摘要：本文對(duì)高壓變頻工作原理進(jìn)行了簡(jiǎn)要闡述。根據(jù)杏南開發(fā)區(qū)注水系統(tǒng)的實(shí)際能耗狀況，提出了在杏五注水站采用高壓變頻器拖動(dòng)注水機(jī)泵，實(shí)現(xiàn)注水量的無(wú)節(jié)流調(diào)節(jié)，減小泵管壓差，降低本站泵水單耗，在保證油田配注要求前提下，通過(guò)優(yōu)化開泵方案，利用高壓變頻器，依據(jù)注水管網(wǎng)需要的壓力或流量進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，降低杏南開發(fā)區(qū)注水系統(tǒng)的能耗。分析杏南開發(fā)區(qū)生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)，評(píng)價(jià)高壓變頻在降低注水系統(tǒng)單耗方面所能發(fā)揮的作用和產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益。指出利用高壓變頻不但可以降低單站的注水單耗，同時(shí)還可以作為一種技術(shù)手段，降低注水系統(tǒng)的能耗。

    1 高壓變頻應(yīng)用系統(tǒng)概述

    目前，杏南開發(fā)區(qū)注水系統(tǒng)已建成注水站8座，安裝注水泵23臺(tái)（D300-150型8臺(tái)，D280-160型4臺(tái)，D250-150型8臺(tái)，D200-150型3臺(tái)）,注水能力75000m3/d，注水井1599（基礎(chǔ)井855口，調(diào)整注水井692口,三次加密井52口）。

    分析杏南開發(fā)區(qū)注水系統(tǒng)實(shí)際狀況，除了存在正常注水與測(cè)試、洗井、鉆關(guān)等用水之間的矛盾之外，還存在正常注水與水源供水量不足之間的矛盾。上述兩種矛盾使注水系統(tǒng)的注水量波動(dòng)較大，運(yùn)行工況十分復(fù)雜。為了適應(yīng)注水量的波動(dòng)，只能通過(guò)調(diào)節(jié)注水泵出口閥門來(lái)控制流量，人為的增加了管網(wǎng)阻力，造成相當(dāng)大的能量浪費(fèi)在閥門上，從而導(dǎo)致注水泵管網(wǎng)與系統(tǒng)注水方案之間匹配不合理，泵管壓差較高，注水單耗較大。調(diào)查結(jié)果表明，杏南油田注水系統(tǒng)平均泵壓為15.6Mpa，管壓為14.8Mpa，泵管壓差為0.8MPa，平均泵水單耗5.70kWh/m3。個(gè)別站的泵管壓差在1.4MPa以上。由此可見，泵管壓差大是造成杏南油田注水系統(tǒng)能耗的主要因素。

    杏五注水站建有D300-150×11注水泵2臺(tái)，電機(jī)功率2240kW，日平均注水量8500m3。注水單耗在5.70kWh/m3。杏南開發(fā)區(qū)注水管網(wǎng)相互聯(lián)通，杏五注水站處于注水管網(wǎng)的中樞位置,對(duì)整個(gè)注水系統(tǒng)影響較大，在這里安裝高壓變頻，可以實(shí)現(xiàn)泵的無(wú)節(jié)流調(diào)節(jié)，降低泵管壓差，而且可以利用高壓變頻調(diào)節(jié)靈活的優(yōu)勢(shì)，******限度發(fā)揮其系統(tǒng)節(jié)能效率。

    2 高壓變頻裝置應(yīng)用與節(jié)能原理

    （1）高壓變頻應(yīng)用方案

    杏五注水站采用PowerFlex7000型變頻器，是AB公司的第三代電流源型高壓變頻器，采用風(fēng)冷散熱，滿負(fù)荷變頻系統(tǒng)效率98%（不包括隔離變壓器），輸出額定電壓6.5kV，額定電流250A，變頻器進(jìn)線側(cè)采用18脈沖整流器，前端安裝隔離變壓器根據(jù)移相原理來(lái)衰減低次諧波。符合IEEE519-1992規(guī)范要求，不會(huì)對(duì)電機(jī)或電源產(chǎn)生諧波影響。逆變側(cè)采用SGCT（帶集成門極驅(qū)動(dòng)器的可關(guān)斷晶閘管）作為功率元件，與傳統(tǒng)的功率元件相比，開關(guān)頻率更高，提高了變頻器性能和性價(jià)比，減小了變頻器體積。變頻器采用了PowerCage設(shè)計(jì)方式，將主要功率器件以緊湊的模塊化形式集成于一體。先進(jìn)的散熱器設(shè)計(jì)，確保了高效的熱傳遞且降低了熱損傷，使得維護(hù)更加便捷。

    杏五注水站兩臺(tái)注水泵采用一用一備的運(yùn)行方案.電力主回路如圖1所示，變頻采用單電源一拖二結(jié)構(gòu)，任何時(shí)候只能有一臺(tái)電機(jī)由變頻拖動(dòng)，另一臺(tái)為備用狀態(tài)或工頻運(yùn)行。工頻與變頻切換采用手動(dòng)的方式，變頻器采用就地和遠(yuǎn)程兩種啟動(dòng)和調(diào)節(jié)方式。   

圖1高壓變頻主回路控制圖

    （2）高壓變頻的節(jié)能原理分析

    目前油田注水泵的流量調(diào)節(jié)通常采用改變泵出口閥門開度的方式，實(shí)質(zhì)是改變管路特性曲線的位置來(lái)改變泵的工作點(diǎn)，如圖2所示，這種方式存在較嚴(yán)重的節(jié)流，人為增加了注水損耗。

    根據(jù)離水泵的特性曲線可知，當(dāng)注水泵采用工頻運(yùn)行時(shí)，隨著泵出口閥門開度減小，管路特性曲線R1向左移動(dòng)到R2，R1與R2之間可以得到一組曲線。當(dāng)按照需要流量Q2固定閥開度后，泵的工況點(diǎn)由A沿著H-Q（g）左移到B點(diǎn)，泵排出閥上多消耗壓頭△H。從圖3的效率曲線可以看出，隨著閘閥開度的減小，泵效逐漸降低，工作在B點(diǎn)時(shí)，泵效為。

    變頻調(diào)速不改變管網(wǎng)特性曲線，而是通過(guò)調(diào)整泵的轉(zhuǎn)速改變流量，油田注水泵應(yīng)用的變頻調(diào)速一般都是通過(guò)降低電源的供電頻率實(shí)現(xiàn)調(diào)速，所以變頻調(diào)速基本都是使泵在低于額定轉(zhuǎn)速下的調(diào)速。隨著速度的降低，我們能夠得到一組從工頻特性曲線H-Q（g）下平移的泵特性曲線H-Q（f）。如圖3所示，在某一變頻調(diào)節(jié)的情況下,電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)低，使流量Q2相交于泵特性曲線H-Q（f）于C。顯然，此時(shí)泵排出閥開度不變，泵出口閥門上沒(méi)有壓頭損失，還降低了壓頭，與閥門節(jié)流相比節(jié)約壓頭，根據(jù)泵特性，在運(yùn)行轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速變化不大的情況下，泵效曲線可平移到。

    相同流量條件下單泵工頻狀態(tài)閘閥節(jié)流調(diào)節(jié)與變頻調(diào)節(jié)的功率比較由電動(dòng)機(jī)軸功率計(jì)算公式：

    出口閥節(jié)流調(diào)節(jié)時(shí)電動(dòng)機(jī)輸入功率:

    變頻調(diào)節(jié)時(shí)電動(dòng)機(jī)輸入功率:

    式中：

    Q2:泵節(jié)流排出流量（m3/s）;

    Hb:閘閥節(jié)流泵的揚(yáng)程（m）;

    Hc:變頻狀態(tài)泵揚(yáng)程（m）;

    η2:閘閥節(jié)流泵效;

    η1:變頻調(diào)速泵效;

    式（1）-式（2）:

由此可得相同流量條件下，單泵變頻調(diào)速控制流量較工頻下閘閥節(jié)流調(diào)節(jié)減少了功率消耗的定論。顯然，變頻調(diào)速節(jié)能主要原因是消除了泵排除閥節(jié)流所引起的壓頭損失（）和泵始終處于高效區(qū)運(yùn)行，從而減少了電動(dòng)機(jī)輸入功率。從圖3中可以看出,使用變頻調(diào)節(jié)后,在其它站的閥門開度不變的情況下,注水量減少Q(mào)2-Q1,但是可以通過(guò)開大其它注水泵的出口閥門的方法彌補(bǔ)因變頻調(diào)速時(shí)減少的水量,達(dá)到注水系統(tǒng)總注水量不變。   

圖2注水泵性能曲線圖

    可以進(jìn)一步分析變頻調(diào)速在各種情況下對(duì)離心泵運(yùn)行功率的影響。由于工頻狀態(tài)下閘閥節(jié)流調(diào)節(jié)均使管網(wǎng)特性曲線由額定工況點(diǎn)A左移，因此可以得出閘閥節(jié)流調(diào)節(jié)均存在泵排出閥壓頭永遠(yuǎn)大于，而變頻調(diào)速時(shí)泵的工況點(diǎn)均在管網(wǎng)工作特性曲線上A下面的各點(diǎn)，所以總是存在Hb＞Hc，又由于變頻調(diào)速不改變管網(wǎng)特性，所以變頻調(diào)速均使泵工作在高效區(qū)，即在變頻器正常調(diào)節(jié)范圍內(nèi)總存在η2＞η1。

    根據(jù)式（3），則均有△P＞0成立，由此可以推論:變頻調(diào)速在相同排量下均較閘閥節(jié)流調(diào)節(jié)節(jié)能。

    3 高壓變頻應(yīng)用情況

    （1）變頻運(yùn)行前后杏五注運(yùn)行效果分析

表1杏五注水站變頻運(yùn)行前后數(shù)據(jù)

    表1是杏五注變頻運(yùn)