一． 喇400注水站概況

    1. 概述

    喇400注水站是我廠北西塊聚驅(qū)注水站，于2000年11月建成投產(chǎn)，設(shè)計(jì)規(guī)模為2.88104m3/d，共有157口聚合物注水井。該站現(xiàn)分為注曝氧污水和清水兩套流程，站內(nèi)共有5臺(tái)泵（型號(hào)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(gè)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(jié)束。站內(nèi)各泵及配套電機(jī)參數(shù)如表一和表二所示。

    表一：喇400注水站注水泵型號(hào)及參數(shù)

圖一  注污水泵站及注入站平面圖

    以2003年5月20日~2003年6月20日一個(gè)月間污水區(qū)塊的工作數(shù)據(jù)為例，該區(qū)塊在此期間的生產(chǎn)曲線如圖二所示。
  

    污水區(qū)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(jìn)入普通污水注水管網(wǎng)。

    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(qū)塊現(xiàn)狀

    3#、4#、5#泵用于注清水，平常只運(yùn)行一臺(tái)泵，另兩臺(tái)泵備用，由3#、4#、5#倒換工作。周邊輻射有五個(gè)注入站，分別為1#、2#、3#、4#、8#注入站。該系統(tǒng)平面圖如圖三所示。

圖三  注清水泵站及注入站平面圖

    以2003年5月20日~2003年6月20日一個(gè)月間清水區(qū)塊的工作數(shù)據(jù)為例，該區(qū)塊在此期間的生產(chǎn)曲線如圖四所示。
  
 

    清水區(qū)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(shù)改造的必要性

    根據(jù)北西塊注水站目前運(yùn)行情況來(lái)看，注污水區(qū)塊相對(duì)于我廠其它系統(tǒng)單耗高的原因主要有三點(diǎn)：

    （1） 打回流嚴(yán)重浪費(fèi)了電能和水源。主要是由于目前污水區(qū)塊站內(nèi)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?jī)H為5129 m3/d），由于受系統(tǒng)壓力等因素的影響，對(duì)于高壓大功率離心式注水泵無(wú)法進(jìn)行無(wú)極差的排量調(diào)節(jié)，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(diào)節(jié)，很難及時(shí)跟蹤系統(tǒng)的變化，人工調(diào)節(jié)在時(shí)間上存在滯后性。

    （3） 站內(nèi)管理還處于手工操作階段，各種數(shù)據(jù)全由人工記錄，缺乏對(duì)各運(yùn)行參數(shù)的最優(yōu)化分析，很難保證設(shè)備高效、合理運(yùn)行、。

    針對(duì)以上情況，對(duì)污水區(qū)塊實(shí)施高壓變頻技術(shù)改造，將可有效降低單耗、避免回流。

    同時(shí)，由于不同時(shí)期地質(zhì)配注量的調(diào)整及注入速度調(diào)整的影響，致使注水量的波動(dòng)較大。附件二為喇400（北西塊）注水站自2000年以來(lái)污水、清水日注入量曲線，該曲線列出了自2000年以來(lái)近三年該站污水、清水日注入量數(shù)據(jù)，由圖中的數(shù)據(jù)可知，兩套系統(tǒng)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(yīng)注水量的變化，需頻繁調(diào)注水泵及管網(wǎng)的運(yùn)行方式。如果只是以靜態(tài)的方式考慮治理的措施，如對(duì)注水泵能力進(jìn)行重新配置（更換大泵或小泵）、依靠人工手動(dòng)調(diào)節(jié)注水泵的開啟臺(tái)數(shù)及閥門的開閉度以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的注水量，從實(shí)際上講也可以在一定程度上暫時(shí)解決某個(gè)階段存在的問(wèn)題。但一方面，這些做法難以做到精確控制，造成電能浪費(fèi)；同時(shí)這種做法不能適應(yīng)注水生產(chǎn)的動(dòng)態(tài)變化，一旦情況發(fā)生變化，注水站能力配置又將不適應(yīng)站外注入動(dòng)態(tài)的變化，需繼續(xù)進(jìn)行改造，引起重復(fù)投資。所以，從喇400注水站的生產(chǎn)現(xiàn)狀、存在的問(wèn)題及今后站外注入系統(tǒng)的變化等方面考慮，我們建議對(duì)該站實(shí)施高壓變頻改造。

    二． 喇400注水系統(tǒng)調(diào)整改造方案

    1. 技術(shù)改造方案

    鑒于喇400注水站的實(shí)際狀況，在考慮區(qū)塊開發(fā)和水量平衡的同時(shí)，編制了變頻器驅(qū)動(dòng)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(jī)組注水站外網(wǎng)注水井。考慮到歷史運(yùn)行狀況，此次設(shè)計(jì)時(shí)兼顧現(xiàn)有的清水管網(wǎng)和污水管網(wǎng)的互用，采用一拖二變頻驅(qū)動(dòng)方案和閉環(huán)尋優(yōu)控制調(diào)節(jié)方式，即變頻器通過(guò)輸出切換可分別控制兩臺(tái)注水泵（污水、清水各一臺(tái)），從而保證變頻器運(yùn)行的時(shí)率；采用閉環(huán)尋優(yōu)控制解決泵管壓差大、單耗高、水量浪費(fèi)嚴(yán)重的問(wèn)題。
 
    閉環(huán)控制系統(tǒng)原理如圖五所示。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)算出變頻器的最佳運(yùn)行頻率。

圖五　高壓變頻控制原理

    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。

    2.  高壓變頻器在污水、清水系統(tǒng)中切換運(yùn)行方案

    系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮到系統(tǒng)地質(zhì)要求注水量的動(dòng)態(tài)變化，以適應(yīng)污水和清水區(qū)塊水量的動(dòng)態(tài)調(diào)整。將高壓變頻器的控制方式設(shè)計(jì)為一控二的方式，通過(guò)高壓切換裝置分別控制污水和清水兩個(gè)系統(tǒng)，如圖六所示。
 

    根據(jù)前面喇400注水站概況分析知：

    （1）污水區(qū)塊目前地質(zhì)配注量為5129 m3/d，系統(tǒng)現(xiàn)運(yùn)行一臺(tái)泵，泵排量為6410~7498 m3/d，回流量為1708~2827 m3/d，由于起一臺(tái)泵多出的水量較多，造成了水源和電能的較大浪費(fèi)，系統(tǒng)需調(diào)節(jié)多出的這部分水量。

    （2）注清水區(qū)塊目前地質(zhì)配注量為8683 m3/d，系統(tǒng)運(yùn)行一臺(tái)泵，泵排量與實(shí)際注入量相接近。
通過(guò)以上比較，清水區(qū)塊現(xiàn)階段實(shí)際注水量與地質(zhì)配注量相接近，目前暫無(wú)需對(duì)該區(qū)塊進(jìn)行改造。高壓變頻器目前主要用于注污水區(qū)塊多余水量的調(diào)整。

    3. 采用移動(dòng)式工作站提高利用率

    為增加系統(tǒng)的靈活性，將控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為移動(dòng)式工作站的方式，即將控制柜及高壓變頻器同時(shí)放于撬裝裝置中，如圖七所示。

    采用移動(dòng)式工作站主要有以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)：

    （1）不占用值班室的空間：喇400注水站站內(nèi)值班室空間較小，現(xiàn)已有幾面柜體，再?zèng)]有足夠空間擺放本系統(tǒng)控制柜，需要新建房屋或另尋空間；

    （2）為值班人員提供及時(shí)、準(zhǔn)確、可靠的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)：在喇400站內(nèi)只需擺放一張操作臺(tái)、一臺(tái)顯示器和一臺(tái)打印機(jī)，值班人員可通過(guò)組態(tài)畫面方便查看系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)及各運(yùn)行參數(shù)，并方便打印各種報(bào)表；

    （3）增加高壓變頻器使用的靈活性：喇400現(xiàn)有污水和清水兩套系統(tǒng)，目前污水系統(tǒng)需要高壓變頻器來(lái)調(diào)節(jié)多余水量；或許今后清水系統(tǒng)需用高壓變頻器調(diào)節(jié)多余水量；或許注聚結(jié)束后不再需要高壓變頻器（預(yù)計(jì)在2005年后，系統(tǒng)將停止注聚合物，喇400注水站5臺(tái)泵將全部改為注普通污水）。當(dāng)喇400注水站不再需要高壓變頻器時(shí)可通過(guò)撬裝裝置將高壓變頻器挪用別處。

    （4）增強(qiáng)系統(tǒng)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(diào)試和管理。

    4. 工作溫度解決方案

    據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)表明，大慶地區(qū)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(huán)境溫度過(guò)高或過(guò)低而影響變頻器正常運(yùn)行，本系統(tǒng)在變頻器移動(dòng)裝置中設(shè)計(jì)了室內(nèi)溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。移動(dòng)房?jī)?nèi)安裝有一臺(tái)冷暖式空調(diào)（變頻器為風(fēng)冷式），并配有溫度檢測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)檢測(cè)到室內(nèi)溫度高于40C時(shí)，溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)將自動(dòng)啟動(dòng)空調(diào)制冷；當(dāng)檢測(cè)到室內(nèi)溫度低于0C時(shí)，溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)將自動(dòng)啟動(dòng)空調(diào)加熱，確保變頻器在要求的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。

    5. 一拖二控制技術(shù)方案

    高壓變頻器可通過(guò)高壓切換裝置在污水或清水區(qū)塊運(yùn)行，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用可編程邏輯控制器（PLC）輸出信號(hào)至切換裝置，確保切換信號(hào)的準(zhǔn)確無(wú)誤；切換裝置設(shè)計(jì)為連動(dòng)互鎖以確保切換過(guò)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。

圖八 高壓變頻器切換裝置示意圖

    在注污水區(qū)塊和注清水區(qū)塊中各選一臺(tái)泵由變頻器驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)由一臺(tái)變頻器對(duì)兩個(gè)注水區(qū)塊的水量調(diào)節(jié)（自動(dòng)尋優(yōu)控制），此處，在注污水區(qū)塊選擇2號(hào)泵，在注清水區(qū)塊選擇3號(hào)泵。污水和清水兩套系統(tǒng)任何時(shí)候只有一套變頻運(yùn)行。
在系統(tǒng)正常工作情況下，QF0、QF1和QF2 合，KM1、KM2為閉合狀態(tài)（設(shè)備檢修除外），由1KM1、1KM2，2KM1、2KM2四組真空接觸器決定系統(tǒng)的工作方式，由圖知，兩套系統(tǒng)的工作方式及切換開關(guān)的狀態(tài)為：

    2號(hào)泵變頻運(yùn)行：1KM1合，1KM2、2KM1、2KM2開；

    2號(hào)泵工頻運(yùn)行：1KM2合，1KM1、2KM1、2KM2開；

    3號(hào)泵變頻運(yùn)行：2KM1合，1KM1、1KM2、2KM2開；

    3號(hào)泵工頻運(yùn)行：2KM2合，1KM1、1KM2、2KM1開。

    三． 系統(tǒng)改造費(fèi)用及投資回收期分析

    1. 系統(tǒng)改造費(fèi)用

    系統(tǒng)改造費(fèi)用根據(jù)變頻器的選型不同而不同，但作為最終用戶往往還會(huì)考慮到設(shè)備的運(yùn)行成本（維修費(fèi)用+備件費(fèi)用+停產(chǎn)損失）。從使用的長(zhǎng)遠(yuǎn)角度及高壓變頻器的性價(jià)比考慮，推薦選用美國(guó)A-B公司的PowerFlex7000 PWM型變頻器。

    2. 投資回收期分析

    由公式           p1/p2 (n1/n2)3　　　　　　　（其中，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)能的最好方法。
由前述的現(xiàn)階段系統(tǒng)改造知，目前只對(duì)污水區(qū)塊進(jìn)行高壓變頻調(diào)節(jié)，注清水區(qū)塊暫不用調(diào)節(jié)，則節(jié)能分析主要是針對(duì)污水區(qū)塊的節(jié)能。

    據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，系統(tǒng)改造后各運(yùn)行參數(shù)及性能指標(biāo)如下表所示：

      

圖九   PowerFlex 7000 PWM

    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(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，整個(gè)調(diào)速和負(fù)載范圍近似正弦的電壓電流波形如同正弦波形一樣，不會(huì)產(chǎn)生電機(jī)發(fā)熱和絕緣損傷，善待電機(jī)。同時(shí)A-B公司的變頻器采用了脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM）--電流源逆變器（CSI）及免傳感器的直接矢量控制，可對(duì)變力負(fù)載進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，尤其適用于對(duì)離心泵進(jìn)行控制。其先進(jìn)的高壓對(duì)稱門極換流閘流管功率器件（SGCT）及集成門驅(qū)動(dòng)電路，是當(dāng)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(jié)構(gòu)是簡(jiǎn)單、可靠和高性價(jià)比的功率單元，能適應(yīng)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(jié)約寶貴的空間，并可提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。

    五． 高壓變頻器選型建議

    通過(guò)附件四（高壓變頻器在油田的應(yīng)用情況）和附件五（高壓大功率變頻器的發(fā)展概況）的分析，我們建議選用美國(guó)Rockwell自動(dòng)化A-B公司生產(chǎn)的PowerFlex7000 PWM型高壓變頻器。原因有以下幾點(diǎn)：

    1. 從原理

    美國(guó)A-B公司生產(chǎn)的PowerFlex7000 PWM電流型高壓變頻器，輸入輸出端無(wú)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(lián)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(jìn)、可靠性高、體積小、重量輕、散熱少、損耗小的優(yōu)勢(shì)。

    2. 從可靠性

    由A-B公司獨(dú)家開發(fā)的功率器件SGCT集成技術(shù)（對(duì)稱門極換流晶閘管），耐壓高達(dá)6500V，整機(jī)只需6只功率器件，電路極其簡(jiǎn)單。同時(shí)變頻器內(nèi)部單元均實(shí)現(xiàn)集成化，解決了其它類型的變頻器由于其觸發(fā)控制與功率模塊分離而降低可靠性并增加整機(jī)溫升的問(wèn)題，從而大大提高變頻器的性能、改善整機(jī)散熱效果。

    3. 從應(yīng)用業(yè)績(jī)

    高壓大功率變頻器近幾年發(fā)展迅速，在冶金、鋼鐵、石油化工、供水等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，取得了較好的節(jié)能效果。A-B公司生產(chǎn)的PowerFlex7000高壓變頻器在國(guó)內(nèi)各行業(yè)有200多臺(tái)（自98年進(jìn)入中國(guó)以來(lái)）、在全世界有上萬(wàn)臺(tái)的應(yīng)用業(yè)績(jī)，是一項(xiàng)技術(shù)成熟、性能可靠的產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)高壓大功率變頻器近年來(lái)剛剛發(fā)展起步，其技術(shù)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(chǎn)的PowerFlex7000 PWM型變頻器比其它變頻器的價(jià)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(jié)能分析可知，單此項(xiàng)便可年節(jié)電費(fèi)近20萬(wàn)元人民幣。

    綜上，從產(chǎn)品原理、可靠性、應(yīng)用業(yè)績(jī)、投資回報(bào)等多項(xiàng)因素考慮，我們建議選用美國(guó)Rockwell自動(dòng)化A-B公司生產(chǎn)的PowerFlex7000 PWM型高壓變頻器。