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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(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(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)行情況來看，注污水區(qū)塊相對于我廠其它系統(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，而配注量僅為5129 m3/d），由于受系統(tǒng)壓力等因素的影響，對于高壓大功率離心式注水泵無法進(jìn)行無極差的排量調(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)，很難及時跟蹤系統(tǒng)的變化，人工調(diào)節(jié)在時間上存在滯后性。

    （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、。

    針對以上情況，對污水區(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，由于不同時期地質(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(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）、依靠人工手動調(diào)節(jié)注水泵的開啟臺數(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(fèi)；同時這種做法不能適應(yīng)注水生產(chǎn)的動態(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、存在的問題及今后站外注入系統(tǒng)的變化等方面考慮，我們建議對該站實(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，編制了變頻器驅(qū)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(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)動方案和閉環(huán)尋優(yōu)控制調(diào)節(jié)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(yùn)行的時率；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)的兩個主要參數(shù)，將系統(tǒng)實(shí)測的流量和壓力信號與地質(zhì)要求的流量和壓力（期望值）進(jìn)行雙PID調(diào)節(jié)；通過模糊推理的方法自動尋優(yōu)控制，根據(jù)推理結(jié)果，系統(tǒng)及時自動調(diào)整高壓變頻器的輸出，并自動計(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)控制過程如下：由智能傳感器對各運(yùn)行注水泵進(jìn)行實(shí)時數(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)測和控制的兩個最主要參數(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)測的壓力信號與系統(tǒng)的配注壓力（期望值）相比，并將其差值送往過程參數(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PID整定信號，利用模糊推理的方法，在滿足系統(tǒng)干壓的前提下，系統(tǒng)及時自動調(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，通過頻率的變化以達(dá)到期望的排量值。通過上述閉環(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)時需充分考慮到系統(tǒng)地質(zhì)要求注水量的動態(tài)變化，以適應(yīng)污水和清水區(qū)塊水量的動態(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，通過高壓切換裝置分別控制污水和清水兩個系統(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(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)行一臺泵，泵排量與實(shí)際注入量相接近。
通過以上比較，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，目前暫無需對該區(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(yōu)勢：

    （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，再沒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、準(zhǔn)確、可靠的現(xiàn)場數(shù)據(jù)：在喇400站內(nèi)只需擺放一張操作臺、一臺顯示器和一臺打印機(jī)，值班人員可通過組態(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可通過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)境溫度過高或過低而影響變頻器正常運(yùn)行，本系統(tǒng)在變頻器移動裝置中設(shè)計(jì)了室內(nèi)溫度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。移動房內(nèi)安裝有一臺冷暖式空調(diào)（變頻器為風(fēng)冷式），并配有溫度檢測系統(tǒng)，當(dāng)檢測到室內(nèi)溫度高于40C時，溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)將自動啟動空調(diào)制冷；當(dāng)檢測到室內(nèi)溫度低于0C時，溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)將自動啟動空調(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(zhǔn)確無誤；切換裝置設(shè)計(jì)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。

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)塊中各選一臺泵由變頻器驅(qū)動，可實(shí)現(xiàn)由一臺變頻器對兩個注水區(qū)塊的水量調(diào)節(jié)（自動尋優(yōu)控制），此處，在注污水區(qū)塊選擇2號泵，在注清水區(qū)塊選擇3號泵。污水和清水兩套系統(tǒng)任何時候只有一套變頻運(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號泵變頻運(yùn)行：1KM1合，1KM2、2KM1、2KM2開；

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

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

    3號泵工頻運(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）。從使用的長遠(yuǎn)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 (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，當(dāng)泵的轉(zhuǎn)速下降1個單位，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)速正式通過變頻器改變電源的頻率來控制泵的轉(zhuǎn)速，這充分說明變頻調(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)簡單，整個調(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，不會產(chǎn)生電機(jī)發(fā)熱和絕緣損傷，善待電機(jī)。同時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，可對變力負(fù)載進(jìn)行實(shí)時控制，尤其適用于對離心泵進(jìn)行控制。其先進(jìn)的高壓對稱門極換流閘流管功率器件（SGCT）及集成門驅(qū)動電路，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)是簡單、可靠和高性價比的功率單元，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，并可提高整個系統(tǒng)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(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Rockwell自動化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A-B公司生產(chǎn)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(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。

    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，電路極其簡單。同時變頻器內(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

    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高壓變頻器在國內(nèi)各行業(yè)有200多臺（自98年進(jìn)入中國以來）、在全世界有上萬臺的應(yīng)用業(yè)績，是一項(xiàng)技術(shù)成熟、性能可靠的產(chǎn)品。國內(nèi)高壓大功率變頻器近年來剛剛發(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20萬元人民幣。

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