高壓變頻器“一變多控”技術在海上油田注水系統(tǒng)的應用

武永鋒（湛江南海西部石油勘察設計有限公司）

高壓變頻器“一變多控”技術在海上油田注水系統(tǒng)的應用

武永鋒（湛江南海西部石油勘察設計有限公司）

高壓注水是海上油田開發(fā)工程中重要的一環(huán)，針對某平臺多臺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方式和無法實現(xiàn)調(diào)壓注水功能存在的問題，結(jié)合平臺注水系統(tǒng)工藝流程優(yōu)化的需要和變頻器技術的應用特點，提出了采用一臺變頻器實現(xiàn)對多臺注水泵“一變多控”實現(xiàn)電動機啟動和調(diào)壓注水功能。采用的“一變多控”實現(xiàn)了多臺注水泵在串聯(lián)或并聯(lián)運行中的同步切換，減少了變頻器對注水泵一對一的控制，達到了注水工藝的控制要求。同時，改造實施后，減少了脫氧海水和化學藥劑的排放，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

某海上平臺注水系統(tǒng)三臺注水泵啟動方式原為自耦變壓器一對一啟停操作，在生產(chǎn)過程中，啟泵時沖擊電流較大，而且要大功率啟動時需要啟動備用電動機，給平臺操作帶來不便，見圖1。另外平臺三臺注水泵中，注水泵A為一級注水泵，注水泵B為二級注水泵，注水泵 C 為 A/B泵的備用泵。在平臺實際注水過程中，由于工藝變化，注水泵不能很好工作在有效區(qū)域 （注水泵的設計排量在 100m3/h 左右，而實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藥劑的極大浪費。

圖1 注水泵自耦變壓器啟動一次圖

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)設計

1.1“一變多控”高壓變頻控制系統(tǒng)技術要求

針對項目特點，為更好利用原系統(tǒng)的主要配電設備，減少改造工作量，改造后的系統(tǒng)需滿足以下技術要求。

1）注水泵電動機型號：YKK4502-2WTH；功率：560kW；電壓：6.3kVAC；頻率：50Hz,電動機接線方式為Y。

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

3）平臺上原有的三臺注水泵自耦變壓器啟動柜需要改造（拆除原有自耦變壓器，柜內(nèi)真空接觸器保留，對一次/二次控制回路要進行改造），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切換為人工手動切換，保持原有的工藝控制流程，即保持 A/C、A/B、C/B 三種一級/二級泵的控制，三臺泵組共用一臺變頻柜，通過變頻調(diào)節(jié)啟動第一臺泵進入工頻后，再切換到對第二臺泵的調(diào)頻控制，變頻/工頻需同步切換，切換時間不超過 30s，切換電流小于電動機額定電流的 1.2 倍。

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

5）系統(tǒng)一拖三實現(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)，保證注水泵起動過程中設備安全運行，三臺泵的起動/停止均為手動。

6）注水 泵可實現(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：4～20mA）。

1.2“一變多控”高壓變頻方案設計

“一變多控”系統(tǒng)由一套VFD柜、一套新增加的變頻進線開關柜（以下簡稱進線柜）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)動設備連續(xù)運行的單（多）機驅(qū)動設備（一拖多），工頻模式為主要運行方式。

在需要用變頻系統(tǒng)進行軟啟動或調(diào)壓時，6.3 kV 電源 VFD 和變頻切換柜，分別拖動需要啟動或調(diào)壓的注水泵。實現(xiàn)變頻軟起、變頻運行、變頻保護等功能。

當變頻系統(tǒng)出現(xiàn)故障不能正常運行時，只需將變頻/工頻轉(zhuǎn)換開關置于工頻位置，就可以對電動機進行工頻直接啟動，保證注水的正常進行。

1.3變頻主回路控制方案設計

1）變頻進線柜：變頻進線柜采用隔離刀閘和固定式真空接觸器結(jié)構，簡單實用，當變頻器報警需要切斷電源時，可發(fā)出停止信號，使真空接觸器斷開，以達到保護變頻器的目的。低壓室設有PLC，同步切換控制器等。

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

每臺注水泵配一路變頻主回路和一路工頻主回路。每臺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。當有一臺泵在變頻狀態(tài)運行時，兩外兩臺泵不能同時用變頻驅(qū)動，即三臺泵中只有一臺運行在變頻狀態(tài)。保留原有的電動機保護裝置，用于工頻回路保護。

1.4變頻控制回路控制方案

1）原自耦變壓器啟動柜上的四位轉(zhuǎn)換開關保留，分別為本柜、檢修（停止）、變頻、現(xiàn)場四個位置。通過位置轉(zhuǎn)換開關，實現(xiàn)在以上不同位置對注水泵的啟動/停止操作。

2）原自耦變壓器啟動柜上的啟動和停止按鈕只對工頻直接啟動起作用，當位置轉(zhuǎn)換開關處于其他位置時，啟動不起作用。

3）當位置轉(zhuǎn)換開關處于變頻或現(xiàn)場位置時，啟動操作只在對應位置起作用，停止操作不管在那個位置均起作用。

4）當位置轉(zhuǎn)換開關處于變頻或現(xiàn)場位置時，啟停操作可控制變頻拖動電動機和工頻直起。電動機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)換開關進行選擇。

5）原自耦變壓器啟動柜的二次回路進行改造，保留原有的電動機保護裝置用于電動機工頻運行時的保護。

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

7）進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 、變頻/工頻運行指示燈。

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

1.5設備選型

1）設備選型原則。成熟實用、安全可靠、經(jīng)濟運行、技術先進、性能穩(wěn)定、功能齊全、操作維護方便、適合海上工作環(huán)境。

2）變頻器選型。針對平臺注水系統(tǒng)項目特點，根據(jù)注水泵電機額定功率：560kW，額定電流63.2A， 額 定 電 壓 6.3kV?？蛇x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，防護等級 IP32。

3）完美無諧波高壓變頻具有以下特點：

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。采用若干個低壓PWM變頻功率單元串聯(lián)的方式實現(xiàn)直接高壓輸出。該變頻器具有對電網(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機附加發(fā)熱，轉(zhuǎn)矩脈動、噪音。不必加 輸出濾波 器 ， 就 可 以使用普 通 異 步 電 動機[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，實現(xiàn)變壓變頻的高壓直接輸出供給高壓電動機。

輸入功率因數(shù) 0.95 以上，無需功率因數(shù)補償器。高壓直接輸出，高-高結(jié)構，沒有升壓變壓器。單元串聯(lián)多電平PWM專利技術，完美正弦輸出 波 形 (無需 輸 出 濾 波 器)， 適 用 國產(chǎn) 普 通 電 動 機 。內(nèi)部干式變壓器和功率單元模塊化設計，維護方便，可達到 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

同步檢測裝置，能夠檢測到變頻器的輸出電壓，電流及頻率。同時也連續(xù)地監(jiān)控變頻器輸出電壓，電流的相位。如需要進行同步切換。變頻器會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行比較。僅當輸出電壓相位、輸出頻率與工頻電壓相位、頻率一致時，才能發(fā)出切換命令。本項目選用華北科達產(chǎn)品，BGTQ2004-VI，切換電流≤1.2Ie。 對 平 臺上 三 臺 注 水 泵 實 現(xiàn) 變頻/工頻 同 步切換功能。每次變頻啟動一臺注水泵達到注水泵額定電壓后，在 50Hz時發(fā)出指令，由安裝在變頻進線柜的 PLC 及同步切換器實現(xiàn)、工頻/變頻的同步切換。

2 項目實施及改造應用

該改造項目于 2009 年 7 月開始實施，2010 年 2月經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)試，各種參數(shù)和功能完全達到設計要求。從變頻器投入運行的應用效果來看，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。變頻器運行時的所有數(shù)據(jù)及運行狀態(tài)在上位機顯示屏都可顯示，如運行頻率，輸入電壓，輸入電流，輸出電壓，輸出電流，開閉環(huán)，壓力值等。上位機顯示屏操作簡單明了，觀察方便。

2）變頻器運行穩(wěn)定，性能良好。

3）降低了維護費用。由于變頻器對電動機實現(xiàn)軟啟動，啟動電流小，對水泵機組沒有任何機械沖擊，相應地延長了水泵、電動機及閥門的使用壽命，大大降低了維護工作量和維護成本。

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

3 結(jié)束語

通過研究和實施運行效果來看，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藥劑的排放等問題，提高了注水水平，而且性能穩(wěn)定，運行可靠，可以在類似的應用中推廣應用。

[1]西門子(上海)電氣傳動設備有限公司.空冷型完美無諧波 用 戶 手 冊 NBH 高 壓 變 頻 器 用 戶 手 冊. 手 冊 號: 902232_C.版本號: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，從事海洋 油 氣 田 工 程 開 發(fā) 設 計 工 作 ， E-mail： wuyf1@cnooc.com.cn， 地址：廣東湛江南海西部石油勘察設計有限公司，524057。