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類型分類：: 科普知識

數據分類：: 變頻器

羅克韋爾高壓變頻器自動化PowerFlex7000PWM系列高壓變頻器在注水站高壓變頻器改造中的應用

發布日期：2022-10-09 點擊率：86 品牌：羅克韋爾_Rockwell

一．400注水站概況
1. 概述
喇400注水站是我廠北西塊聚驅注水站，于2000年11月建成投產，設計規模為2.88′104m3/d，共有157口聚合物注水井。該站現分為注曝氧污水和清水兩套流程，站內共有5臺泵（型號相同），其中1#、2#泵用于注曝氧污水，3#、4#、5#泵用于注清水。周圍輻射有8個注入站，其中，5#、6#、7#為污水稀釋聚合物注入站，目前日配注量為5129 m3/d； 1#、2#、3#、4#、8#為清水稀釋聚合物注入站，日配注量為8683 m3/d。該站于2005年底注聚結束。站內各泵及配套電機參數如表一和表二所示。

2. 注污水區塊現狀
5臺泵中1#、2#泵用于注污水，平常只運行一臺泵，另一臺泵備用，由1#、2#倒換工作。周邊輻射有三個注入站，分別為5#、6#、7#注入站。該系統平面圖如圖一所示。

以2003年5月20日~2003年6月20日一個月間污水區塊的工作數據為例，該區塊在此期間的生產曲線如圖二所示。

污水區塊配注量為5129 m3/d，泵排量變化范圍為6410~7498 m3/d，平均為7131m3/d；注入站（5#、6#、7#注入站）注水量變化范圍4302~4788 m3/d，平均為4707m3/d；回流量變化范圍1708~2827 m3/d，平均為2424m3/d，回流水量進入普通污水注水管網。
泵出口壓力變化范圍15.7~17.9MPa，平均泵壓為17.33 MPa；管壓變化范圍14.9~16.3MPa，平均管壓為16.17MPa；泵管壓差范圍為0.3~1.6MPa，平均為1.16 MPa；注水單耗變化范圍5.60~6.90 kWh/m3，平均單耗為6.18kWh/m3。

3. 注清水區塊現狀
3#、4#、5#泵用于注清水，平常只運行一臺泵，另兩臺泵備用，由3#、4#、5#倒換工作。周邊輻射有五個注入站，分別為1#、2#、3#、4#、8#注入站。該系統平面圖如圖三所示。

以2003年5月20日~2003年6月20日一個月間清水區塊的工作數據為例，該區塊在此期間的生產曲線如圖四所示。

清水區塊配注量為8683 m3/d，泵排量變化范圍6830~8431 m3/d，平均為8123m3/d，與注入站（5#、6#、7#注入站）注水量基本匹配。
泵出口壓力變化范圍14.7~15.5MPa，平均泵壓為15.53 MPa；管壓變化范圍14.1~15.1MPa，平均管壓為14.9MPa；泵管壓差變化范圍為0.4~0.9 MPa，平均為0.63 MPa；注水單耗變化范圍5.40~5.90 kWh/m3，平均單耗為5.70kWh/m3。

4. 喇400注水站技術改造的必要性
根據北西塊注水站目前運行情況來看，注污水區塊相對于我廠其它系統單耗高的原因主要有三點：
（1）打回流嚴重浪費了電能和水源。主要是由于目前污水區塊站內注水泵能力與站外注聚用水量不匹配而造成的（DF300泵，而配注量僅為5129 m3/d），由于受系統壓力等因素的影響，對于高壓大功率離心式注水泵無法進行無極差的排量調節，多余水量只能以回流方式排放。
（2）泵出口閥門開度由人工調節，很難及時跟蹤系統的變化，人工調節在時間上存在滯后性。
（3）站內管理還處于手工操作階段，各種數據全由人工記錄，缺乏對各運行參數的最優化分析，很難保證設備高效、合理運行、。
針對以上情況，對污水區塊實施高壓變頻技術改造，將可有效降低單耗、避免回流。
同時，由于不同時期地質配注量的調整及注入速度調整的影響，致使注水量的波動較大。附件二為喇400（北西塊）注水站自2000年以來污水、清水日注入量曲線，該曲線列出了自2000年以來近三年該站污水、清水日注入量數據，由圖中的數據可知，兩套系統日注水量變化較大，污水日注入量范圍為1841~7329m3/d，清水日注入量范圍為6418~18080 m3/d。為適應注水量的變化，需頻繁調注水泵及管網的運行方式。如果只是以靜態的方式考慮治理的措施，如對注水泵能力進行重新配置（更換大泵或小泵）、依靠人工手動調節注水泵的開啟臺數及閥門的開閉度以調節系統的注水量，從實際上講也可以在一定程度上暫時解決某個階段存在的問題。但一方面，這些做法難以做到精確控制，造成電能浪費；同時這種做法不能適應注水生產的動態變化，一旦情況發生變化，注水站能力配置又將不適應站外注入動態的變化，需繼續進行改造，引起重復投資。所以，從喇400注水站的生產現狀、存在的問題及今后站外注入系統的變化等方面考慮，我們建議對該站實施高壓變頻改造。

二．喇400注水系統調整改造方案
1. 技術改造方案
鑒于喇400注水站的實際狀況，在考慮區塊開發和水量平衡的同時，編制了變頻器驅動高壓注水泵注水的改造方案，工藝流程為：高壓變頻器?注水機組?注水站外網?注水井。考慮到歷史運行狀況，此次設計時兼顧現有的清水管網和污水管網的互用，采用一拖二變頻驅動方案和閉環尋優控制調節方式，即變頻器通過輸出切換可分別控制兩臺注水泵（污水、清水各一臺），從而保證變頻器運行的時率；采用閉環尋優控制解決泵管壓差大、單耗高、水量浪費嚴重的問題。
閉環控制系統原理如圖五所示。流量和壓力為系統的兩個主要參數，將系統實測的流量和壓力信號與地質要求的流量和壓力（期望值）進行雙PID調節；通過模糊推理的方法自動尋優控制，根據推理結果，系統及時自動調整高壓變頻器的輸出，并自動計算出變頻器的最佳運行頻率。

系統閉環控制過程如下：由智能傳感器對各運行注水泵進行實時數據監控和處理，即采集和傳輸注水泵、站的運行參數，如：泵的排量Q單、電機電流I、泵進、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（Q單、I、P泵，P干、Q總、）與其期望值及泵本身的特性曲線進行對比和優化計算。其中，注水站干壓和總流量是系統所需監測和控制的兩個最主要參數。本系統中，一方面在泵出口管線上安裝一只高可靠性壓力傳感器，將實測的壓力信號與系統的配注壓力（期望值）相比，并將其差值送往過程參數調節器（PID）進行比例和積分運算，最后將輸出結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，用于監測系統實際總流量，將該值與系統配注量的差值再進行一次PID整定，最后將輸出結果送給PLC。PLC根據所接收的兩個PID整定信號，利用模糊推理的方法，在滿足系統干壓的前提下，系統及時自動調整高壓變頻器的輸出頻率從而控制變頻泵的轉速。由離心泵原理知，泵轉速的變化可引起相應的排量變化，通過頻率的變化以達到期望的排量值。通過上述閉環控制，使系統的實際壓力和排量與系統的配注壓力和配注量相接近。

2. 高壓變頻器在污水、清水系統中切換運行方案
系統設計時需充分考慮到系統地質要求注水量的動態變化，以適應污水和清水區塊水量的動態調整。將高壓變頻器的控制方式設計為一控二的方式，通過高壓切換裝置分別控制污水和清水兩個系統，如圖六所示。

根據前面喇400注水站概況分析知：
（1）污水區塊目前地質配注量為5129 m3/d，系統現運行一臺泵，泵排量為6410~7498 m3/d，回流量為1708~2827 m3/d，由于起一臺泵多出的水量較多，造成了水源和電能的較大浪費，系統需調節多出的這部分水量。
（2）注清水區塊目前地質配注量為8683 m3/d，系統運行一臺泵，泵排量與實際注入量相接近。
通過以上比較，清水區塊現階段實際注水量與地質配注量相接近，目前暫無需對該區塊進行改造。高壓變頻器目前主要用于注污水區塊多余水量的調整。

3. 采用移動式工作站提高利用率
為增加系統的靈活性，將控制系統設計為移動式工作站的方式，即將控制柜及高壓變頻器同時放于撬裝裝置中，如圖七所示。

采用移動式工作站主要有以下幾個方面的優勢：
（1）不占用值班室的空間：喇400注水站站內值班室空間較小，現已有幾面柜體，再沒有足夠空間擺放本系統控制柜，需要新建房屋或另尋空間；
（2）為值班人員提供及時、準確、可靠的現場數據：在喇400站內只需擺放一張操作臺、一臺顯示器和一臺打印機，值班人員可通過組態畫面方便查看系統的運行狀態及各運行參數，并方便打印各種報表；
（3）增加高壓變頻器使用的靈活性：喇400現有污水和清水兩套系統，目前污水系統需要高壓變頻器來調節多余水量；或許今后清水系統需用高壓變頻器調節多余水量；或許注聚結束后不再需要高壓變頻器（預計在2005年后，系統將停止注聚合物，喇400注水站5臺泵將全部改為注普通污水）。當喇400注水站不再需要高壓變頻器時可通過撬裝裝置將高壓變頻器挪用別處。
（4）增強系統的整體性：將控制柜體和高壓變頻器放于同一裝置中，便于集中調試和管理。

4. 工作溫度解決方案
據調查統計表明，大慶地區夏天室外最高溫度為37.8°C，冬天室外最低溫度為零下36.7°C,變頻器的工作溫度為0~40°C。為保證變頻器的正常工作溫度要求，防止變頻器所在環境溫度過高或過低而影響變頻器正常運行，本系統在變頻器移動裝置中設計了室內溫度自動調節系統。移動房內安裝有一臺冷暖式空調（變頻器為風冷式），并配有溫度檢測系統，當檢測到室內溫度高于40°C時，溫度調節系統將自動啟動空調制冷；當檢測到室內溫度低于0°C時，溫度調節系統將自動啟動空調加熱，確保變頻器在要求的溫度范圍內穩定運行。

5. 一拖二控制技術方案
高壓變頻器可通過高壓切換裝置在污水或清水區塊運行，系統設計時采用可編程邏輯控制器（PLC）輸出信號至切換裝置，確保切換信號的準確無誤；切換裝置設計為連動互鎖以確保切換過程的高可靠度。
圖八為高壓變頻器切換裝置示意圖。圖中QF0、QF1和QF2為6000V真空斷路器，KM1、KM2，1KM1、1KM2，2KM1、2KM2為6000V真空接觸器。

在注污水區塊和注清水區塊中各選一臺泵由變頻器驅動，可實現由一臺變頻器對兩個注水區塊的水量調節（自動尋優控制），此處，在注污水區塊選擇2號泵，在注清水區塊選擇3號泵。污水和清水兩套系統任何時候只有一套變頻運行。
在系統正常工作情況下，QF0、QF1和QF2 合，KM1、KM2為閉合狀態（設備檢修除外），由1KM1、1KM2，2KM1、2KM2四組真空接觸器決定系統的工作方式，由圖知，兩套系統的工作方式及切換開關的狀態為：
2號泵變頻運行：1KM1合，1KM2、2KM1、2KM2開；
2號泵工頻運行：1KM2合，1KM1、2KM1、2KM2開；
3號泵變頻運行：2KM1合，1KM1、1KM2、2KM2開；
3號泵工頻運行：2KM2合，1KM1、1KM2、2KM1開。

三．系統改造費用及投資回收期分析
1. 系統改造費用
        系統改造費用根據變頻器的選型不同而不同，但作為最終用戶往往還會考慮到設備的運行成本（維修費用+備件費用+停產損失）。從使用的長遠角度及高壓變頻器的性價比考慮，推薦選用美國A-B公司的PowerFlex7000 PWM型變頻器。
2. 投資回收期分析
        由公式 p1/p2 μ(n1/n2)3　　　　　　　（其中，n為機泵轉速，p為輸出功率）
可知，泵的功率變化與轉速的三次方成正比，也就是說，當泵的轉速下降1個單位，則泵的功率將以該單位的三次方的關系下降。而變頻調速正式通過變頻器改變電源的頻率來控制泵的轉速，這充分說明變頻調速是節能的最好方法。
        由前述的現階段系統改造知，目前只對污水區塊進行高壓變頻調節，注清水區塊暫不用調節，則節能分析主要是針對污水區塊的節能。
        據統計分析，系統改造后各運行參數及性能指標如下表所示：

（1）系統單耗降低，節約電能
        系統通過高壓變頻裝置、以及調控、優化軟件改造后，使各泵在合理區運行的前提下滿足系統的注水量，降低了系統單耗。據分析計算，系統改造后注水單耗平均降低0.3kWh左右，即系統改造前單耗為6.18 kWh，改造為單耗為5.88kWh。污水區塊配注量為5129 m3/d，，每度電以0.454元計，系統按每年運行330天計，則一年可以節約電費為：
5129′330′（6.18-5.88）′0.454=23.05萬元（人民幣）
（2）減少回流，節約電能
        注污水區塊目前地質配注量為5129 m3/d，注水站平均注水量為7131m3/d，系統通過打回流的方式將多余的水量注入了普通污水注水管網，嚴重浪費了水源和電能。
        對污水區塊通過高壓變頻調節后，在保證地質配注量的基礎上嚴格控制注水量，避免打回流現象。對變頻器調節水量的取值，取泵平均排量與地質配注量的差值（7131-5129），系統單耗為5.88 kWh（系統改造前單耗為6.18 kWh），每度電電費為0.454元，系統按每年運行330天計，則年節電費為：
（7131-5129）′330′5.88′0.454=176.36萬元（人民幣）
（3）注污水區塊總節能及投資回收期
        注污水區塊經過改造后一年可節省費用199.41萬元（人民幣），根據大慶油田經濟評價軟件計算，系統投資回收期為2-3年左右（選用美國A-B公司PowerFlex 7000 PWM變頻器）。內部收益率為46.81%，財務凈現值為1382.1萬元。
四．美國A-B公司PowerFlex 7000 PWM系列高壓變頻器介紹
        當今市場上多數高壓變頻器都是采用多個功率單元（IGBT）串聯的形式以獲得高壓，并且通過在變頻器輸入端串、并聯整流器和使用隔離變壓器來降低變頻器進線端諧波，這使得變頻器系統復雜、器件、連線繁多。
        美國羅克韋爾自動化（Rockwell）A-B公司率先推出PowerFlexTM7000 PWM系列高壓變頻器，它是當今世界最先進、最可靠的變頻器，也是唯一一家在整流和逆變端均采用PWM技術，使用時輸入端既不需要無源濾波器也不需要隔離變壓器的變頻器，不但可以滿足IEEE-519諧波標準，還能提供近似于１的功率因數，系統效率可由原來的96%提高到99.9%，優化了變頻的運行性能，是真正意義的變頻器，它在中壓市場有相當的吸引力和競爭力，在國際上已有廣泛的應用業績，正逐步取代脈沖整流型變頻器。

圖九為PowerFlex 7000 PWM的整流逆變電路以及其輸出電流和電壓波形，其功率系統結構簡單，整個調速和負載范圍近似正弦的電壓電流波形如同正弦波形一樣，不會產生電機發熱和絕緣損傷，善待電機。同時A-B公司的變頻器采用了脈寬調制技術（PWM）－－電流源逆變器（CSI）及免傳感器的直接矢量控制，可對變力負載進行實時控制，尤其適用于對離心泵進行控制。其先進的高壓對稱門極換流閘流管功率器件（SGCT）及集成門驅動電路，是當今所有高壓變頻器中使用器件最少者（如圖所示），可獲得最高的可靠性；這種結構是簡單、可靠和高性價比的功率單元，能適應較寬的電壓和功率范圍。
本方案中，我們建議選用A-B公司PowerFlexTM 7000 PWM高壓變頻器，省去隔離變壓器可以減少器件和安裝成本，節約寶貴的空間，并可提高整個系統的效率。

五．高壓變頻器選型建議
        通過附件四（高壓變頻器在油田的應用情況）和附件五（高壓大功率變頻器的發展概況）的分析，我們建議選用美國Rockwell自動化A-B公司生產的PowerFlex7000 PWM型高壓變頻器。原因有以下幾點：
1. 從原理
        美國A-B公司生產的PowerFlex7000 PWM電流型高壓變頻器，輸入輸出端無需隔離變壓器，其功率器件采用SGCT，最高效率大于99.9%。其它變頻器均為由功率器件IGBT直接串聯逆變的變頻器，除成都佳靈的GY型變頻器輸入端不需隔離變壓器外，其它廠家的變頻器均需要輸入隔離變壓器以降低諧波。與其它廠變頻器相比，A-B公司PowerFlex7000 PWM型高壓變頻器具有原理先進、可靠性高、體積小、重量輕、散熱少、損耗小的優勢。
2. 從可靠性
        由A-B公司獨家開發的功率器件SGCT集成技術（對稱門極換流晶閘管），耐壓高達6500V，整機只需6只功率器件，電路極其簡單。同時變頻器內部單元均實現集成化，解決了其它類型的變頻器由于其觸發控制與功率模塊分離而降低可靠性并增加整機溫升的問題，從而大大提高變頻器的性能、改善整機散熱效果。
3. 從應用業績
        高壓大功率變頻器近幾年發展迅速，在冶金、鋼鐵、石油化工、供水等領域得到廣泛應用，取得了較好的節能效果。A-B公司生產的PowerFlex7000高壓變頻器在國內各行業有200多臺（自98年進入中國以來）、在全世界有上萬臺的應用業績，是一項技術成熟、性能可靠的產品。國內高壓大功率變頻器近年來剛剛發展起步，其技術還處于前期探索階段。
4. 從投資
        單從高壓變頻器的投資看，A-B公司生產的PowerFlex7000 PWM型變頻器比其它變頻器的價格略高，但A-B公司PowerFlex7000 PWM變頻器的使用效率比其它變頻器高出2%左右，由前面的節能分析可知，單此項便可年節電費近20萬元人民幣。
        綜上，從產品原理、可靠性、應用業績、投資回報等多項因素考慮，我們建議選用美國Rockwell自動化A-B公司生產的PowerFlex7000 PWM型高壓變頻器。