变频调速技术在石油行业中的节能应用方案
发布时间:2009-09-25 来源:www.cechina.cn
l 引言
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。
2 变频器在石油行业中的应用
2.1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 加有瞬问的冲击。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,由于过度的不问断运行,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一△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2.1 t, 节 电率达3 0% 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1 5 VI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,5 1.0 1万元。
(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 2-2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,1 997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1 3.86万元。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1 85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
2.3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 井设备配置了变频器, 所用产品为Siemens SIMOVERT MASTER—DRIVES 6SE7 1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、油田注水等系统中变频器也有广泛的应用, 限于篇幅在此不一一举例。
3 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%一40%,其60%一70% 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。
3.1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。

图1 特性曲线
如图l所示,FI为泵特性曲线,A为管路特性曲线,H 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(Q 。 )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n 和管网特性曲线A 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H 。 当流量从Q 减少到Q 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(A,),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Q 下降到Q 时,泵降低转数,泵特性曲线变为n ,其工况点为d, 正好落在管路特性曲线A 上,这样可使泵工作点始终沿A 滑动。管网的服务压力H 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—20 m A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8l0万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。
3l2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PL C实现 自动调节和各种控制功能。系统结构图如图2所示。

图2 系统结构图
设定压缩机管网正常出口压力为P ,而现场实际测定压 力为P,,根据△P(=P2-P )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△P>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△P<0时,即现场压 力偏低,则使转速降低,△P减小。这样不断调整,使△P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。 系统结构如图2所示。
运行实践证明,该方案稳定可靠,经济效果明显。
3 3变频器在石化企业中的应用效果
长岭炼油厂催化剂厂微球装置高压泵使用变频器后, 输出功率由l 8.6kw降至7.2kw, 节电61.3%, 更为主 要的是减少了因经常换电刷而带来的维修上和停产;九江炼 油厂生活水泵供水系统中, 水泵电机l1 0kw,不同时间 负载变化较大,在负载较低时管网压差较大,选用变频 器组成恒压供水系统, 平均节电36%;茂名炼油厂将变频 器大量的应用到生产过程中, 减少因开启阀门而带来的麻 烦,流量准确,减轻了工人的劳动强度,节约了大量电 能。如糖醛生产线原有l 2台泵, 每天耗电8000kwh,把 其中9台采用变频调速后, 耗电只有4000kwh。
3、4炼油装置应用变频装置应该注意的问题
变频技术在炼油装置中得到了越来越广泛的应用。目 前,全国各炼油厂或多或少都在应用,并取得了良好的节能效 果及经济效益。但是,因原设计的炼油装置在设计上未考 虑过变频器的使用。因此,并非所有部位都适合使用变频 器。首先要考虑的是经济效益。因此,对应用变频技术的部位,各工艺条件的改变经充分论证是可行的,即变频后各工 艺参数能满足工艺需要, 尤其要重视经济分析。
就一般而言,原装置设计的机泵选型都留有较大的裕 量,一般都大于l0%,电机功率选用过于保守。此外,实际生 产中随着加工量、物料性质的变化,也存在实际功率的变 化,造成电机能量白白浪费;管路阀门及控制阀组调节阀的节 流、冷却器的冷后温度过低等都会浪费能量。经可行性 分析,若条件成熟都可考虑应用变频技术。
但是,目前国内的变频器技术相对而言还不很成熟,而国 外的变频器价格较高,并且随着功率增大价格也越高。几个较 好的品牌有:富士、东芝、三垦、西门子等。此外,加上相应 的配套工程费用,并非在所有部位采用变频器技术都能取得好 的效益。如果在短期内不能回收投资,那么应用变频器技术就 不合算。炼油厂是以三年回收期来确定是否应用,已经应用的 回收期基本在l~2年。正因为如此,选用大功率机泵、过剩 功率大的机泵,回收期就短,而小功率机泵、过剩功率小的机 泵就没有意义,对具体情况要具体分析。
变频器的功率选择问题, 变频器的价格随着功率增大 而增高,价差较大,并且变频器的功率分规格档次。为了节 约资金,应考虑按估算的功率进行选择变频器,这就要求估算 与实际使用变频器要非常吻合,也就是对变频后各工艺参数 的估计要准确。