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国产高压大功率变频器在油田注水系统中的应用

引言
    在油田开发过程中，通过注水保持地层压力，是实现原油高产、稳产的重要手段。特别是油田进入中后期开发阶段以后，为保持地层压力，需不断加大注水量，以实现稳产。据统计，1997年全油田注水用电量为61.70亿kW·h，长输管道用电量为12.51亿kW·h，全国各油田的综合含水已达80.4%，注水耗电逐年上升。由于受油田井下地质情况变化以及洗井、供水不足等因素的影响，注水系统的配注量在不同开发时期是不同的，导致日注水量的波动较大。为适应注水量的变化，在没有调速措施的情况下，只能通过调整开泵台数和人工调整阀门的方法来控制流量，进而调整注水量，必然造成泵压与管压之间产生较大的压差，增加了注水系统的能耗。
    考虑到注水泵的并联运行方式及水泵运行高效率区范围，一般注水泵的调速范围以85%额定转速为下限即可满足要求。转速低于85%以后，出口压力太低，并联运行的泵间会形成倒灌，同时该注水泵也偏离了高效运行区，一般不建议运行在此范围内。因此，注水泵转速的调节范围不需要太大，以85%～100%额定转速范围即可。
    从目前技术来看，要连续调节注水泵的流量、压力等运行参数，而且使注水泵保持在高效区运行，实现系统的优化运行，单靠管网的优化和控制阀门的节流方法是不行的，必须使注水泵实现调速运行才能实现。
    交流变频调速技术在国民经济和日常生活中发挥着日益重要的作用，已被广泛应用于工业生产以及人们日常生活中，这主要得益于其优良的节能特性和调速特性。油田作为一个特殊行业，有其独特的背景，以风机、泵类负载为主，因而决定了变频器在油田中的应用应以节能为第一目标。
    我公司作为国内最早从事高压大功率变频器研发和制造的企业，为了打破国外变频器在油田系统中的垄断地位，为油田的节能事业作出我们应有的贡献，2000年6月我们开始现场的实际考察调研，发现目前在油田系统应用中的注水泵大多在2000kW以上，国外变频器在油田的应用还处于初级阶段，运行情况有好有坏，问题集中的交点都在变频器的通风散热上。2001年3月我公司开始立项研发，2002年我们的样机制造完成，2004年6月14我公司生产的国内第一台2900kVA采用风水冷的高压大功率变频器在大庆油田采用三厂北十六注水站一次性成功投运。设备投运至今，已整整1年多时间，运行良好，节能效果明显，得到了用户的一致肯定。

2 DHVECTOL-DI02900/6B变频器技术特点
2.1 多级串联的电压型变频器
该技术就是每相由多个低压功率单元串联组成，各功率单元由一个多绕组的隔离变压器单独供电，采用高速微处理器实现控制和以光导纤维隔离驱动。从根本上解决了一般6脉冲和12脉冲变频器所产生的谐波问题，可实现完美无谐波变频。图1为6kV变频器的主电路拓扑图，每组由8个额定电压为433V的功率单元串联，因此相电压为433V×8=3464V,所对应的线电压为6000V。每个功率单元由输入隔离变压器的24个二次绕组分别供电，24个二次绕组分成8组，每组之间存在一个7.5°的相位差。所需相差角度可通过变压器的不同联接组别来实现。

图1 6kV变频器的主电路拓扑图

图2 单元串联变频器的电气连接

图3 功率单元电路

图2中的每个功率单元都是由低压绝缘栅双极型晶体管（IGBT）构成的三相输入，单相输出的低压PWM电压型逆变器。功率单元电路见图3。每个功率单元输出电压为1、0、－1三种状态电平，每相8个单元叠加，就可产生17种不同的电平等级，分别为±8、±7、±6、±5、±4、±3、±2、±1和0。图4为一相合成的正波输出电压波形。此种多级串联电压型变频器，采用功率单元串联，而不是用传统的器件串联来实现高压输出，所以不存在器件均压的问题。每个功率单元承受全部的输出电流，但仅承受1/8的输出相电压和1/24的输出功率。8对依次相移7.5°的三角载波对基波电压进行调制，如：对A相基波调制所得的8个信号，分别控制A1～A8八个功率单元，经叠加可得图4所示的线电压波形，线电压波型具有33阶梯电平，它相当于48脉波变频，理论上47次以下的谐波都可以抵消，总的电压和电流失真率可分别低于1.2％和0.8％，堪称无谐波污染变频器。变频器同一相的功率单元输出相同的基波电压，串联各单元之间的载波错开一定的相位，每个功率单元的IGBT开关频率若为600Hz，则当8个功率单元串联时，等效的输出相电压开关频率为9.6kHz。功率单元采用低的开关频率可以降低开关损耗，而高的等效输出开关频率和多电平可以大大改善输出波形。波形的改善除减小输出谐波外，还可以降低噪声、dv/dt值和电机的转矩脉动。所以这种变频器对电机无特殊要求，可用于普遍笼型电机，且不必降额使用，对输出电缆长度也无特殊限制。
由于功率单元有足够的电容，它的输入功率因数可达0.95以上，不必设置输入滤波器和功率因数补偿装置，变频器可不受电网电压波动和瞬间失电的影响。这种主电路拓扑结构虽然使器件数量增加，但由于IGBT驱动功率很低，且不必采用均压电路、吸收电路和输出滤波器，可使变频器的效率高达96％以上。

图4 八级功率单元串联输出线电压波形

图5 DHVECTOL-DI02900/6B变频器的主画面组图
2.2 完善的监控和保护系统
    控制系统设计中既考虑变频器自身特性，又考虑了油田注水系统的复杂性。将注水系统中的各项生产工艺参数（如注水泵出口压力、各个注水管压力、注水管回水压力、注水量、各个储水罐液位等）和设备的运行参数（注水电机定子温度、注水电机轴瓦温度、注水泵轴瓦温度、注水泵出口温度、润滑油压力、冷却水压力等）采集到变频器(见如图5所示的主画面组图)，采取就地和远方监控，实现生产工艺人工调节和自动调节，时时监控注水系统的运行情况，保证生产最优化和设备安全运行。
2.3 风水冷却系统
    变频器内部采用了大量电力电子元器件，元器件在工作中存在热量损耗，为保证元器件正常稳定工作，冷却系统是变频器的至关重要部分。容量小的变频器一般采用强制风冷，随着变频器容量的增大，冷却系统的风机容量也增大，甚至需外加容量较大容量的空调，这样势必造成电能的浪费和成本的增加，同时也增加了功率器件的积灰，增加了维护工作量。实践证明：传统的冷却方式已很难适应容量在2000kVA以上的变频器，这也是国产变频器容量一直都没突破2000kVA的重要原因之一。
    DHVECTOL-DI02900/6B型变频器的风水冷却系统采用新型内循环热交换装置，热风经过热交换装置，直接在变频器内部得到有效冷却，交换后的热量由冷却水带走，经注水泵注入地下。该技术充分利用注水系统中的水资源，变频器不需要另外配置大容量的空调，由于变频器冷却风采用柜内循环，变频器可不受环境的影响（灰尘、温度），变频器可靠性增加，减小了风机运行的噪声，大大减少了维护工作量。
2.4 简洁透明的外观
    变频器柜门采取透明设计，在运行中无需打开柜门就能直接观察变频器内部的情况，为变频器日常巡视带来方便，同时也给变频器增添新的亮点。图6所示为变频器的外观图。

图6 DHVECTOL-DI02900/6B变频器的外观图

3 实际应用
3.1 变频器投运前
    通过对聚北十六注水站生产情况的分析发现，由于注聚管网是随聚驱区块逐渐开发，各区块内部注聚的开始和结束时间又不一致，因此，各区块的管网没有完全连网，造成有时运行多余的清水进入注污水的管网，既浪费清水又使其它管网压力升高，为减少浪费清水，站上只能靠人工倒泵，以适应生产需求，导致泵的运行参数不合理，电机启停频繁，站上工作量大，注水管网压力不稳定，甚至出现超出管网设计允许压力，影响采油产量。
    使用变频器前主要存在两大问题：一是为了解决聚驱注水站受开发阶段性影响水量波动较大，造成清水和能源浪费的问题；二是由于目前聚北十六注水站和聚北十七注水站清水管线已联网，在2003年7月北三东西块投产后，北十六注水站的高压变频器在7年时间里（2003年7月-2010年10月）可同时调节两站清水量。该区块清水管网平均单耗达到7.5kWh/m3，泵管压差最高达到4.5Mpa。
3.2 变频器投运后
    聚北十七注水站采用工频运行，生产变化调节由聚北十六注水站变频自动调节，减少两个注水站的工作量，减少清水的浪费，将泵管压差减少为零，完全解决了变频器使用前的两大问题。
聚北十六注水站的高压变频器于2004年6月14日正式投产连续运行至今，目前设备工作正常，运行情况良好。根据生产实际报表进行统计、测算。选用了安装施工后未投用变频的2004年1月和2004年6月－7月正式投产运行后各1个月的跟踪记录数据进行比对分析，在这两个月中，聚北十六注水站运行3＃注水泵（电机功率2240kW），聚北十七注水站运行3＃注水泵（电机功率2240kW），聚北十六注水其它月份用1＃泵（减级，后由于注水压力不够启3＃泵）。
    在这两个月中，聚北十六注水站和聚北十七注水站所属的18－1、2、3、4、5、6、7、8共8座注聚站，1月和测试对照月的实际总注清水量由于周期注聚和高含水关井的影响，变化较大（如表1所示），不存在欠注的情况。现将高压变频器在此注清水区块运行分析如表1所示。
表1 注聚站清水实际注入统计表

变频器投运后注水站注水量统计表如表2所示。
表2 注水站注水量统计表

从表3可以看出，在注聚区块注水量减少25％的情况下，聚北十七注水量略有增加，而聚北十六注减少量较大，达到52％，如表3所示。
表3 聚北十六注水站试验期内注水对比表

由此可以看出，这是因为在聚北十七注与聚北十六注之间的管路之间，虽然有18-1注入站的分支管路，但聚北十七注出水扬程不变，同时由于聚北十六注水泵加变频控制，泵扬程降为额定扬程的84％，则聚北十七注的水将通过连通管为18-1、2供水，然后进入聚北十六注汇管，并与聚北十六注一起为18-3、4、5注聚站供水，聚北十六注主要为18-4、5注聚站供水，表3验证了这样的分析判断。这样导致聚北十七注注水量相对增加，聚北十六注注水量大幅度减少。
注水站单耗统计表如表4所示。

表4 注水站单耗统计表
日期聚北十六聚北十七日期聚北十六聚北十七

表5 能耗状况月统计表

    与上述同样原因，聚北十六泵出水至汇管并与聚北十七来水构成汇合管路，并将水注入注聚站，由于聚北十七来水扬程高于聚北十六，所以在注入18－2、3、4、5注聚站水时，由于受下游注聚站实际生产情况影响，聚北十六泵输出流量的变化速度大于聚北十七来水。而且聚北十六输出压力设为定值控制，则根据流体力学比例率，此时北十六电机轴功率与流量的变化比例为（n/n0）1/3=Q/Q0，即在流量减少时功率的变化幅度更大，因此导致单耗上升。而同时聚北十七由于聚北十六的按管网定压控制阻力减小，注水单耗下降。
    如果对聚北十七来水和18-2、3、4、5注聚站的分支管路生产状况，进行定量计算，理论上可以给出一个合适聚北十六泵出口压力设定值，即聚北十七来水和汇管以下分支管路的压力对聚北十六泵输出流量影响最小，这样就会使聚北十六单耗下降。这种方式运行需要对整个区块的生产参数实时采集，仿真优化软件的计算，动态调整变频器输出设定值才能实现。
另外，由于不同的区块，管网的特性差异较大。如果管网在生产运行中稳定或管道匹配较好，同时变频器控制参数设定准确，同样会收到变频控制的注水泵单耗下降的效果，如表5所示。
利用试验前后数据相减的办法对能耗计算，最大程度上消除仪表和人为误差。从能耗统计表可以看出，虽然聚北十六注水站单耗上升，耗电量增加，但由于高压变频器对注水管网的调节作用，整个实验区块在高压变频器运行的一个月内，节约电能34.6×104kWh，折合资金15.4万元，由于本次数据录取期注水量较少，注水量增加时，节能效益将会更大，因此保守推算年节约电费约为190万元。
    目前聚北十六注水站应用高压变频器，没有增加人员和岗位，由注水站统一管理，由于使用站内注清水作为变频器冷却清水，所以冷却水部分不作消耗费用统计。另外由于变频器有6个冗余旁路单元，所以在使用期内可不需增加设备更换费用。即应用高压变频器每年在试验区块上可节约资金189万元，加上每天减少2000～3000m3的清水浪费，按2元/m3，时间按300天计算：2500×2×300=1500000元，总计339万元,短期可收回成本。
4 结束语
（1）国产高压变频器在技术上已经成熟的，可以在油田注水系统中应用;
（2）在注水系统中应用高压变频器，节能效果显著，短时期内可收回投资;
（3）风水冷却系统冷却效果良好，可以广泛应用于大容量的高压变频器中。

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