜合性能好等方面均超過(guò)了國內外其它產(chǎn)品，是新一代高性能高壓變頻產(chǎn)品的代表，為高壓變頻調速技術(shù)在油田其它工序的技術(shù)改造提供了一條可行的途徑，在高壓變頻改造領(lǐng)域具有極大的推廣價(jià)值。

本文摘自中國傳動(dòng)網(wǎng)