高压变频调速系统在油田企业中的应用前景分析

一、前言

    能源是国民经济的基础，关系到经济社会的可持续发展。现代社会发展的主要能源是动力来源。世界上所有的国家都在致力于大规模的开发和利用能源，并在提高能源利用率方面做了大量的工作。据有关部门提供的能耗统计资料表明，目前我国能源利用率还是非常低，只有32%，而美国则为51%，日本为57%,我国每万元国民生产总值能耗比发达国家高出4倍多，主要能耗产品的单位能耗比发达国家高出30%～90%；我国的经济发展成本是国外发达国家的1.5倍。同时随着我国加入WTO，国内市场的开放程度将越来越大，市场竞争也将越来越残酷，因此企业大力提高能源节约和资源综合利用技术水平，将成为企业将低成本、提高竞争力的内在要求和必由之路。

二、油田企业的节能潜力分析

    油田企业在我国是公认的产能大户，同时又是耗能大户。能源消耗在油田企业生产成本中占有相当比重，如：油气生产能源消耗费用占油气生产成本的20%左右，原油加工能源消耗费用占加工成本的30%左右。因此节能降耗是油田企业一项长期战略任务。

    油田的注水系统、输油系统、机械采油系统、锅炉供热系统和供配电系统等五大系统为油田的耗能大户，他们的耗能量占油田总耗能量的75%以上，提高这五大系统效率是搞好油田企业节能降耗的关键。在这些能耗中，电力耗能占了相当大的比重。油田企业的用电负荷和耗电量都是其他企业不可攀比的。注油泵、排污泵、清水泵、深井泵、加压泵、输油泵、抽油机、深井油泵、供热锅炉鼓风机、引风机、…，在这些设备的大量应用使其异步电机耗电约占油田总用电量的80%，占油气生产用电量的95%。在各种生产装置配备的各类异步电动机，在考虑了生产工况的变化和启动容量的需要后，总体来说配备容量都大于实际输出功率，平均负载率和平均运行功率都较低，因此节电的潜力也非常巨大。

    现阶段对于异步电机节能降耗最有效的方法之一就是应用高压变频调速系统。变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。

三、高压变频调速系统节能分析

    调速节能原理从二个方面来说明：

    1、风机水泵的节电原理就是用调速控制代替挡风板或节流阀控制风流量，这是一个节电的有效途径。风机的特性曲线如图 1 所示。在用档风板控制额定风量 Q1 =100% 输出时，则轴功率 N1 与面积 AH1 OQ1 成正比，若风量减半 Q2 =50% 输出时，则轴功率 N2 与面积 BH2 OQ2 成正比，它比 N1 减少不多，这是因为需要克服档风板阻力增大风压所致。如果采用调速控制同样风量减半输出时，转数由 n1 降至 n2 ，按风机参数比例定律画出 n2 时的特性曲线， C 点为新的工矿点，这时轴功率 N2 与面积 CH3OQ2 成正比，在满足同样风量 Q2 情况下，轴功能降低很多，节省的功率耗损△ N 与面积 BH2H3C 成正比，可见节电效果十分显著。

图1 风机的特性曲线

    2、流体力学的观点

    流量 ∝ 转速

    压力 ∝转速︿2

    轴功率∝转速︿3

    若转速下降 20%，则功率下降到51.2%

    若转速下降 50%，则轴功率下降到12.5%

    即使考虑调速装置本身的损耗等因素，节电也是相当可观的。

四、一种新型的移相级联式高压变频器

    一种新型的移相级联式高压变频器在北京新电创拓科技有限公司投入批量生产，这种被命名为Diamond-HV系列的高压变频器是由新电创拓公司和德国技术专家合作开发成功的。它采用HV-IGBT元件、全桥级联式多电平逆变技术、多重化输出和模块化设计方案，具有结构简洁、安全可靠、无湝波污染和可直接驱动普通异步电动机等特点。现将这种高压变频器简介如下：

    1、系统结构

    Diamond-HV系列高压变频器的结构如图2所示，由移相变压器、功率单元和控制器组成。

图2 Diamond-HV系列变频器（标准配置）

    移相级联式高压变频器采用3个独立功率单元串联的方式来实现高压输出，其原理如图2所示。电网电压经过二次侧多重化的隔离变压器降压后给功率单元供电，功率单元为三组输入、单组输出的交—直—交SPWM电压源型逆变器结构，如图3所示。将相邻功率单元的输出端串联起来，形成Y联结结构，实现变压变频的高压直接输出，供给高压电动机。每个功率单元分别由输入变压器的一组二次绕组供电，功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。

图3 SPWM电压源型逆变器结构