Zusammenfassung: Dieser Artikel beschreibt den Einsatz von Hochspannungs-Frequenzumrichtern in Wasserinjektionspumpen für Ölfelder. Die Ergebnisse zeigen signifikante Energieeinsparungen und sprechen für eine breite Anwendung. Schlüsselwörter: Hochspannungs-Frequenzumrichter, Regelung, Energieverbrauch von Wasserinjektionsanlagen . 1 Zweck und Bedeutung des Einsatzes von Hochspannungs-Frequenzumrichtern: Wasserinjektionspumpen sind die Basisausrüstung für die Wasserinjektion in Ölfeldern und die Aufrechterhaltung des Formationsdrucks. Mit dem Eintritt in die mittlere und späte Phase der Ölfeldentwicklung steigt die injizierte Wassermenge jährlich. Der Energieverbrauch für die Wasserinjektion macht bereits 19 % des gesamten Energieverbrauchs in der Produktion aus, und die Stromkosten für die Wasserinjektion betragen 16 % der gesamten Stromkosten – ein jährlich steigender Trend. In Hochdruck-Wasserinjektionssystemen ist das Problem überdimensionierter Motoren an unterdimensionierten Lasten weit verbreitet. Zwischen dem Pumpendruck und dem Trockendruck der Injektionsleitung besteht ein signifikanter Druckunterschied. Die Aufrechterhaltung des Injektionsdrucks erfordert die Steuerung des Hochdruck-Rückschlagventils am Pumpenausgang, was zu erheblichen Energieverlusten führt. Darüber hinaus beeinträchtigt der hohe Pumpendruck sowohl den Pumpenbetrieb als auch die Nutzung der Leitung. Die Installation eines Hochdruck-Frequenzumrichters ermöglicht die Parametereinstellung basierend auf dem erforderlichen Druck des Injektionsnetzes und passt das Injektionsvolumen automatisch an. Dies spart erheblich Energie und reduziert Pumpenverluste, was wesentlich zu niedrigeren Produktionskosten beiträgt. Die Wassereinspritzstation Liaoning New Sanlian betreibt eine Wassereinspritzpumpe vom Typ DFJ200-170AX11, die mit einem Asynchronmotor vom Typ YB1800S2-2 (6 kV/1800 kW) mit Direktantrieb gekoppelt ist. Die Fördermenge der Kreiselpumpe wird durch Steuerung der Auslassventilöffnung reguliert, was zu erheblichen Drosselverlusten führt. Kreiselpumpe und Motor arbeiten in einem ineffizienten Bereich, was zu erheblicher Energieverschwendung führt. Die aktuelle monatliche Wassereinspritzmenge beträgt 183.210 m³, wobei die Wassereinspritzmenge im Sommer und Herbst entsprechend abnimmt. Der tatsächliche Pumpendruck der Kreiselpumpe im Betrieb beträgt 16,5 MPa, während der tatsächliche Betriebsdruck des Wassereinspritznetzes 12,5 MPa beträgt. Durch den Parallelbetrieb mehrerer Pumpen sinkt das Hochdruckwasser-Injektionsvolumen, sobald der Druck im Wasserinjektionsnetz den aktuellen Injektionsdruck übersteigt. Dadurch wird der Wasserbedarf der Ölquellen nicht mehr gedeckt. Gleichzeitig führt ein Überschreiten des Injektionsvolumens zu Abwasserableitungen. Daher muss der Wasserinjektionsmotor das Hochdruck-Rückschlagventil am Auslass der Kreiselpumpe regeln, um den Druck im Wasserinjektionsnetz zu steuern und das Gleichgewicht der Wassereinspritzung aufrechtzuerhalten. Dies führt zu einer durchschnittlichen Druckdifferenz von über 4 MPa zwischen Pumpendruck und dem Trockendruck im Netz, was einen erheblichen Stromverbrauch zur Folge hat. Nach eingehender Prüfung und Abwägung entschieden wir uns für den Hochspannungs-Frequenzumrichter JD-BP37-1800F der Firma Shandong Xinfeng Optoelectronic Co., Ltd. Die Anwendungsergebnisse zeigen, dass dieser Frequenzumrichter eine hohe Sicherheit, Zuverlässigkeit, ein durchdachtes Design, eine lange Lebensdauer der Verschleißteile, ein gutes Anlaufverhalten und eine signifikante Energieeinsparung aufweist und relativ einfach zu installieren, zu warten und zu reparieren ist. 2. Funktionsprinzip des Hochspannungs-Frequenzumrichters [ALIGN=CENTER] Abbildung 1: Aufbau des Drehzahlregelungssystems mit variabler Frequenz [/ALIGN] Der Aufbau des Hochspannungs-Frequenzumrichters der Serie JD-BP37 mit variabler Frequenz ist in Abbildung 1 dargestellt. Er besteht aus einem Phasenschiebertransformator, Leistungseinheiten und einer Steuerung. Der 6-kV/1800-kW-Frequenzumrichter verfügt über 24 Leistungseinheiten, von denen jeweils 8 in Reihe geschaltet sind und eine Phase bilden. 2.1 Schaltplan der Leistungseinheiten [ALIGN=CENTER] Abbildung 2: Aufbau der Einheiten [/ALIGN] Jede Leistungseinheit ist baugleich und austauschbar. Ihr Schaltplan ist in Abbildung 3.2 dargestellt und zeigt einen einfachen AC-DC-AC-Einphasen-Wechselrichter. Dies erleichtert nicht nur die Fehlersuche und Wartung, sondern bietet auch eine kostengünstige Notstromversorgung. Im Fehlerfall einer Einheit kann deren Ausgangsanschluss automatisch kurzgeschlossen werden, sodass das gesamte System vorübergehend mit reduzierter Leistung weiterläuft, bis es schließlich vollständig zum Stillstand kommt. 2.2 Eingangsseitige Struktur Die Eingangsseite wird über einen Phasenschiebertransformator gespeist, der eine 18-Puls-Gleichrichtung realisiert. Dieses mehrstufige Phasenschieber-Superpositionsgleichrichtungsverfahren verbessert die netzseitige Stromwellenform erheblich, wodurch der netzseitige Leistungsfaktor unter Last nahe 1 liegt und der Oberwellengehalt des Eingangsstroms gering ist. Der gemessene Gesamtoberwellengehalt des Eingangsstroms beträgt weniger als 5 %. Dank der Unabhängigkeit der Transformator-Sekundärwicklung ist der Hauptstromkreis jeder Leistungseinheit relativ unabhängig, ähnlich einem herkömmlichen Niederspannungs-Frequenzumrichter, was die Anwendung bestehender, ausgereifter Technologien erleichtert. 2.3 Steuerung Die Steuerung basiert auf der gemeinsamen Berechnung eines schnellen 16-Bit-Mikrocontrollers und eines Industrie-PCs. Der Industrie-PC bietet eine benutzerfreundliche, vollständig in Chinesisch verfügbare Windows-Oberfläche für Überwachung und Bedienung und ermöglicht zudem Fernüberwachung und vernetzte Steuerung. Die Steuerung und ihre Steuerplatinen nutzen hochintegrierte Schaltkreise und Oberflächenmontagetechnik, was eine extrem hohe Systemzuverlässigkeit gewährleistet. Zusätzlich steuert ein Mikrocontroller das LED-Display und die Tastatur. Zwischen der Steuerung und den Leistungseinheiten wird Mehrkanal-Glasfaserkommunikation eingesetzt. Dies gewährleistet eine vollständige und zuverlässige Trennung zwischen Niederspannungs- und Hochspannungsbereichen und bietet eine ausgezeichnete elektromagnetische Störfestigkeit. Darüber hinaus verfügt jede Leistungseinheit über eine einheitliche, vom Hochspannungssystem unabhängige Steuerstromversorgung. Dies vereinfacht Fehlersuche, Wartung und Schulungen vor Ort und erhöht somit die Systemzuverlässigkeit. 2.4 Steuerstromversorgung Die Steuerung besitzt ein von der Hochspannungsversorgung unabhängiges Stromversorgungssystem. Ohne Hochspannung sind die Wellenformen an verschiedenen Punkten der Anlage im Wesentlichen denen unter Hochspannung ähnlich. Dies erleichtert die Gesamtzuverlässigkeit, Fehlersuche und Schulungen erheblich. [ALIGN=CENTER]Abbildung 3 Unabhängiges Steuerstromversorgungssystem[/ALIGN] 3. Standortbedingungen und Statistik zum Energiespareffekt Um die vor Ort bestehenden Probleme zu lösen, müssen bei der Systemoptimierung und -umgestaltung im Wesentlichen zwei Aspekte berücksichtigt werden: Erstens, Minimierung der Förderverluste bei gleichzeitiger Einhaltung der Anforderungen an das Wassereinspritzvolumen; zweitens, Minimierung der Druckdifferenz zwischen Pumpe und Rohrleitung, d. h. Reduzierung des Druckverlusts bei gleichzeitiger Einhaltung der Anforderungen an den Wassereinspritzdruck. Die Systemoptimierung berücksichtigt gleichzeitig kinetische und potenzielle Energieaspekte, um den Energieverbrauch zu minimieren und die Systemeffizienz zu verbessern. 3.1 Systemaufbau vor Ort [ALIGN=CENTER] Abbildung 4 Systemaufbau vor Ort [/ALIGN] Der Regelkreis läuft wie folgt ab: Intelligente Sensoren überwachen und verarbeiten Echtzeitdaten jeder in Betrieb befindlichen Wassereinspritzpumpe. Sie erfassen und übermitteln die Betriebsparameter der Wassereinspritzpumpen und -stationen, wie z. B.: Fördermenge der Pumpe Q_single, Motorstrom I, Ein- und Auslassdruck der Pumpe P_pump, Trockendruck am Auslass der Wassereinspritzstation P_dry, Gesamtfördermenge Q_total, durchschnittlicher Verbrauch pro Einheit usw. Diese Regelparameter (Q_single, I, P_pump, P_dry, Q_total) werden mit ihren Sollwerten und den Kennlinien der Pumpen verglichen und optimiert. Der Trockendruck an der Wassereinspritzstation und der Gesamtvolumenstrom sind die beiden wichtigsten Parameter, die das System überwachen und regeln muss. In diesem System ist ein hochzuverlässiger Drucksensor an der Auslassleitung der Pumpe installiert. Das gemessene Drucksignal wird mit dem Sollwert des Einspritzdrucks verglichen. Die Differenz wird dem Prozessparameterregler (PID-Regler) zur Proportional- und Integralberechnung zugeführt. Das Ausgangssignal wird anschließend an die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) gesendet. Gleichzeitig überwacht ein Durchflussmesser an der Pumpeneinlassleitung den tatsächlichen Gesamtdurchfluss. Die Differenz zwischen diesem Durchfluss und der Soll-Einspritzmenge dient der erneuten PID-Regleroptimierung. Auch dieses Ausgangssignal wird an die SPS gesendet. Basierend auf den beiden empfangenen PID-Reglersignalen passt die SPS mittels Fuzzy-Logik die Ausgangsfrequenz des Hochspannungs-Frequenzumrichters automatisch an, um die Drehzahl der Frequenzumrichterpumpe zu regeln, sofern der Trockenlaufdruck des Systems eingehalten wird. Gemäß dem Prinzip der Kreiselpumpe bewirken Änderungen der Pumpendrehzahl entsprechende Änderungen des Fördervolumens; Frequenzänderungen erreichen den Sollwert des Fördervolumens. Durch diese Regelung werden der tatsächliche Druck und das tatsächliche Fördervolumen des Systems an den Sollwert von Einspritzdruck und -menge angenähert. Das System ist als geschlossenes Regelsystem mit Durchfluss und Druck als Hauptparametern ausgelegt. Die gemessenen Durchfluss- und Drucksignale werden mithilfe eines dualen PID-Reglers angepasst und mit den geologischen Vorgaben (Sollwerten) verglichen. Die automatische Optimierungsregelung erfolgt durch Fuzzy-Inferenz. Basierend auf den Inferenzergebnissen passt das System automatisch die Ausgangsspannung des Hochspannungs-Frequenzumrichters an und berechnet die optimale Betriebsfrequenz. 3.2 Analyse des Energiespareffekts 3.2.1 Leistung und Drehzahl verhalten sich proportional zur dritten Potenz: p₁/p₂μ(n₁/n₂)³ (wobei n die Pumpendrehzahl und p die Ausgangsleistung ist). Dies zeigt, dass die Leistungsänderung der Pumpe direkt proportional zur dritten Potenz der Drehzahl ist. Mit anderen Worten: Sinkt die Pumpendrehzahl um eine Einheit, sinkt die Pumpenleistung um die dritte Potenz dieser Einheit. Die Drehzahlregelung mit variabler Frequenz steuert die Pumpendrehzahl präzise durch Änderung der Versorgungsfrequenz mittels des Frequenzumrichters. Dies beweist eindeutig, dass die Drehzahlregelung mit variabler Frequenz die beste Methode zur Energieeinsparung darstellt. 3.2.2 Verbesserte Systemeffizienz und reduzierter Energieverbrauch: Nach der Systemmodernisierung mit einem Hochspannungs-Frequenzumrichter konnte jede Pumpe im optimalen Wirkungsgradbereich arbeiten und gleichzeitig die Anforderungen an die Wassereinspritzung erfüllen. Dies verbesserte die Systemeffizienz und reduzierte den Energieverbrauch. Analysen und Berechnungen zeigen, dass die Systemmodernisierung den Energieverbrauch der Wassereinspritzanlage um durchschnittlich 0,2–0,4 kWh senken kann. Bei einem durchschnittlichen Verbrauch von 0,3 kWh, einem durchschnittlichen täglichen Wassereinspritzvolumen von 4100 m³/d und Stromkosten von 0,5 Yuan pro Kilowattstunde ergibt sich eine jährliche Stromeinsparung von: 4100 × 365 × 0,3 × 0,5 = 224.000 Yuan (RMB). 3.2.3 Anpassung des Wasserüberschussvolumens und Energieeinsparung: Das durchschnittliche tägliche Wassereinspritzvolumen beträgt 4100 m³/d. Der erforderliche Wasserinjektionsbedarf schwankt jedoch erheblich (mal 2600 m³/d, mal 5500 m³/d) und ändert sich häufig (wöchentlich oder alle paar Tage). Der Einsatz von Hochspannungs-Frequenzumrichtertechnik in diesem Kraftwerk ermöglicht eine flexible Anpassung des Pumpenbetriebs an den externen Wasserbedarf. Dadurch wird sichergestellt, dass der Pumpenbetrieb dem benötigten Wasservolumen so genau wie möglich entspricht und gleichzeitig die Systemdruckanforderungen erfüllt werden. Dies reduziert Energie- und Wasserverschwendung erheblich. Übersteigt beispielsweise die Pumpenleistung 3600 m³/d, werden zusätzlich 1500 m³/d eingespeist. Übersteigt die Pumpenleistung hingegen 5500 m³/d, reicht der Betrieb einer Pumpe nicht aus, während der Betrieb von zwei Pumpen zusätzliche 2220 m³/d einspeist – beides führt zu Wasser- und Energieverschwendung. Basierend auf den oben genannten Daten und dem Betriebszustand des Kraftwerks wird geschätzt, dass zur Deckung des Injektionsbedarfs durchschnittlich 1600 m³/d Wasser zusätzlich pro Tag eingespeist werden müssen. Der spezifische Stromverbrauch des Systems beträgt 7,1 kW/h. Bei Stromkosten von 0,5 Yuan pro Kilowattstunde gab es vor der Modernisierung jährlich etwa 150 Tage mit Abweichungen im Wasservolumen. Die jährliche Stromeinsparung nach der Anpassung des Hochspannungs-Frequenzumrichters beträgt somit: 1600 × 150 × 7,1 × 0,5 = 852.000 Yuan (RMB) . 3.3 Tatsächliche Stromeinsparung Der Frequenzumrichter wurde im August 2004 am Wassereinspritzmotor Nr. 2 der neuen Sanlian-Pumpe offiziell installiert und in Betrieb genommen. Der Stromverbrauch vor und nach der Nutzung des Frequenzumrichters ist in den folgenden Tabellen dargestellt: Tabelle 1: Stromverbrauch vor der Nutzung des Frequenzumrichters im Mai 2004; Tabelle 2: Stromverbrauch der Pumpe Nr. 2 nach Einsatz des Frequenzumrichters im August 2004. Aus den Tabellen 1 und 2 geht hervor, dass der spezifische Stromverbrauch des Wassereinspritzpumpenmotors von 6,79 auf 5,38 W vor und nach der Installation des Frequenzumrichters sank. Unter Vernachlässigung anderer Faktoren ergibt sich folgende Energieeinsparung: (Stromverbrauch vor der Installation – Stromverbrauch nach der Installation) / Stromverbrauch vor der Installation * 100 % = (1244246 – 698215) / 1244246 * 100 % = 43,88 %. Unter Berücksichtigung des Einflusses verschiedener Faktoren auf die Wassereinspritzmenge weicht die tatsächliche Energieeinsparung vom berechneten Wert ab. Im praktischen Einsatz ist dieser Unterschied jedoch nicht signifikant, und die Gesamtenergieeinsparung bleibt unverändert. 4. Fazit : Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Hochspannungs-Frequenzumrichter der Serie JD-BP37 reibungslos arbeitet, zuverlässig, einfach und praktisch ist und eine signifikante Energieeinsparung ermöglicht. Es verbessert das Arbeitsumfeld für die Mitarbeiter, hat keinen Einschaltstrom, reduziert die Wartungskosten erheblich und verlängert die Lebensdauer des Geräts. Installation und Einsatz haben signifikante wirtschaftliche Vorteile gebracht. Die Anwendung zeigt, dass der Hochspannungs-Frequenzumrichter der Serie JD-BP37 großes Potenzial für eine breite Anwendung besitzt. Referenzen: (Ausgelassen) Autorenbiografie: Yin Pengfei, männlicher Ingenieur, Absolvent der Northeastern University, derzeit tätig in der Entwicklung und Forschung von Frequenzumrichtern bei Shandong Xinfengguang Electronic Technology Development Co., Ltd. Postanschrift: Nr. 769, Westabschnitt der Guangchang Road, Wenshang County, Provinz Shandong, 272500, China Telefon: 13854781073