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高壓變頻器在油田注水泵上的應(yīng)用

發(fā)布時(shí)間:2014-04-11 作者:新風(fēng)光

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(shè)備,隨著油田開(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(fèi)占總電費(fèi)的16%,并呈逐年顯上升趨勢(shì)。在高壓注水系統(tǒng)中,高壓電機(jī)中大馬拉小車(chē)的現(xiàn)象比較普遍,注水泵泵壓與注水管線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(duì)機(jī)泵的運(yùn)行,管道的使用十分不利。安裝高壓變頻調(diào)速裝置后,依據(jù)注水管網(wǎng)需要的壓力進(jìn)行參數(shù)設(shè)定,自動(dòng)調(diào)節(jié)注水量,既可節(jié)約大量的電能又能降低機(jī)泵的損耗,對(duì)降低生產(chǎn)成本有著十分積極的意義。
  遼河新三聯(lián)注水站投運(yùn)一臺(tái)型號(hào)為DFJ200-170AX11的注水泵,匹配電機(jī)型號(hào)為YB1800S2-2的6KV/1800KW異步電動(dòng)機(jī),采用直接驅(qū)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(diào)節(jié),造成大量節(jié)流損失, 離心泵及電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在低效率工作區(qū),能源浪費(fèi)嚴(yán)重。目前月注水流量為183210m3, 夏秋季節(jié)注水量相應(yīng)降低,運(yùn)行中離心泵實(shí)際泵壓為16.5MPa,注水管網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行壓力為12.5MPa,由于多泵注水實(shí)施并網(wǎng)運(yùn)行,當(dāng)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(jī)運(yùn)行時(shí)必須靠調(diào)節(jié)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(dá)到4 MPa以上,造成了大量的電能浪費(fèi)。
  通過(guò)綜合調(diào)研和考慮,我們選用了山東新風(fēng)光電子公司JD-BP37-1800F型號(hào)的高壓變頻器,通過(guò)應(yīng)用,該變頻器有安全性能好,可靠性高,設(shè)計(jì)合理,易損件壽命長(zhǎng),啟動(dòng)性能好,降耗效果明顯,安裝、維護(hù)和保養(yǎng)都比較方便。
2、高壓變頻器的原理

  JD-BP37系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(gòu)成一相。
2.1功率單元電路

  每個(gè)功率單元結(jié)構(gòu)上完全一致,可以互換,其電路結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3.2,為基本的交-直-交單相逆變電路,整流側(cè)為六支二極管實(shí)現(xiàn)三相全橋整流,通過(guò)對(duì)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(diào)試、維修方便,而且備份也十分經(jīng)濟(jì),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(jī)可以暫時(shí)降額工作,直到緩慢停止運(yùn)行。
2.2 輸入側(cè)結(jié)構(gòu)
  輸入側(cè)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(jī)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(dú)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(xiàn)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(gòu)成18脈沖整流方式;這種多級(jí)移相疊加的整流方式可以大大改善網(wǎng)側(cè)的電流波形,使其負(fù)載下的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近1,輸入電流諧波成分低。實(shí)測(cè)輸入電流總諧波成分小于5%。由于變壓器副邊繞組的獨(dú)立性,使每個(gè)功率單元的主回路相對(duì)獨(dú)立,類(lèi)似常規(guī)低壓變頻器,便于采用現(xiàn)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(jī)和工控PC機(jī)協(xié)同運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn),精心設(shè)計(jì)的算法可以保證電機(jī)達(dá)到較優(yōu)的運(yùn)行性能。工控PC提供友好的全中文WINDOWS監(jiān)控和操作界面,同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化控制??刂破饔糜诠耋w內(nèi)開(kāi)關(guān)信號(hào)的邏輯處理,以及與現(xiàn)場(chǎng)各種操作信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)的協(xié)調(diào),增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。
  控制器及各控制單元板中采用8位單片機(jī)等大規(guī)模集成電路和表面焊接技術(shù),系統(tǒng)具有極高的可靠性。此外還有一個(gè)CPU,也是8位單片機(jī),負(fù)責(zé)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(tǒng)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(dú)立于高壓系統(tǒng)的統(tǒng)一控制器,方便調(diào)試、維修、現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn),增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。
2.4  控制電源
  控制器有一套獨(dú)立于高壓電源的供電體系,在不加高壓的情況下,設(shè)備各點(diǎn)的波形與加高壓情況基本相似,給整機(jī)可靠性、調(diào)試、培訓(xùn)帶來(lái)了很大方便。

3、現(xiàn)場(chǎng)情況和節(jié)能效果統(tǒng)計(jì)
  針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)存在的問(wèn)題,系統(tǒng)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(tǒng)配注水量的基礎(chǔ)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(tǒng)優(yōu)化擬從動(dòng)能和勢(shì)能兩方面同時(shí)入手,盡可能降低能耗、提高系統(tǒng)效率。
3.1  現(xiàn)場(chǎng)的系統(tǒng)構(gòu)成

  系統(tǒng)閉環(huán)控制過(guò)程如下:由智能傳感器對(duì)各運(yùn)行注水泵進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控和處理,即采集和傳輸注水泵、站的運(yùn)行參數(shù),如:泵的排量Q單、電機(jī)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(shù)(Q單、I、P泵,P干、Q總、)與其期望值及泵本身的特性曲線進(jìn)行對(duì)比和優(yōu)化計(jì)算。其中,注水站干壓和總流量是系統(tǒng)所需監(jiān)測(cè)和控制的兩個(gè)最主要參數(shù)。本系統(tǒng)中,一方面在泵出口管線上安裝一只高可靠性壓力傳感器,將實(shí)測(cè)的壓力信號(hào)與系統(tǒng)的配注壓力(期望值)相比,并將其差值送往過(guò)程參數(shù)調(diào)節(jié)器(PID)進(jìn)行比例和積分運(yùn)算,最后將輸出結(jié)果送給可編程控制器(PLC);另一方面在泵入口管線上安裝一只流量計(jì),用于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)際總流量,將該值與系統(tǒng)配注量的差值再進(jìn)行一次PID整定,最后將輸出結(jié)果送給PLC。PLC根據(jù)所接收的兩個(gè)PID整定信號(hào),利用模糊推理的方法,在滿(mǎn)足系統(tǒng)干壓的前提下,系統(tǒng)及時(shí)自動(dòng)調(diào)整高壓變頻器的輸出頻率從而控制變頻泵的轉(zhuǎn)速。由離心泵原理知,泵轉(zhuǎn)速的變化可引起相應(yīng)的排量變化,通過(guò)頻率的變化以達(dá)到期望的排量值。通過(guò)上述閉環(huán)控制,使系統(tǒng)的實(shí)際壓力和排量與系統(tǒng)的配注壓力和配注量相接近。系統(tǒng)設(shè)計(jì)為閉環(huán)控制系統(tǒng),流量和壓力為系統(tǒng)的兩個(gè)主要參數(shù),將系統(tǒng)實(shí)測(cè)的流量和壓力信號(hào)與地質(zhì)要求的流量和壓力(期望值)進(jìn)行雙PID調(diào)節(jié);通過(guò)模糊推理的方法自動(dòng)尋優(yōu)控制,根據(jù)推理結(jié)果,系統(tǒng)及時(shí)自動(dòng)調(diào)整高壓變頻器的輸出,并自動(dòng)計(jì)算出變頻器的較佳運(yùn)行頻率。
3.2  節(jié)電效果分析
3.2.1  由功率和轉(zhuǎn)速的立方成比例:
  p1/p2 μ(n1/n2)3      ?。ㄆ渲?,n為機(jī)泵轉(zhuǎn)速,p為輸出功率)
  可知,泵的功率變化與轉(zhuǎn)速的三次方成正比,也就是說(shuō),當(dāng)泵的轉(zhuǎn)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(diào)速正式通過(guò)變頻器改變電源的頻率來(lái)控制泵的轉(zhuǎn)速,這充分說(shuō)明變頻調(diào)速是節(jié)能的較好方法。
3.2.2系統(tǒng)效率提高,單耗降低
  系統(tǒng)通過(guò)高壓變頻裝置改造后,使各泵在有效區(qū)運(yùn)行的前提下滿(mǎn)足系統(tǒng)的注水量,有效提高了系統(tǒng)效率,降低系統(tǒng)單耗。據(jù)分析計(jì)算,系統(tǒng)改造后可實(shí)現(xiàn)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(jì),則一年可以節(jié)約電費(fèi)為:
  4100?365?0.3?0.5=22.4萬(wàn)元(人民幣)
3.2.3 調(diào)整多余水量,節(jié)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(duì)該站實(shí)施高壓變頻改造,可根據(jù)站外要求的水量靈活調(diào)整站內(nèi)泵的運(yùn)行,使之在滿(mǎn)足系統(tǒng)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(fèi)。
  當(dāng)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(dāng)要求注5500 m3/d時(shí),開(kāi)1臺(tái)泵水量不夠,開(kāi)2臺(tái)泵將多注2220 m3/d水,都將造成水源和電能的浪費(fèi)。根據(jù)以上數(shù)據(jù)及站內(nèi)運(yùn)行情況推算,為滿(mǎn)足配注量,每天平均多注水1600 m3/d,系統(tǒng)單耗為7.1 kW/h,按每度電電費(fèi)為0.5元計(jì),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(diào)節(jié)后年節(jié)電費(fèi)為:
  1600X150X7.1X0.5=85.2萬(wàn)元(人民幣)
3.3 實(shí)際節(jié)電效果
  該變頻器于2004年8月在新三聯(lián)2#注水電機(jī)安裝正式運(yùn)行,使用變頻器前后的耗電情況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)下表:

  由表1,表2可以看出,2#注水泵電機(jī)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(jié)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(jié)電率與計(jì)算值有所不同,但根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行情況來(lái)看,不會(huì)有太大的出入,總體的節(jié)電效果不會(huì)改變的。
4 結(jié)束語(yǔ)
  綜上所述,JD-BP37序列高壓變頻器運(yùn)行平穩(wěn),性能可靠,簡(jiǎn)便實(shí)用,節(jié)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(fèi)用提高了機(jī)組的使用壽命,安裝使用后明顯帶來(lái)了比較顯著的經(jīng)濟(jì)效益,使用表明,JD-BP37系列高壓變頻器具有巨大的推廣應(yīng)用價(jià)值。