变频器在石油工业上的应用

一、艾米克变频器在石油工业上的应用。 AMK3800变频器是如何在石油行业中的应用？

    石油化工行业是国民经济发展的基础行业，同时也是耗能大户，其主要生产工艺都是通过各种泵、空气压缩机来完成。目前，这些油泵、水泵和空气压缩机大都处于电动机驱动恒速运转状态，如将占绝对多数的非调速型电机改成调速运行,使其耗电量实现随负荷大小而变化,则可节约大量能源，将产生显著的节能效果。现代电力电子技术、交流调速技术的发展使得交流电动机变频调速在频率范围、动态响应、精度要求和使用效果等方面发生了巨大的飞跃。据不完全统计,各大中型石化企业中,鼠笼式异步电动机占整个电动机总容量的80％，因此,它为交流调速技术在石化行业中的应用提供了广阔的发展空间。

    1.1艾米克变频器在游梁式抽油机上的应用。

    游梁式抽油机使用方便、可靠、经济,是目前采油生产中的主要设备。为了减小抽油机上下冲程负荷的波动,一般都配有平衡块。抽油机电机的负荷是一周期性脉动负荷,并迭加有瞬间的冲击。抽油机电机的负荷曲线上有两个峰值,分别为抽油机上下冲程的“死点”。抽油机自由停车后再启动时，总是从死点处启动,因此抽油机电机要求启动转矩大。为了保证足够大的启动转矩,抽油机电机正常运行时负荷率很低,一般在20%左右,负荷率高的也不过30%。低负荷率运行造成功率因数低,效率低,电能浪费大。 

　　因此，在设计选配抽油机电机时，普遍的做法是令其抽取量大于实际负荷。它所带来的新问题是当抽油机排量过剩时，抽油机的运行会出现无功抽取，出现空抽或泵空状态，伴随泵空还会产生井喷、气锁等事故，而井喷、气锁又是导致钻具组、泵装置甚至地面设备损坏的主要原因。另外，由于过度的不间断运行，机械设备的损耗也相应上升，造成传统抽油机成本高，噪音大，运行可靠性低。有效控制泵空是亟待研究的课题。抽油机是油田耗能大户，用电量约占油田总用电量的40％，其总体效率很低，据调查一般在30％左右，过剩的抽油能力令抽油机的无功抽取时间增加，造成油井开采的电费成本居高不下，能源浪费十分严重。因此，抽油机的节能潜力非常可观。

　　近年来，市场上直接针对抽油机的节电技术主要有两大类:一是开发不同类型的抽油机节能电机，如超高转差率电动机、三相永磁同步电机、高启动转矩双定子结构电机和电磁调速电机等。但由于资金投入太大，在许多油田用节能电机取代普通异步电机尚无法全面推广。二是使用节能配电箱，其中包括定子绕组Y-Δ转换调压和电容器动态无功补偿及静态无功补偿等。采用改变定子绕组的接法可以改变电机电压，但电机只能得到固定电压，节电效果并不理想。虽然有些装置采用双向晶闸管实现定子电压随负载变化连续调节，节电效果较好，但是电源电流波形发生畸变，电网谐波污染严重，不宜大面积长期使用。而采用变频调速控制，则可以改变抽油机长期处于低效做功的状态，使其工作方式与油井实际负荷相匹配，保证每次都抽油，减少低效甚至无效抽取，从而降低电费开支，减少维护成本，提高运行效率。

　　胜利油田孤东采油厂采用了抽油机变频调速技术对稠油井实施改造，油井泵效显著提高，日均增油2.1t，节电率达30%以上，且上、下冲程速度可任意调整，减轻了工人的劳动强度。其经济效益通过对15口井的跟踪，用加权平均法计算出单井年效益如下:

　　(1) 增产及减少电耗费用　增产,50.4万元，节电0.61万元，合计,51.01万元。

　　(2) 投资设备及土建安装费等共计9.43万元。

　　(3) 设备维护及折旧费1.36万元/年。

　　(4) 税金8.56万元/年。

　　(5) 利润41.08万元/年。

　　(6) 投资回收时间＝投资/(利润+税金)＝70天

　　1.2 在潜油电泵上的应用

　　潜油电泵采油作为一种大排量、高效率、管理方便的机械采油方式,在油田得到了广泛的应用。然而,对于复杂断块油田来说,油水井的对应连通性差,部分潜油电泵井出现供液不足,影响到潜油电泵的正常生产及井下机组运转寿命。以某油田采油厂为例,1997年以来,约有30%的电泵井由于供液不足而经常出现欠载停机现象,由于供液不足造成的躺井占总躺井数的45%,平均检泵周期只有66d,平均单井年维护费用增加了13.86万元。为了延长电泵井的检泵周期,保证电泵井的正常生产,引进了潜油电泵变频控制技术,通过改变供电电源的频率,控制潜油电机的转速,对泵的排量进行调节,使潜油泵的工作特性和油井的产能相匹配、电泵机组在最佳工作区内工作,达到减少机械及电气故障、延长电泵井寿命、增产及节能的效果。

　　在推广应用潜油电泵变频器以后,使用效果十分显著，具体如下:

　　(1) 现场投产一次成功率为100%,措施有效率为100%,

　　(2) 电泵井平均功率因数由0.83上升至0.94;

　　(3) 平均检泵周期由66d提高到了273d,延长了207d

　　(4) 共减少电泵井欠载停井185井次,减少停井占产235t,电泵井平均生产时率由67.8%提高到98.1%,共减少作业躺井42井次,减少作业占产336t,

　　(5) 投入产出比达1:4.38

　　二、变频器在石油钻机上的应用。钻井过程分为起落井架,钻进,泥浆循环,钻具更换,下套管,测井等几大工序。主要分为绞车,转盘和泥浆泵等。绞车由滚筒、齿轮箱、离合器、制动器、电机和控制设备组成,用来起落井架,提升和下放钻杆、套管。随着井深的增加,钻具越来越长,重量迅速加大,绞车的负载也越来越大。我国目前已有7000m深的油井,其钻具近600t重。由于每钻进约9m就要提升下放钻杆1次,因此绞车作业时间也随着井深的增加而占整个作业时间的比例越来越大。为降低成本,希望在野外或海上的作业时间越短越好,这不仅要求绞车能高速运行,平稳起停,以保证不损坏钻井设备并提高井的质量,还要求驱动设备具有良好的动态特性。如果在内线井区作业,电源可与井区电网相连,下放钻杆时电机工作在发电状态,能量可回馈电网,节能效果显著。

　　新疆石油管理局钻井公司为可打3200m深度的一套钻井设备配置了艾米克变频器，所用产品为Siemens　SIMOVERT　MASTER-DRIVES　6SE71电压源型变频器柜，并且取得了较好的效益。在钻机技术更新、改造过程中,采用先进的变频器应是优先考虑,颇具推广价值的方案，它将大大推动我国石油机械的技术进步。

　　另外，在油气集输、油气加工、含油污水处理、供水、排水、油田注水等系统中艾米克变频器也有广泛的应用，限于篇幅在此不一一举例。

　　三、变频器在炼油行业中的应用。机泵是炼油厂的心脏，在炼油过程中机泵输送的物流总量约为原油加工量的40多倍，如加工量2.5Mt/a的炼油厂，每年物流的输送量高达近亿吨，所以耗电量之大是可想而知的。在炼油装置中,电动机是应用面最广、数量最多的电气设备之一,其大部分负载为机泵,而定速泵在所耗功率中,被工艺物流吸收作有用功率的仅占30%-40%,其60%-70%的电能消耗于调节阀节流控制压降和因为处理量、收率变化及设计裕量大所造成的“大马拉小车”而导致的泵出口阀压降上。机泵节能的根本问题在于如何使控制方案与实际负荷相匹配,使之在控制过程中降低阻力,提高系统效率。这就为变频调速技术提供了广阔的应用空间。实践证明,变频调速装置是企业技术改造、节能降耗的理想设备。毫无疑问,这种调速方式将成为石化企业中驱动系统的中枢。

　　在泵类负载中的应用。变频调速技术通过改变电动机定子电源频率来改变电动机转速,相应地改变机泵的转速和工况,使其流量与扬程适应管网介质流量的变化。

　　如图1所示,n为泵特性曲线,A为管路特性曲线,H0为管网未端的服务压力,H为泵出口压力。当用水量达到最大(Qmax)时,水泵全速运转,出口阀门全开,达到了满负荷运行,泵的特性曲线n0和管网特性曲线A0汇交于b点,则其工况点为b,此时,泵的出口压力为H,未端服务压力刚好为H0。当流量从Qmax减少到Q1的过程中,泵全速运转,靠泵出口阀门关小控制:此时,管网阻力特性曲线变陡(A2),泵的工况点由b上滑到c点,而管网所需的扬程将由b点下滑到d点,这样,c点和d点扬程的差值即为全速泵的能量浪费。泵变速运转,靠管网取不利点压力恒定来控制:此时,当流量为Qmax下降到Q1时,泵降低转数,泵特性曲线变为n1,其工况点为d,正好落在管路特性曲线A0上,这样可使泵工作点始终沿A0滑动。管网的服务压力H0恒定不变,其扬程与系统阻力相适应,没有能量的浪费,从而达到了调速节能的目的。

　　大庆石化总厂已对装置内负载波动大,调节阀节流严重的机泵安装了65台变频器,总容量为3600kw,其中大部分是闭环控制系统,即现场一次表经变送器将信号通过屏蔽电缆送到PID调节器,调节后通地屏蔽电缆将4-20ｍA直流信号送到变频器的设定口,控制变频器的输出;余下部分是开环控制系统,即根据控制目标通过电位器给定来控制变频器输出,以使电动机工作在符合工艺要求的转速上,完全靠变频器输出控制电动机转速来控制流量,使机泵的出口阀达到全开状态,扬程与管网阻力特性曲线相吻合,泵出口扬程大幅度下降,电动机输出有功功率也明显降低,获得最佳的节能效果。变频器的使用,使节电率达到50～70%,年节电810万kwh;另外,变频器的使用,不但实现了生产过程自动化,而且延长了设备了使用寿命,保证了装置安稳长满优运行,取得了较好的经济效益和社会效益。

在石油气压缩机上的应用，某炼油企业有2台石油气压缩机,单机额定功率75kW，一开一备运行方式，而在实际生产中，只需大约45kW的输出功率。压缩机在低于额定工况下运转，负载率较低，而且其风压与流量大小要靠手动阀来调节，操作困难，也浪费大量电能。为此，采用变频调速技术进行改造，用PLC实现自动调节和各种控制功能。系统结构图如图2所示。

　　设定压缩机管网正常出口压力为P1,而现场实际测定压力为P2,根据ΔP(=P2-P1)值的大小,由PLC内的PID功能模块进行PID运算,控制变频器来改变电机转速,达到所要求的压力。当ΔP>0时,即现场压力偏高,则提高变频器的输出频率,使电机转速加快,提高实际风压;当ΔP<0时,即现场压力偏低,则使转速降低,ΔP减小。这样不断调整,使ΔP趋于0,现场实际压力在设定的压力附近波动,保证压力稳定。