武永鋒（湛江南海西部石油勘察設(shè)計(jì)有限公司）

高壓變頻器“一變多控”技術(shù)在海上油田注水系統(tǒng)的應(yīng)用

武永鋒（湛江南海西部石油勘察設(shè)計(jì)有限公司）

高壓注水是海上油田開發(fā)工程中重要的一環(huán)，針對(duì)某平臺(tái)多臺(tái)注水泵在油田注水開發(fā)中存在的問題，分析了目前注水泵的啟動(dòng)方式和無法實(shí)現(xiàn)調(diào)壓注水功能存在的問題，結(jié)合平臺(tái)注水系統(tǒng)工藝流程優(yōu)化的需要和變頻器技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)，提出了采用一臺(tái)變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái)注水泵“一變多控”實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和調(diào)壓注水功能。采用的“一變多控”實(shí)現(xiàn)了多臺(tái)注水泵在串聯(lián)或并聯(lián)運(yùn)行中的同步切換，減少了變頻器對(duì)注水泵一對(duì)一的控制，達(dá)到了注水工藝的控制要求。同時(shí)，改造實(shí)施后，減少了脫氧海水和化學(xué)藥劑的排放，節(jié)約了能源，提高了注水效率。

油田注水 高壓變頻器 變頻調(diào)速 一變多控 海上油田

某海上平臺(tái)注水系統(tǒng)三臺(tái)注水泵啟動(dòng)方式原為自耦變壓器一對(duì)一啟停操作，在生產(chǎn)過程中，啟泵時(shí)沖擊電流較大，而且要大功率啟動(dòng)時(shí)需要啟動(dòng)備用電動(dòng)機(jī)，給平臺(tái)操作帶來不便，見圖1。另外平臺(tái)三臺(tái)注水泵中，注水泵A為一級(jí)注水泵，注水泵B為二級(jí)注水泵，注水泵 C 為 A/B泵的備用泵。在平臺(tái)實(shí)際注水過程中，由于工藝變化，注水泵不能很好工作在有效區(qū)域 （注水泵的設(shè)計(jì)排量在 100m3/h 左右，而實(shí)際注入地層的海水在 30～60m3/h 左右），約有 40～70m3/h 海水排海，見圖2。注入海水中的添加的化學(xué)藥劑隨之排出，一方面造成海洋環(huán)境污染，另外一方面造成化學(xué)藥劑的極大浪費(fèi)。

圖1 注水泵自耦變壓器啟動(dòng)一次圖

圖2 注水系統(tǒng)流程優(yōu)化后的流程

1“一變多控”高壓變頻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1“一變多控”高壓變頻控制系統(tǒng)技術(shù)要求

針對(duì)項(xiàng)目特點(diǎn)，為更好利用原系統(tǒng)的主要配電設(shè)備，減少改造工作量，改造后的系統(tǒng)需滿足以下技術(shù)要求。

1）注水泵電動(dòng)機(jī)型號(hào)：YKK4502-2WTH；功率：560kW；電壓：6.3kVAC；頻率：50Hz,電動(dòng)機(jī)接線方式為Y。

2）變 頻 控 制柜 主 電 源 ： 6.3kV3HP3W50 Hz中心點(diǎn)絕緣。

3）平臺(tái)上原有的三臺(tái)注水泵自耦變壓器啟動(dòng)柜需要改造（拆除原有自耦變壓器，柜內(nèi)真空接觸器保留，對(duì)一次/二次控制回路要進(jìn)行改造），利用原柜作為變頻/工頻切換柜。變頻改造后各注水泵間的變頻啟動(dòng)切換為人工手動(dòng)切換，保持原有的工藝控制流程，即保持 A/C、A/B、C/B 三種一級(jí)/二級(jí)泵的控制，三臺(tái)泵組共用一臺(tái)變頻柜，通過變頻調(diào)節(jié)啟動(dòng)第一臺(tái)泵進(jìn)入工頻后，再切換到對(duì)第二臺(tái)泵的調(diào)頻控制，變頻/工頻需同步切換，切換時(shí)間不超過 30s，切換電流小于電動(dòng)機(jī)額定電流的 1.2 倍。

4）在變頻器正常情況下，原自耦變壓器啟動(dòng)柜操作面板上的操作按鈕不對(duì)該注水泵進(jìn)行控制，當(dāng)變頻器故障維修狀態(tài)時(shí)，通過切換在注水高壓柜的轉(zhuǎn)換開關(guān)到旁路位置 （旁路/變頻），原注水高壓控制柜操作面板上的操作器則對(duì)該注水泵進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)變頻器故障維修狀態(tài)下的直接起動(dòng)/停止注水泵。

5）系統(tǒng)一拖三實(shí)現(xiàn)變頻到工頻的切換邏輯由系統(tǒng)內(nèi)部 PLC程序?qū)崿F(xiàn)，保證注水泵起動(dòng)過程中設(shè)備安全運(yùn)行，三臺(tái)泵的起動(dòng)/停止均為手動(dòng)。

6）注水 泵可實(shí)現(xiàn)開 環(huán)/閉環(huán)變頻調(diào) 節(jié) （取注水泵出口壓力變送器信號(hào)：4～20mA）。

1.2“一變多控”高壓變頻方案設(shè)計(jì)

“一變多控”系統(tǒng)由一套VFD柜、一套新增加的變頻進(jìn)線開關(guān)柜（以下簡稱進(jìn)線柜）和各注水泵切換柜（原注水泵自耦變壓器柜改造）組成，見圖3。

圖3 “一變?nèi)亍备邏鹤冾l主回路

允許變頻與工頻之間切換來保證所驅(qū)動(dòng)設(shè)備連續(xù)運(yùn)行的單（多）機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備（一拖多），工頻模式為主要運(yùn)行方式。

在需要用變頻系統(tǒng)進(jìn)行軟啟動(dòng)或調(diào)壓時(shí)，6.3 kV 電源 VFD 和變頻切換柜，分別拖動(dòng)需要啟動(dòng)或調(diào)壓的注水泵。實(shí)現(xiàn)變頻軟起、變頻運(yùn)行、變頻保護(hù)等功能。

當(dāng)變頻系統(tǒng)出現(xiàn)故障不能正常運(yùn)行時(shí)，只需將變頻/工頻轉(zhuǎn)換開關(guān)置于工頻位置，就可以對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行工頻直接啟動(dòng)，保證注水的正常進(jìn)行。

1.3變頻主回路控制方案設(shè)計(jì)

1）變頻進(jìn)線柜：變頻進(jìn)線柜采用隔離刀閘和固定式真空接觸器結(jié)構(gòu)，簡單實(shí)用，當(dāng)變頻器報(bào)警需要切斷電源時(shí)，可發(fā)出停止信號(hào)，使真空接觸器斷開，以達(dá)到保護(hù)變頻器的目的。低壓室設(shè)有PLC，同步切換控制器等。

2）變頻切換柜：變頻切換柜利用對(duì)原有的自耦變壓器啟動(dòng)柜進(jìn)行改造，拆除原啟動(dòng)柜的自耦變壓器保留原有的熔斷器和兩個(gè)真空接觸器，工頻回路配熔斷器和一個(gè)真空接觸器，變頻回路配一個(gè)真空接觸器。

每臺(tái)注水泵配一路變頻主回路和一路工頻主回路。每臺(tái)注水泵切換柜都接近兩路主電源，切換柜變頻電源的真空接觸器與工頻回路的真空接觸器之間實(shí)行軟件與電器雙重互鎖，即只要有一路真空接觸器吸合，另外一路真空接觸器就不可能吸合。當(dāng)有一臺(tái)泵在變頻狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，兩外兩臺(tái)泵不能同時(shí)用變頻驅(qū)動(dòng)，即三臺(tái)泵中只有一臺(tái)運(yùn)行在變頻狀態(tài)。保留原有的電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置，用于工頻回路保護(hù)。

1.4變頻控制回路控制方案

1）原自耦變壓器啟動(dòng)柜上的四位轉(zhuǎn)換開關(guān)保留，分別為本柜、檢修（停止）、變頻、現(xiàn)場(chǎng)四個(gè)位置。通過位置轉(zhuǎn)換開關(guān)，實(shí)現(xiàn)在以上不同位置對(duì)注水泵的啟動(dòng)/停止操作。

2）原自耦變壓器啟動(dòng)柜上的啟動(dòng)和停止按鈕只對(duì)工頻直接啟動(dòng)起作用，當(dāng)位置轉(zhuǎn)換開關(guān)處于其他位置時(shí)，啟動(dòng)不起作用。

3）當(dāng)位置轉(zhuǎn)換開關(guān)處于變頻或現(xiàn)場(chǎng)位置時(shí)，啟動(dòng)操作只在對(duì)應(yīng)位置起作用，停止操作不管在那個(gè)位置均起作用。

4）當(dāng)位置轉(zhuǎn)換開關(guān)處于變頻或現(xiàn)場(chǎng)位置時(shí)，啟停操作可控制變頻拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)和工頻直起。電動(dòng)機(jī)工作在變頻或工頻狀態(tài)通過變頻控制系統(tǒng)的變頻/工頻轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)行選擇。

5）原自耦變壓器啟動(dòng)柜的二次回路進(jìn)行改造，保留原有的電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置用于電動(dòng)機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)的保護(hù)。

6）控制切換的 PLC 放在變頻器進(jìn)行柜的低壓室中，從原啟動(dòng)柜將泵啟停按鈕及真空接觸器的狀態(tài)等用電纜引到進(jìn)線柜PLC，用于聯(lián)鎖控制。

7）進(jìn)線柜低壓室的面板上安裝有帶電指示燈 ， 變 頻/工 頻 切 換 控 制 器 、 變 頻/工 頻 切 換 開 關(guān) 、變頻/工頻運(yùn)行指示燈。

8）注水泵的壓力閉環(huán)控制采用變頻器內(nèi)置的PID 功能來實(shí)現(xiàn)。

1.5設(shè)備選型

1）設(shè)備選型原則。成熟實(shí)用、安全可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、技術(shù)先進(jìn)、性能穩(wěn)定、功能齊全、操作維護(hù)方便、適合海上工作環(huán)境。

2）變頻器選型。針對(duì)平臺(tái)注水系統(tǒng)項(xiàng)目特點(diǎn)，根據(jù)注水泵電機(jī)額定功率：560kW，額定電流63.2A， 額 定 電 壓 6.3kV。可選用 800HP 的羅賓康高壓變頻器 （移相變壓器+功率單元+控制單元）。變頻器主要參數(shù)：36 脈沖整流，額定輸入電壓 6.3 kV，額定輸出電壓 6.3kV，額定輸出電流 70A，額定功率 800HP，防護(hù)等級(jí) IP32。

3）完美無諧波高壓變頻具有以下特點(diǎn)：

羅賓康完美無諧波高壓變頻由變壓器部分、用戶 I/O 部分 、控 制部 分、單元部分四部分組成。采用若干個(gè)低壓PWM變頻功率單元串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)直接高壓輸出。該變頻器具有對(duì)電網(wǎng)諧波污染小，輸入功率因數(shù)高，輸入輸出波形質(zhì)量好，不能在諧波引起的電動(dòng)機(jī)附加發(fā)熱，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪音。不必加 輸出濾波 器 ， 就 可 以使用普 通 異 步 電 動(dòng)機(jī)[1]。

6.3kV 電壓經(jīng)過副邊多重化的移相變壓器升壓后給功率單元供電，功率單元為三相輸入、單相輸出的交直交PWM電壓源型逆變結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)變壓變頻的高壓直接輸出供給高壓電動(dòng)機(jī)。

輸入功率因數(shù) 0.95 以上，無需功率因數(shù)補(bǔ)償器。高壓直接輸出，高-高結(jié)構(gòu)，沒有升壓變壓器。單元串聯(lián)多電平PWM專利技術(shù)，完美正弦輸出 波 形 (無需 輸 出 濾 波 器)， 適 用 國產(chǎn) 普 通 電 動(dòng) 機(jī) 。內(nèi)部干式變壓器和功率單元模塊化設(shè)計(jì)，維護(hù)方便，可達(dá)到 97% 系統(tǒng)總體效率 （包含變頻器和變壓器部分）。

1.6同步切換

同步檢測(cè)裝置，能夠檢測(cè)到變頻器的輸出電壓，電流及頻率。同時(shí)也連續(xù)地監(jiān)控變頻器輸出電壓，電流的相位。如需要進(jìn)行同步切換。變頻器會(huì)把輸出電壓相位及輸出頻率跟電網(wǎng)工頻頻率及電壓相位進(jìn)行比較。僅當(dāng)輸出電壓相位、輸出頻率與工頻電壓相位、頻率一致時(shí)，才能發(fā)出切換命令。本項(xiàng)目選用華北科達(dá)產(chǎn)品，BGTQ2004-VI，切換電流≤1.2Ie。 對(duì) 平 臺(tái)上 三 臺(tái) 注 水 泵 實(shí) 現(xiàn) 變頻/工頻 同 步切換功能。每次變頻啟動(dòng)一臺(tái)注水泵達(dá)到注水泵額定電壓后，在 50Hz時(shí)發(fā)出指令，由安裝在變頻進(jìn)線柜的 PLC 及同步切換器實(shí)現(xiàn)、工頻/變頻的同步切換。

2 項(xiàng)目實(shí)施及改造應(yīng)用

該改造項(xiàng)目于 2009 年 7 月開始實(shí)施，2010 年 2月經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)試，各種參數(shù)和功能完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。從變頻器投入運(yùn)行的應(yīng)用效果來看，較傳統(tǒng)的控制其優(yōu)越性體現(xiàn)于：

1）操作簡便，易于觀察。變頻器運(yùn)行時(shí)的所有數(shù)據(jù)及運(yùn)行狀態(tài)在上位機(jī)顯示屏都可顯示，如運(yùn)行頻率，輸入電壓，輸入電流，輸出電壓，輸出電流，開閉環(huán)，壓力值等。上位機(jī)顯示屏操作簡單明了，觀察方便。

2）變頻器運(yùn)行穩(wěn)定，性能良好。

3）降低了維護(hù)費(fèi)用。由于變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，啟動(dòng)電流小，對(duì)水泵機(jī)組沒有任何機(jī)械沖擊，相應(yīng)地延長了水泵、電動(dòng)機(jī)及閥門的使用壽命，大大降低了維護(hù)工作量和維護(hù)成本。

4）改 造 后 的 效 益 。 每 年 可 減 少 40～70m3/h 脫氧海水和化學(xué)藥劑的排放，僅化學(xué)藥劑每年可節(jié)省30～40萬元。每年可減少三臺(tái)注水泵和電動(dòng)機(jī)檢修維護(hù)成本約 30萬元。綜合經(jīng)濟(jì)效益，每年約在 70萬元。

3 結(jié)束語

通過研究和實(shí)施運(yùn)行效果來看，高壓大功率變頻器在海上油田注水泵“一變多控”變頻改造中的應(yīng)用是成功的。它不僅滿足了注水工藝的需要，降低了注水成本，減少注水的排海和化學(xué)藥劑的排放等問題，提高了注水水平，而且性能穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，可以在類似的應(yīng)用中推廣應(yīng)用。

[1]西門子(上海)電氣傳動(dòng)設(shè)備有限公司.空冷型完美無諧波 用 戶 手 冊(cè) NBH 高 壓 變 頻 器 用 戶 手 冊(cè). 手 冊(cè) 號(hào): 902232_C.版本號(hào):1.9,2006:1-2.

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.005.009

2013-02-11）

武永鋒，工程師，2003年畢業(yè)于西安石油大學(xué)，從事海洋 油 氣 田 工 程 開 發(fā) 設(shè) 計(jì) 工 作 ， E-mail： wuyf1@cnooc.com.cn， 地址：廣東湛江南海西部石油勘察設(shè)計(jì)有限公司，524057。