目前，在油田注水系統(tǒng)中，進(jìn)口高壓大功率變頻技術(shù)得到了部分應(yīng)用，但進(jìn)口高壓大功率變頻器價(jià)格昂貴、維修困難又限制了該技術(shù)的推廣。在我廠聚北十六注水站應(yīng)用的國產(chǎn)高壓大功率變頻器，是首次在油田注水系統(tǒng)中應(yīng)用，通過其在注水管網(wǎng)中的連續(xù)運(yùn)行實(shí)踐，該項(xiàng)目達(dá)到了預(yù)期的節(jié)能效果，并且在滿足生產(chǎn)需求方面發(fā)揮了較大的作用。
一、高壓變頻器結(jié)構(gòu)原理
（一）技術(shù)現(xiàn)狀
目前，從國內(nèi)和國外的變頻器市場上看，高壓變頻器基本應(yīng)用4種技術(shù)（如表1），從表中可以看出，多級串聯(lián)電壓型變頻器是目前最為成熟和先進(jìn)的技術(shù)。
（二）設(shè)備原理
該設(shè)備采用免維護(hù)設(shè)計(jì)，使用壽命15年。該設(shè)備的突出特點(diǎn)為應(yīng)用移相隔離變壓器技術(shù)和高壓旁路技術(shù)。移相變壓器電氣原理如圖1所示，變壓器原邊繞組為6kV, 副邊共24個（非自動旁路功能需要18個），繞組分為三相。每個繞組為延邊三角形接法，分別有±5o 、±15o 、±25o 等移相角度，每個繞組接一個功率單元。因此移相隔離變壓器能夠有效抑制電網(wǎng)側(cè)的電流諧波和變頻部分的諧波注入電網(wǎng)，輸入電壓和電流之間沒有相移，可以省掉諧波抑制環(huán)節(jié)和無功補(bǔ)償裝置，設(shè)備功率因數(shù)高，變壓器絕緣耐熱等級達(dá)到H級，最高允許溫升180℃，耐熱余量較大。
高壓旁路技術(shù)原理見圖2，每相6個為工作單元，另外2個單元作為旁路熱備用。當(dāng)設(shè)備單元故障時(shí)，自動切換到本回路內(nèi)的其他熱備單元，由計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)無擾動切換。因此，在連續(xù)運(yùn)行的情況時(shí)，最多在6個單元損壞的情況下（每相損壞兩個），保證連續(xù)工作。
高壓變頻器采用單元串聯(lián)多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由若干個低壓變頻功率單元串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)直接高壓輸出,高壓主回路與控制器之間采用光纖連接，保證系統(tǒng)和操作人員安全可靠。
（三）設(shè)備結(jié)構(gòu)
該設(shè)備由1個控制柜、8個單元柜、一個移相變壓器柜、1面旁通刀閘控制柜組成，單元柜內(nèi)共安裝24個單元，每項(xiàng)串連8個單元，設(shè)備總重量13.5噸，設(shè)備占地17m2。
（四）設(shè)備技術(shù)參數(shù)
系統(tǒng)控制器：SIEMENS S7-300
變頻器容量：3000kVA
額定電流：303A
輸出頻率：0～50/60Hz ，三相
頻率精度：±0.05%
頻率分辨率：0.01 Hz
加減速時(shí)間：1～3000秒可調(diào)
功率因數(shù)：＞0.96（20%負(fù)荷以上）
效 率：＞96%
過載能力：120%額定電流值下30秒
防護(hù)等級：IP31
用戶地網(wǎng)接地電阻：≤4Ω
環(huán)境溫度：0℃～40℃
環(huán)境濕度：＜90％（20℃時(shí)）
設(shè)備總噪聲：＜85dB
輸入輸出濾波器：不需要
輸入輸出諧波含量THD：<3%(符合GB14549-93及IEEE519的要求)
故障診斷方式：計(jì)算機(jī)在線自診斷
允許網(wǎng)側(cè)輸入電壓消失時(shí)間：≤100mS
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方式：模塊化單元式結(jié)構(gòu)
人機(jī)聯(lián)系方式：觸摸面板和觸摸屏（輸入）LCD或液晶顯示屏（輸出）
故障切換：故障單元自動旁路
二、設(shè)計(jì)方案及特點(diǎn)
（一）應(yīng)用地點(diǎn)的選擇及現(xiàn)狀
通過對三廠注水站生產(chǎn)情況的分析發(fā)現(xiàn)，由于注聚管網(wǎng)是隨聚驅(qū)區(qū)塊逐漸開發(fā)，各區(qū)塊內(nèi)部注聚的開始和結(jié)束時(shí)間又不一致，因此，各區(qū)塊的管網(wǎng)沒有完全連網(wǎng)，經(jīng)常造成運(yùn)行多余的清水注入基礎(chǔ)井網(wǎng)，既浪費(fèi)清水又使其它管網(wǎng)壓力升高，為減少浪費(fèi)清水，站上只能控制注水泵的排量，導(dǎo)致泵的運(yùn)行參數(shù)不合理，能耗增加。
通過論證，確定選擇在聚北十六注水站安裝高壓變頻器，主要原因一是為了解決聚驅(qū)注水站受開發(fā)階段性影響水量波動較大，造成清水和能源浪費(fèi)的問題；二是由于聚北十六注水站和聚北十七注水站清水管線已聯(lián)網(wǎng)，在2003年7月北三東西塊投產(chǎn)后，聚北十六注水站的高壓變頻器在7年時(shí)間里（2003年7月-2010年10月）可同時(shí)調(diào)節(jié)兩站清水量。
聚北十六注水站于2000年投產(chǎn)，位于北二東西塊，該站設(shè)計(jì)能力為1.68×104m3/d，有DF400-150×11注水泵1臺（電機(jī)功率2500 kW）、D300-150×11注水泵1臺（電機(jī)功率2240kW）、D300-150×9注水泵1臺（電機(jī)功率2240kW），為北二東（18－1、2、3、4）及東過南塊（18－5）5座注入站供低礦化度清水。
聚北十七注水站于2003年投產(chǎn)，位于北三東西塊，該站設(shè)計(jì)能力為1.68×104m3/d，有DF400-150×11注水泵1臺（電機(jī)功率2500 kW）、D300-150×11注水泵2臺（電機(jī)功率2240 kW），為北三東（18－6、7、8）3座注入站供低礦化度清水。
聚北十六注水站與聚北十七注水站，在18－1注聚站進(jìn)站注水管線上與聚北十七注水站連通，管線型號為Φ168×13，這樣聚北十六注水站與聚北十七注水站組成了一個區(qū)域注水管網(wǎng)。
在未使用高壓變頻器之前，該區(qū)塊清水管網(wǎng)平均單耗最高達(dá)到7.5kWh/m3，泵管壓差最高達(dá)到3.5Mpa。
（二）設(shè)計(jì)方案
如圖7所示，在聚北十六注水站與電所之間，新建輕板房一座，作為高壓變頻器室。高壓變頻器設(shè)備費(fèi)用為286萬元，配套附屬設(shè)施費(fèi)用為144萬元，設(shè)計(jì)概算資金為430萬元。
（三）設(shè)計(jì)特點(diǎn)
1.設(shè)備改造成水冷方式
設(shè)備原設(shè)計(jì)為風(fēng)冷卻，我廠對設(shè)備的適應(yīng)性進(jìn)行了充分的調(diào)研和論證，針對設(shè)備冷卻方式（風(fēng)冷）不合理的問題，提出了改進(jìn)方案，即變頻器加裝循環(huán)水冷卻器，采用清水干線來水作為冷卻水，冷卻后進(jìn)入注水泵進(jìn)口，注入地下，消除了可能由于溫度高而不能運(yùn)行的隱患。同時(shí)設(shè)計(jì)一套后備循環(huán)冷卻系統(tǒng)，在該站不注清水時(shí)冷卻高壓變頻器，避免清水浪費(fèi)。設(shè)備投運(yùn)后，高壓變頻器室內(nèi)未加裝冷卻及通風(fēng)散熱系統(tǒng)，設(shè)備冷卻水管進(jìn)出口溫差為1℃。
2.靈活的系統(tǒng)主接線形式
設(shè)計(jì)主接線采用變頻器一拖二形式，即可以分別用變頻或工頻啟動1#或3#注水電機(jī)，達(dá)到靈活使用目的，并利用電所原有的備用出線開關(guān)柜和電機(jī)開關(guān)柜，原有工頻啟動方式及程序不變。該項(xiàng)可節(jié)省投資15萬元。
3.電機(jī)（泵）保護(hù)
聚北十六變電所為綜合自動化保護(hù)，在變頻狀態(tài)下，將注水電機(jī)保護(hù)測控單元的保護(hù)信號，接入到變頻器的保護(hù)測控單元，原有電機(jī)保護(hù)信號全部有效，電機(jī)保護(hù)跳閘信號直接將變頻器電源斷開，原有保護(hù)功能及參數(shù)不變。
4.變頻器內(nèi)置的保護(hù)
變頻器實(shí)現(xiàn)自身過載、過熱、輸出接地、輸出短路等保護(hù)功能。對電動機(jī)有過電流、欠電壓、缺相、過載等保護(hù)功能， 變頻器跳閘信號直接接入其電源斷路器跳閘回路。
5.設(shè)計(jì)加裝繼電保護(hù)
由于變頻啟動時(shí)，原有啟動程序無效，所以設(shè)計(jì)加裝繼電保護(hù)裝置，防止工頻與變頻切換時(shí)可能引起的誤操作。如主接線圖（圖8）所示，4G和5G間、4G和1DL間、5G和3DL間采用電子互鎖。在變頻啟動時(shí)電機(jī)所有保護(hù)信號（掉閘）進(jìn)入2DL保護(hù)測控單元，變頻啟動時(shí)有關(guān)開關(guān)柜門采用電磁鎖鎖定，有關(guān)開關(guān)柜門開時(shí)變頻無法啟動，保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。
6.變頻器控制方式
變頻器采用二種控制方式，一是開環(huán)控制，即人為設(shè)定電機(jī)頻率進(jìn)行控制輸出，正常狀態(tài)下不使用。二是閉環(huán)控制，即變頻器通過對管網(wǎng)的壓力檢測、優(yōu)化，自動控制注水泵出口壓力，從而達(dá)到消除泵管壓差，調(diào)節(jié)管網(wǎng)水量，使管網(wǎng)壓力分配更加合理，節(jié)約電能，正常生產(chǎn)狀態(tài)下采用此方式運(yùn)行。
三、變頻器運(yùn)行情況分析
高壓變頻器于2004年6月14日正式投產(chǎn)運(yùn)行至今，聚北十六注水站的泵管壓差降為0，單耗略有上升，聚北十七泵管壓差下降，單耗下降，從高壓變頻器運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)表（表2）中可以看出，高壓變頻器目前運(yùn)轉(zhuǎn)正常，設(shè)備發(fā)熱量正常，控制準(zhǔn)確，對軸瓦、電機(jī)設(shè)備適應(yīng)性較好。
我們選用了安裝施工后前后兩個月的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析，在這兩個月中，聚北十六注水站運(yùn)行3＃注水泵（電機(jī)功率2240 kW），聚北十七注水站運(yùn)行3＃注水泵（電機(jī)功率2240 kW）。
（一）泵效測試分析
通過北十六注水泵泵效實(shí)測分析（測試表見表3），安裝變頻前，通過調(diào)節(jié)注水泵出口閥門，調(diào)節(jié)流量，能耗損失集中在閥門上，電機(jī)輸出軸功率較高，單耗較高。安裝變頻后，通過變頻改變泵軸轉(zhuǎn)速，引起流量的變化，注水泵出口閥門處于全開狀態(tài)，沒有控制損失，相同流量下，輸出軸功率降低，單耗降低(約12％）。注水泵效率與工頻狀態(tài)下基本相同，低流量下，變頻控制泵效較工頻略高。
（二）水量分析
聚北十六注水站應(yīng)用高壓變頻器，使得該區(qū)域管網(wǎng)的壓力及流量狀況趨于合理，減少了由于泵壓高注入到基礎(chǔ)井網(wǎng)的水量，整體注水量變小，從表4可以看出，聚北十七日注水量約增加10％，而聚北十六注水量減少量較大，達(dá)到52％，整個注聚區(qū)塊注水量減少了25％。
由表5所示水量可以看出，聚北十六注水站在應(yīng)用高壓變頻器裝置以后的外輸水量小于18-3、4、5三個<
