大庆油田有限责任公司第六采油厂
喇400注水站高压变频器改造
作者：朱同德（北京中油亚光自动化技术有限公司总经理）
一．喇400注水站概况
喇400注水站是我厂北西块聚驱注水站，于2000年11月建成投产，设计规模为2.88´104m3/d，共有157口聚合物注水井。该站现分为注曝氧污水和清水两套流程，站内共有5台泵（型号相同），其中1#、2#泵用于注曝氧污水，3#、4#、5#泵用于注清水。周围辐射有8个注入站，其中，5#、6#、7#为污水稀释聚合物注入站，目前日配注量为5129 m3/d； 1#、2#、3#、4#、8#为清水稀释聚合物注入站，日配注量为8683 m3/d。该站于2005年底注聚结束。站内各泵及配套电机参数如表一和表二所示。
表一：喇400注水站注水泵型号及参数
|
名称 |
型号 |
额定排量 |
额定扬程 |
额定功率 |
效率 |
|
注水泵 |
DF300-150´10 |
300 m3/h |
1790m |
1904 kW |
76.5% |
表二：喇400注水站配套电机型号及参数
|
名称 |
型号 |
额定电压 |
额定电流 |
额定功率 |
额定转速 |
|
配套电机 |
YKOS 2240-2 |
6300 V |
236 A |
2240 kW |
2986 n/min |
5台泵中1#、2#泵用于注污水，平常只运行一台泵，另一台泵备用，由1#、2#倒换工作。周边辐射有三个注入站，分别为5#、6#、7#注入站。该系统平面图如图一所示。
图一 注污水泵站及注入站平面图
以2003年5月20日~2003年6月20日一个月间污水区块的工作数据为例，该区块在此期间的生产曲线如图二所示。
图二 注污水区块2003年5月20日至6月20日生产曲线
污水区块配注量为5129 m3/d，泵排量变化范围为6410~7498 m3/d，平均为7131m3/d；注入站（5#、6#、7#注入站）注水量变化范围4302~4788 m3/d，平均为4707m3/d；回流量变化范围1708~2827 m3/d，平均为2424m3/d，回流水量进入普通污水注水管网。
泵出口压力变化范围15.7~17.9MPa，平均泵压为17.33 MPa；管压变化范围14.9~16.3MPa，平均管压为16.17MPa；泵管压差范围为0.3~1.6MPa，平均为1.16 MPa；注水单耗变化范围5.60~6.90 kWh/m3，平均单耗为6.18kWh/m3。
3#、4#、5#泵用于注清水，平常只运行一台泵，另两台泵备用，由3#、4#、5#倒换工作。周边辐射有五个注入站，分别为1#、2#、3#、4#、8#注入站。该系统平面图如图三所示。
图三 注清水泵站及注入站平面图
以2003年5月20日~2003年6月20日一个月间清水区块的工作数据为例，该区块在此期间的生产曲线如图四所示。
图四 注清水区块2003年5月20日至6月20日生产曲线
清水区块配注量为8683 m3/d，泵排量变化范围6830~8431 m3/d，平均为8123m3/d，与注入站（5#、6#、7#注入站）注水量基本匹配。
泵出口压力变化范围14.7~15.5MPa，平均泵压为15.53 MPa；管压变化范围14.1~15.1MPa，平均管压为14.9MPa；泵管压差变化范围为0.4~0.9 MPa，平均为0.63 MPa；注水单耗变化范围5.40~5.90 kWh/m3，平均单耗为5.70kWh/m3。
4. 喇400注水站技术改造的必要性
根据北西块注水站目前运行情况来看，注污水区块相对于我厂其它系统单耗高的原因主要有三点：
（1）打回流严重浪费了电能和水源。主要是由于目前污水区块站内注水泵能力与站外注聚用水量不匹配而造成的（DF300泵，而配注量仅为5129 m3/d），由于受系统压力等因素的影响，对于高压大功率离心式注水泵无法进行无极差的排量调节，多余水量只能以回流方式排放。
（2）泵出口阀门开度由人工调节，很难及时跟踪系统的变化，人工调节在时间上存在滞后性。
（3）站内管理还处于手工操作阶段，各种数据全由人工记录，缺乏对各运行参数的最优化分析，很难保证设备高效、合理运行、。
针对以上情况，对污水区块实施高压变频技术改造，将可有效降低单耗、避免回流。
同时，由于不同时期地质配注量的调整及注入速度调整的影响，致使注水量的波动较大。附件二为喇400（北西块）注水站自2000年以来污水、清水日注入量曲线，该曲线列出了自2000年以来近三年该站污水、清水日注入量数据，由图中的数据可知，两套系统日注水量变化较大，污水日注入量范围为1841~7329m3/d，清水日注入量范围为6418~18080 m3/d。为适应注水量的变化，需频繁调注水泵及管网的运行方式。如果只是以静态的方式考虑治理的措施，如对注水泵能力进行重新配置（更换大泵或小泵）、依靠人工手动调节注水泵的开启台数及阀门的开闭度以调节系统的注水量，从实际上讲也可以在一定程度上暂时解决某个阶段存在的问题。但一方面，这些做法难以做到精确控制，造成电能浪费；同时这种做法不能适应注水生产的动态变化，一旦情况发生变化，注水站能力配置又将不适应站外注入动态的变化，需继续进行改造，引起重复投资。所以，从喇400注水站的生产现状、存在的问题及今后站外注入系统的变化等方面考虑，我们建议对该站实施高压变频改造。
二．喇400注水系统调整改造方案
鉴于喇400注水站的实际状况，在考虑区块开发和水量平衡的同时，编制了变频器驱动高压注水泵注水的改造方案，工艺流程为：高压变频器®注水机组®注水站外网®注水井。考虑到历史运行状况，此次设计时兼顾现有的清水管网和污水管网的互用，采用一拖二变频驱动方案和闭环寻优控制调节方式，即变频器通过输出切换可分别控制两台注水泵（污水、清水各一台），从而保证变频器运行的时率；采用闭环寻优控制解决泵管压差大、单耗高、水量浪费严重的问题。
闭环控制系统原理如图五所示。流量和压力为系统的两个主要参数，将系统实测的流量和压力信号与地质要求的流量和压力（期望值）进行双PID调节；通过模糊推理的方法自动寻优控制，根据推理结果，系统及时自动调整高压变频器的输出，并自动计算出变频器的最佳运行频率。
图五 高压变频控制原理
系统闭环控制过程如下：由智能传感器对各运行注水泵进行实时数据监控和处理，即采集和传输注水泵、站的运行参数，如：泵的排量Q单、电机电流I、泵进、出口压力P泵，注水站出口干压P干、总排量Q总、平均单耗等，并将这些控制参数（Q单、I、P泵，P干、Q总、）与其期望值及泵本身的特性曲线进行对比和优化计算。其中，注水站干压和总流量是系统所需监测和控制的两个最主要参数。本系统中，一方面在泵出口管线上安装一只高可靠性压力传感器，将实测的压力信号与系统的配注压力（期望值）相比，并将其差值送往过程参数调节器（PID）进行比例和积分运算，最后将输出结果送给可编程控制器（PLC）；另一方面在泵入口管线上安装一只流量计，用于监测系统实际总流量，将该值与系统配注量的差值再进行一次PID整定，最后将输出结果送给PLC。PLC根据所接收的两个PID整定信号，利用模糊推理的方法，在满足系统干压的前提下，系统及时自动调整高压变频器的输出频率从而控制变频泵的转速。由离心泵原理知，泵转速的变化可引起相应的排量变化，通过频率的变化以达到期望的排量值。通过上述闭环控制，使系统的实际压力和排量与系统的配注压力和配注量相接近。
系统设计时需充分考虑到系统地质要求注水量的动态变化，以适应污水和清水区块水量的动态调整。将高压变频器的控制方式设计为一控二的方式，通过高压切换装置分别控制污水和清水两个系统，如图六所示。
图六 高压变频器切换运行示意图
根据前面喇400注水站概况分析知：
（1）污水区块目前地质配注量为5129 m3/d，系统现运行一台泵，泵排量为6410~7498 m3/d，回流量为1708~2827 m3/d，由于起一台泵多出的水量较多，造成了水源和电能的较大浪费，系统需调节多出的这部分水量。
（2）注清水区块目前地质配注量为8683 m3/d，系统运行一台泵，泵排量与实际注入量相接近。
通过以上比较，清水区块现阶段实际注水量与地质配注量相接近，目前暂无需对该区块进行改造。高压变频器目前主要用于注污水区块多余水量的调整。
为增加系统的灵活性，将控制系统设计为移动式工作站的方式，即将控制柜及高压变频器同时放于撬装装置中，如图七所示。
图七 变频器及控制装置撬装示意图
采用移动式工作站主要有以下几个方面的优势：
（1）不占用值班室的空间：喇400注水站站内值班室空间较小，现已有几面柜体，再没有足够空间摆放本系统控制柜，需要新建房屋或另寻空间；
（2）为值班人员提供及时、准确、可靠的现场数据：在喇400站内只需摆放一张操作台、一台显示器和一台打印机，值班人员可通过组态画面方便查看系统的运行状态及各运行参数，并方便打印各种报表；
（3）增加高压变频器使用的灵活性：喇400现有污水和清水两套系统，目前污水系统需要高压变频器来调节多余水量；或许今后清水系统需用高压变频器调节多余水量；或许注聚结束后不再需要高压变频器（预计在2005年后，系统将停止注聚合物，喇400注水站5台泵将全部改为注普通污水）。当喇400注水站不再需要高压变频器时可通过撬装装置将高压变频器挪用别处。
（4）增强系统的整体性：将控制柜体和高压变频器放于同一装置中，便于集中调试和管理。
据调查统计表明，大庆地区夏天室外最高温度为37.8°C，冬天室外最低温度为零下36.7°C,变频器的工作温度为0~40°C。为保证变频器的正常工作温度要求，防止变频器所在环境温度过高或过低而影响变频器正常运行，本系统在变频器移动装置中设计了室内温度自动调节系统。移动房内安装有一台冷暖式空调（变频器为风冷式），并配有温度检测系统，当检测到室内温度高于40°C时，温度调节系统将自动启动空调制冷；当检测到室内温度低于0°C时，温度调节系统将自动启动空调加热，确保变频器在要求的温度范围内稳定运行。
高压变频器可通过高压切换装置在污水或清水区块运行，系统设计时采用可编程逻辑控制器（PLC）输出信号至切换装置，确保切换信号的准确无误；切换装置设计为连动互锁以确保切换过程的高可靠度。
图八 高压变频器切换装置示意图
在注污水区块和注清水区块中各选一台泵由变频器驱动，可实现由一台变频器对两个注水区块的水量调节（自动寻优控制），此处，在注污水区块选择2号泵，在注清水区块选择3号泵。污水和清水两套系统任何时候只有一套变频运行。
在系统正常工作情况下，QF0、QF1和QF2 合，KM1、KM2为闭合状态（设备检修除外），由1KM1、1KM2，2KM1、2KM2四组真空接触器决定系统的工作方式，由图知，两套系统的工作方式及切换开关的状态为：
2号泵变频运行：1KM1合，1KM2、2KM1、2KM2开；
2号泵工频运行：1KM2合，1KM1、2KM1、2KM2开；
3号泵变频运行：2KM1合，1KM1、1KM2、2KM2开；
3号泵工频运行：2KM2合，1KM1、1KM2、2KM1开。
系统改造费用根据变频器的选型不同而不同，但作为最终用户往往还会考虑到设备的运行成本（维修费用+备件费用+停产损失）。从使用的长远角度及高压变频器的性价比考虑，推荐选用美国A-B公司的PowerFlex7000 PWM型变频器。
由公式 p1/p2 µ(n1/n2)3 （其中，n为机泵转速，p为输出功率）
可知，泵的功率变化与转速的三次方成正比，也就是说，当泵的转速下降1个单位，则泵的功率将以该单位的三次方的关系下降。而变频调速正式通过变频器改变电源的频率来控制泵的转速，这充分说明变频调速是节能的最好方法。
由前述的现阶段系统改造知，目前只对污水区块进行高压变频调节，注清水区块暂不用调节，则节能分析主要是针对污水区块的节能。
据统计分析，系统改造后各运行参数及性能指标如下表所示：
|
名称 |
出口压力
MPa |
管线压力
MPa |
泵排量
m3/h |
运行频率
Hz |
|
改造前 |
15.7~17.9 |
14.9~16.3 |
290~300 |
50 |
|
改造后 |
14.5 |
14.3 |
150~300 |
42~50 |
（1）系统单耗降低，节约电能
系统通过高压变频装置、以及调控、优化软件改造后，使各泵在合理区运行的前提下满足系统的注水量，降低了系统单耗。据分析计算，系统改造后注水单耗平均降低0.3kWh左右，即系统改造前单耗为6.18 kWh，改造为单耗为5.88kWh。污水区块配注量为5129 m3/d，，每度电以0.454元计，系统按每年运行330天计，则一年可以节约电费为：
5129´330´（6.18-5.88）´0.454=23.05万元（人民币）
（2）减少回流，节约电能
注污水区块目前地质配注量为5129 m3/d，注水站平均注水量为7131m3/d，系统通过打回流的方式将多余的水量注入了普通污水注水管网，严重浪费了水源和电能。
对污水区块通过高压变频调节后，在保证地质配注量的基础上严格控制注水量，避免打回流现象。对变频器调节水量的取值，取泵平均排量与地质配注量的差值（7131-5129），系统单耗为5.88 kWh（系统改造前单耗为6.18 kWh），每度电电费为0.454元，系统按每年运行330天计，则年节电费为：
（7131-5129）´330´5.88´0.454=176.36万元（人民币）
（3）注污水区块总节能及投资回收期
注污水区块经过改造后一年可节省费用199.41万元（人民币），根据大庆油田经济评价软件计算，系统投资回收期为2-3年左右（选用美国A-B公司PowerFlex 7000 PWM变频器）。内部收益率为46.81%，财务净现值为1382.1万元。
四．美国A-B公司PowerFlex 7000 PWM系列高压变频器介绍
当今市场上多数高压变频器都是采用多个功率单元（IGBT）串联的形式以获得高压，并且通过在变频器输入端串、并联整流器和使用隔离变压器来降低变频器进线端谐波，这使得变频器系统复杂、器件、连线繁多。
美国罗克韦尔自动化（Rockwell）A-B公司率先推出PowerFlexTM7000 PWM系列高压变频器，它是当今世界最先进、最可靠的变频器，也是唯一一家在整流和逆变端均采用PWM技术，使用时输入端既不需要无源滤波器也不需要隔离变压器的变频器，不但可以满足IEEE-519谐波标准，还能提供近似于１的功率因数，系统效率可由原来的96%提高到99.9%，优化了变频的运行性能，是真正意义的变频器，它在中压市场有相当的吸引力和竞争力，在国际上已有广泛的应用业绩，正逐步取代脉冲整流型变频器。
图九 PowerFlex 7000 PWM
图九为PowerFlex 7000 PWM的整流逆变电路以及其输出电流和电压波形，其功率系统结构简单，整个调速和负载范围近似正弦的电压电流波形如同正弦波形一样，不会产生电机发热和绝缘损伤，善待电机。
同时A-B公司的变频器采用了脉宽调制技术（PWM）－－电流源逆变器（CSI）及免传感器的直接矢量控制，可对变力负载进行实时控制，尤其适用于对离心泵进行控制。其先进的高压对称门极换流闸流管功率器件（SGCT）及集成门驱动电路，是当今所有高压变频器中使用器件最少者（如图所示），可获得最高的可靠性；这种结构是简单、可靠和高性价比的功率单元，能适应较宽的电压和功率范围。
本方案中，我们建议选用A-B公司PowerFlexTM 7000 PWM高压变频器，省去隔离变压器可以减少器件和安装成本，节约宝贵的空间，并可提高整个系统的效率。
通过附件四（高压变频器在油田的应用情况）和附件五（高压大功率变频器的发展概况）的分析，我们建议选用美国Rockwell自动化A-B公司生产的PowerFlex7000 PWM型高压变频器。原因有以下几点：
1.从原理
美国A-B公司生产的PowerFlex7000 PWM电流型高压变频器，输入输出端无需隔离变压器，其功率器件采用SGCT，最高效率大于99.9%。其它变频器均为由功率器件IGBT直接串联逆变的变频器，除成都佳灵的GY型变频器输入端不需隔离变压器外，其它厂家的变频器均需要输入隔离变压器以降低谐波。与其它厂变频器相比，A-B公司PowerFlex7000 PWM型高压变频器具有原理先进、可靠性高、体积小、重量轻、散热少、损耗小的优势。
2. 从可靠性
由A-B公司独家开发的功率器件SGCT集成技术（对称门极换流晶闸管），耐压高达6500V，整机只需6只功率器件，电路极其简单。同时变频器内部单元均实现集成化，解决了其它类型的变频器由于其触发控制与功率模块分离而降低可靠性并增加整机温升的问题，从而大大提高变频器的性能、改善整机散热效果。
3.从应用业绩
高压大功率变频器近几年发展迅速，在冶金、钢铁、石油化工、供水等领域得到广泛应用，取得了较好的节能效果。A-B公司生产的PowerFlex7000高压变频器在国内各行业有200多台（自98年进入中国以来）、在全世界有上万台的应用业绩，是一项技术成熟、性能可靠的产品。国内高压大功率变频器近年来刚刚发展起步，其技术还处于前期探索阶段。
4. 从投资
单从高压变频器的投资看，A-B公司生产的PowerFlex7000 PWM型变频器比其它变频器的价格略高，但A-B公司PowerFlex7000 PWM变频器的使用效率比其它变频器高出2%左右，由前面的节能分析可知，单此项便可年节电费近20万元人民币。
综上，从产品原理、可靠性、应用业绩、投资回报等多项因素考虑，我们建议选用美国Rockwell自动化A-B公司生产的PowerFlex7000 PWM型高压变频器。
