高压变频器“一变多控”技术在海上油田注水系统的应用

武永锋（湛江南海西部石油勘察设计有限公司）

高压变频器“一变多控”技术在海上油田注水系统的应用

武永锋（湛江南海西部石油勘察设计有限公司）

高压注水是海上油田开发工程中重要的一环，针对某平台多台注水泵在油田注水开发中存在的问题，分析了目前注水泵的启动方式和无法实现调压注水功能存在的问题，结合平台注水系统工艺流程优化的需要和变频器技术的应用特点，提出了采用一台变频器实现对多台注水泵“一变多控”实现电动机启动和调压注水功能。采用的“一变多控”实现了多台注水泵在串联或并联运行中的同步切换，减少了变频器对注水泵一对一的控制，达到了注水工艺的控制要求。同时，改造实施后，减少了脱氧海水和化学药剂的排放，节约了能源，提高了注水效率。

油田注水 高压变频器 变频调速 一变多控 海上油田

某海上平台注水系统三台注水泵启动方式原为自耦变压器一对一启停操作，在生产过程中，启泵时冲击电流较大，而且要大功率启动时需要启动备用电动机，给平台操作带来不便，见图1。另外平台三台注水泵中，注水泵A为一级注水泵，注水泵B为二级注水泵，注水泵 C 为 A/B泵的备用泵。在平台实际注水过程中，由于工艺变化，注水泵不能很好工作在有效区域 （注水泵的设计排量在 100m3/h 左右，而实际注入地层的海水在 30～60m3/h 左右），约有 40～70m3/h 海水排海，见图2。注入海水中的添加的化学药剂随之排出，一方面造成海洋环境污染，另外一方面造成化学药剂的极大浪费。

图1 注水泵自耦变压器启动一次图

图2 注水系统流程优化后的流程

1“一变多控”高压变频控制系统设计

1.1“一变多控”高压变频控制系统技术要求

针对项目特点，为更好利用原系统的主要配电设备，减少改造工作量，改造后的系统需满足以下技术要求。

1）注水泵电动机型号：YKK4502-2WTH；功率：560kW；电压：6.3kVAC；频率：50Hz,电动机接线方式为Y。

2）变 频 控 制柜 主 电 源 ： 6.3kV3HP3W50 Hz中心点绝缘。

3）平台上原有的三台注水泵自耦变压器启动柜需要改造（拆除原有自耦变压器，柜内真空接触器保留，对一次/二次控制回路要进行改造），利用原柜作为变频/工频切换柜。变频改造后各注水泵间的变频启动切换为人工手动切换，保持原有的工艺控制流程，即保持 A/C、A/B、C/B 三种一级/二级泵的控制，三台泵组共用一台变频柜，通过变频调节启动第一台泵进入工频后，再切换到对第二台泵的调频控制，变频/工频需同步切换，切换时间不超过 30s，切换电流小于电动机额定电流的 1.2 倍。

4）在变频器正常情况下，原自耦变压器启动柜操作面板上的操作按钮不对该注水泵进行控制，当变频器故障维修状态时，通过切换在注水高压柜的转换开关到旁路位置 （旁路/变频），原注水高压控制柜操作面板上的操作器则对该注水泵进行控制，实现变频器故障维修状态下的直接起动/停止注水泵。

5）系统一拖三实现变频到工频的切换逻辑由系统内部 PLC程序实现，保证注水泵起动过程中设备安全运行，三台泵的起动/停止均为手动。

6）注水 泵可实现开 环/闭环变频调 节 （取注水泵出口压力变送器信号：4～20mA）。

1.2“一变多控”高压变频方案设计

“一变多控”系统由一套VFD柜、一套新增加的变频进线开关柜（以下简称进线柜）和各注水泵切换柜（原注水泵自耦变压器柜改造）组成，见图3。

图3 “一变三控”高压变频主回路

允许变频与工频之间切换来保证所驱动设备连续运行的单（多）机驱动设备（一拖多），工频模式为主要运行方式。

在需要用变频系统进行软启动或调压时，6.3 kV 电源 VFD 和变频切换柜，分别拖动需要启动或调压的注水泵。实现变频软起、变频运行、变频保护等功能。

当变频系统出现故障不能正常运行时，只需将变频/工频转换开关置于工频位置，就可以对电动机进行工频直接启动，保证注水的正常进行。

1.3变频主回路控制方案设计

1）变频进线柜：变频进线柜采用隔离刀闸和固定式真空接触器结构，简单实用，当变频器报警需要切断电源时，可发出停止信号，使真空接触器断开，以达到保护变频器的目的。低压室设有PLC，同步切换控制器等。

2）变频切换柜：变频切换柜利用对原有的自耦变压器启动柜进行改造，拆除原启动柜的自耦变压器保留原有的熔断器和两个真空接触器，工频回路配熔断器和一个真空接触器，变频回路配一个真空接触器。

每台注水泵配一路变频主回路和一路工频主回路。每台注水泵切换柜都接近两路主电源，切换柜变频电源的真空接触器与工频回路的真空接触器之间实行软件与电器双重互锁，即只要有一路真空接触器吸合，另外一路真空接触器就不可能吸合。当有一台泵在变频状态运行时，两外两台泵不能同时用变频驱动，即三台泵中只有一台运行在变频状态。保留原有的电动机保护装置，用于工频回路保护。

1.4变频控制回路控制方案

1）原自耦变压器启动柜上的四位转换开关保留，分别为本柜、检修（停止）、变频、现场四个位置。通过位置转换开关，实现在以上不同位置对注水泵的启动/停止操作。

2）原自耦变压器启动柜上的启动和停止按钮只对工频直接启动起作用，当位置转换开关处于其他位置时，启动不起作用。

3）当位置转换开关处于变频或现场位置时，启动操作只在对应位置起作用，停止操作不管在那个位置均起作用。

4）当位置转换开关处于变频或现场位置时，启停操作可控制变频拖动电动机和工频直起。电动机工作在变频或工频状态通过变频控制系统的变频/工频转换开关进行选择。

5）原自耦变压器启动柜的二次回路进行改造，保留原有的电动机保护装置用于电动机工频运行时的保护。

6）控制切换的 PLC 放在变频器进行柜的低压室中，从原启动柜将泵启停按钮及真空接触器的状态等用电缆引到进线柜PLC，用于联锁控制。

7）进线柜低压室的面板上安装有带电指示灯 ， 变 频/工 频 切 换 控 制 器 、 变 频/工 频 切 换 开 关 、变频/工频运行指示灯。

8）注水泵的压力闭环控制采用变频器内置的PID 功能来实现。

1.5设备选型

1）设备选型原则。成熟实用、安全可靠、经济运行、技术先进、性能稳定、功能齐全、操作维护方便、适合海上工作环境。

2）变频器选型。针对平台注水系统项目特点，根据注水泵电机额定功率：560kW，额定电流63.2A， 额 定 电 压 6.3kV。可选用 800HP 的罗宾康高压变频器 （移相变压器+功率单元+控制单元）。变频器主要参数：36 脉冲整流，额定输入电压 6.3 kV，额定输出电压 6.3kV，额定输出电流 70A，额定功率 800HP，防护等级 IP32。

3）完美无谐波高压变频具有以下特点：

罗宾康完美无谐波高压变频由变压器部分、用户 I/O 部分 、控 制部 分、单元部分四部分组成。采用若干个低压PWM变频功率单元串联的方式实现直接高压输出。该变频器具有对电网谐波污染小，输入功率因数高，输入输出波形质量好，不能在谐波引起的电动机附加发热，转矩脉动、噪音。不必加 输出滤波 器 ， 就 可 以使用普 通 异 步 电 动机[1]。

6.3kV 电压经过副边多重化的移相变压器升压后给功率单元供电，功率单元为三相输入、单相输出的交直交PWM电压源型逆变结构，实现变压变频的高压直接输出供给高压电动机。

输入功率因数 0.95 以上，无需功率因数补偿器。高压直接输出，高-高结构，没有升压变压器。单元串联多电平PWM专利技术，完美正弦输出 波 形 (无需 输 出 滤 波 器)， 适 用 国产 普 通 电 动 机 。内部干式变压器和功率单元模块化设计，维护方便，可达到 97% 系统总体效率 （包含变频器和变压器部分）。

1.6同步切换

同步检测装置，能够检测到变频器的输出电压，电流及频率。同时也连续地监控变频器输出电压，电流的相位。如需要进行同步切换。变频器会把输出电压相位及输出频率跟电网工频频率及电压相位进行比较。仅当输出电压相位、输出频率与工频电压相位、频率一致时，才能发出切换命令。本项目选用华北科达产品，BGTQ2004-VI，切换电流≤1.2Ie。 对 平 台上 三 台 注 水 泵 实 现 变频/工频 同 步切换功能。每次变频启动一台注水泵达到注水泵额定电压后，在 50Hz时发出指令，由安装在变频进线柜的 PLC 及同步切换器实现、工频/变频的同步切换。

2 项目实施及改造应用

该改造项目于 2009 年 7 月开始实施，2010 年 2月经过系统调试，各种参数和功能完全达到设计要求。从变频器投入运行的应用效果来看，较传统的控制其优越性体现于：

1）操作简便，易于观察。变频器运行时的所有数据及运行状态在上位机显示屏都可显示，如运行频率，输入电压，输入电流，输出电压，输出电流，开闭环，压力值等。上位机显示屏操作简单明了，观察方便。

2）变频器运行稳定，性能良好。

3）降低了维护费用。由于变频器对电动机实现软启动，启动电流小，对水泵机组没有任何机械冲击，相应地延长了水泵、电动机及阀门的使用寿命，大大降低了维护工作量和维护成本。

4）改 造 后 的 效 益 。 每 年 可 减 少 40～70m3/h 脱氧海水和化学药剂的排放，仅化学药剂每年可节省30～40万元。每年可减少三台注水泵和电动机检修维护成本约 30万元。综合经济效益，每年约在 70万元。

3 结束语

通过研究和实施运行效果来看，高压大功率变频器在海上油田注水泵“一变多控”变频改造中的应用是成功的。它不仅满足了注水工艺的需要，降低了注水成本，减少注水的排海和化学药剂的排放等问题，提高了注水水平，而且性能稳定，运行可靠，可以在类似的应用中推广应用。

[1]西门子(上海)电气传动设备有限公司.空冷型完美无谐波 用 户 手 册 NBH 高 压 变 频 器 用 户 手 册. 手 册 号: 902232_C.版本号:1.9,2006:1-2.

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.005.009

2013-02-11）

武永锋，工程师，2003年毕业于西安石油大学，从事海洋 油 气 田 工 程 开 发 设 计 工 作 ， E-mail： wuyf1@cnooc.com.cn， 地址：广东湛江南海西部石油勘察设计有限公司，524057。