1 引言
　　 石油化工行業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)行業(yè)，同時(shí)也是耗能大戶，其主要生產(chǎn)工藝都是通過各種泵、空氣壓縮機(jī)來完成。目前，這些油泵、水泵和空氣壓縮機(jī)大都處于電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)恒速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，如將占絕對多數(shù)的非調(diào)速型電機(jī)改成調(diào)速運(yùn)行,使其耗電量實(shí)現(xiàn)隨負(fù)荷大小而變化,則可節(jié)約大量能源，將產(chǎn)生顯著的節(jié)能效果。現(xiàn)代電力電子技術(shù)、交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展使得交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速在頻率范圍、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、精度要求和使用效果等方面發(fā)生了巨大的飛躍。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),各大中型石化企業(yè)中,鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)占整個(gè)電動(dòng)機(jī)總?cè)萘康?0％，因此,它為交流調(diào)速技術(shù)在石化行業(yè)中的應(yīng)用提供了廣闊的發(fā)展空間。
　　2 變頻器在石油行業(yè)中的應(yīng)用
　　 2.1 在游梁式抽油機(jī)上的應(yīng)用
　　 游梁式抽油機(jī)使用方便、可靠、經(jīng)濟(jì),是目前采油生產(chǎn)中的主要設(shè)備。為了減小抽油機(jī)上下沖程負(fù)荷的波動(dòng),一般都配有平衡塊。抽油機(jī)電機(jī)的負(fù)荷是一周期性脈動(dòng)負(fù)荷,并迭加有瞬間的沖擊。抽油機(jī)電機(jī)的負(fù)荷曲線上有兩個(gè)峰值,分別為抽油機(jī)上下沖程的“死點(diǎn)”。抽油機(jī)自由停車后再啟動(dòng)時(shí)，總是從死點(diǎn)處啟動(dòng),因此抽油機(jī)電機(jī)要求啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大。為了保證足夠大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩,抽油機(jī)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)負(fù)荷率很低,一般在20%左右,負(fù)荷率高的也不過30%。低負(fù)荷率運(yùn)行造成功率因數(shù)低,效率低,電能浪費(fèi)大。
　　 因此，在設(shè)計(jì)選配抽油機(jī)電機(jī)時(shí)，普遍的做法是令其抽取量大于實(shí)際負(fù)荷。它所帶來的新問題是當(dāng)抽油機(jī)排量過剩時(shí)，抽油機(jī)的運(yùn)行會(huì)出現(xiàn)無功抽取，出現(xiàn)空抽或泵空狀態(tài)，伴隨泵空還會(huì)產(chǎn)生井噴、氣鎖等事故，而井噴、氣鎖又是導(dǎo)致鉆具組、泵裝置甚至地面設(shè)備損壞的主要原因。另外，由于過度的不間斷運(yùn)行，機(jī)械設(shè)備的損耗也相應(yīng)上升，造成傳統(tǒng)抽油機(jī)成本高，噪音大，運(yùn)行可靠性低。有效控制泵空是亟待研究的課題。抽油機(jī)是油田耗能大戶，用電量約占油田總用電量的 40％，其總體效率很低，據(jù)調(diào)查一般在30％左右，過剩的抽油能力令抽油機(jī)的無功抽取時(shí)間增加，造成油井開采的電費(fèi)成本居高不下，能源浪費(fèi)十分嚴(yán)重。因此，抽油機(jī)的節(jié)能潛力非常可觀。
　　 近年來，市場上直接針對抽油機(jī)的節(jié)電技術(shù)主要有兩大類:一是開發(fā)不同類型的抽油機(jī)節(jié)能電機(jī)，如超高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)、三相永磁同步電機(jī)、高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩雙定子結(jié)構(gòu)電機(jī)和電磁調(diào)速電機(jī)等。但由于資金投入太大，在許多油田用節(jié)能電機(jī)取代普通異步電機(jī)尚無法全面推廣。二是使用節(jié)能配電箱，其中包括定子繞組Y-Δ轉(zhuǎn)換調(diào)壓和電容器動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償及靜態(tài)無功補(bǔ)償?shù)取２捎酶淖兌ㄗ永@組的接法可以改變電機(jī)電壓，但電機(jī)只能得到固定電壓，節(jié)電效果并不理想。雖然有些裝置采用雙向晶閘管實(shí)現(xiàn)定子電壓隨負(fù)載變化連續(xù)調(diào)節(jié)，節(jié)電效果較好，但是電源電流波形發(fā)生畸變，電網(wǎng)諧波污染嚴(yán)重，不宜大面積長期使用。而采用變頻調(diào)速控制，則可以改變抽油機(jī)長期處于低效做功的狀態(tài)，使其工作方式與油井實(shí)際負(fù)荷相匹配，保證每次都抽油，減少低效甚至無效抽取，從而降低電費(fèi)開支，減少維護(hù)成本，提高運(yùn)行效率。
　　 勝利油田孤東采油廠采用了抽油機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)對稠油井實(shí)施改造，油井泵效顯著提高，日均增油2.1t，節(jié)電率達(dá)30%以上，且上、下沖程速度可任意調(diào)整，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。其經(jīng)濟(jì)效益通過對15口井的跟蹤，用加權(quán)平均法計(jì)算出單井年效益如下:
　　（1） 增產(chǎn)及減少電耗費(fèi)用　增產(chǎn),50.4萬元，節(jié)電0.61萬元，合計(jì),51.01萬元。
　　（2） 投資　設(shè)備及土建安裝費(fèi)等共計(jì)9.43萬元。
　　（3） 設(shè)備維護(hù)及折舊費(fèi)1.36萬元/年。
　　（4） 稅金8.56萬元/年。
　　（5） 利潤41.08萬元/年。
　　（6） 投資回收時(shí)間＝投資/（利潤+稅金）＝70天
　　 2.2 在潛油電泵上的應(yīng)用
　　 潛油電泵采油作為一種大排量、高效率、管理方便的機(jī)械采油方式,在油田得到了廣泛的應(yīng)用。然而,對于復(fù)雜斷塊油田來說,油水井的對應(yīng)連通性差,部分潛油電泵井出現(xiàn)供液不足,影響到潛油電泵的正常生產(chǎn)及井下機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)壽命。以某油田采油廠為例,1997年以來,約有30%的電泵井由于供液不足而經(jīng)常出現(xiàn)欠載停機(jī)現(xiàn)象,由于供液不足造成的躺井占總躺井?dāng)?shù)的45%,平均檢泵周期只有66d,平均單井年維護(hù)費(fèi)用增加了13.86萬元。為了延長電泵井的檢泵周期,保證電泵井的正常生產(chǎn),引進(jìn)了潛油電泵變頻控制技術(shù),通過改變供電電源的頻率,控制潛油電機(jī)的轉(zhuǎn)速,對泵的排量進(jìn)行調(diào)節(jié),使?jié)撚捅玫墓ぷ魈匦院陀途漠a(chǎn)能相匹配、電泵機(jī)組在最佳工作區(qū)內(nèi)工作,達(dá)到減少機(jī)械及電氣故障、延長電泵井壽命、增產(chǎn)及節(jié)能的效果。
　　 在推廣應(yīng)用潛油電泵變頻器以后,使用效果十分顯著，具體如下:
　　（1） 現(xiàn)場投產(chǎn)一次成功率為100%,措施有效率為100%,
　　（2） 電泵井平均功率因數(shù)由0.83上升至0.94;
　　（3） 平均檢泵周期由66d提高到了273d,延長了207d
　　（4） 共減少電泵井欠載停井185井次,減少停井占產(chǎn)235t,電泵井平均生產(chǎn)時(shí)率由67.8%提高到98.1%,共減少作業(yè)躺井42井次,減少作業(yè)占產(chǎn)336t,
　　（5） 投入產(chǎn)出比達(dá)1:4.38
　　 2.3 在石油鉆機(jī)上的應(yīng)用
　　 鉆井過程分為起落井架,鉆進(jìn),泥漿循環(huán),鉆具更換,下套管,測井等幾大工序。主要分為絞車,轉(zhuǎn)盤和泥漿泵等。絞車由滾筒、齒輪箱、離合器、制動(dòng)器、電機(jī)和控制設(shè)備組成,用來起落井架,提升和下放鉆桿、套管。隨著井深的增加,鉆具越來越長,重量迅速加大,絞車的負(fù)載也越來越大。我國目前已有7000m 深的油井,其鉆具近600t重。由于每鉆進(jìn)約9m就要提升下放鉆桿1次,因此絞車作業(yè)時(shí)間也隨著井深的增加而占整個(gè)作業(yè)時(shí)間的比例越來越大。為降低成本, 希望在野外或海上的作業(yè)時(shí)間越短越好,這不僅要求絞車能高速運(yùn)行,平穩(wěn)起停,以保證不損壞鉆井設(shè)備并提高井的質(zhì)量,還要求驅(qū)動(dòng)設(shè)備具有良好的動(dòng)態(tài)特性。如果在內(nèi)線井區(qū)作業(yè),電源可與井區(qū)電網(wǎng)相連,下放鉆桿時(shí)電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài),能量可回饋電網(wǎng),節(jié)能效果顯著。
　　 新疆石油管理局鉆井公司為可打3200m深度的一套鉆井設(shè)備配置了變頻器，所用產(chǎn)品為Siemens　SIMOVERT　MASTER- DRIVES　6SE71電壓源型變頻器柜，并且取得了較好的效益。在鉆機(jī)技術(shù)更新、改造過程中,采用先進(jìn)的變頻器應(yīng)是優(yōu)先考慮,頗具推廣價(jià)值的方案，它將大大推動(dòng)我國石油機(jī)械的技術(shù)進(jìn)步。
　　 另外，在油氣集輸、油氣加工、含油污水處理、供水、排水、油田注水等系統(tǒng)中變頻器也有廣泛的應(yīng)用，限于篇幅在此不一一舉例。
　　3 變頻器在煉油行業(yè)中的應(yīng)用
　　 機(jī)泵是煉油廠的心臟，在煉油過程中機(jī)泵輸送的物流總量約為原油加工量的40多倍，如加工量2.5Mt/a的煉油廠，每年物流的輸送量高達(dá)近億噸，所以耗電量之大是可想而知的。在煉油裝置中,電動(dòng)機(jī)是應(yīng)用面最廣、數(shù)量最多的電氣設(shè)備之一,其大部分負(fù)載為機(jī)泵,而定速泵在所耗功率中,被工藝物流吸收作有用功率的僅占30%-40%,其60%-70%的電能消耗于調(diào)節(jié)閥節(jié)流控制壓降和因?yàn)樘幚砹俊⑹章首兓霸O(shè)計(jì)裕量大所造成的“大馬拉小車”而導(dǎo)致的泵出口閥壓降上。機(jī)泵節(jié)能的根本問題在于如何使控制方案與實(shí)際負(fù)荷相匹配,使之在控制過程中降低阻力,提高系統(tǒng)效率。這就為變頻調(diào)速技術(shù)提供了廣闊的應(yīng)用空間。實(shí)踐證明,變頻調(diào)速裝置是企業(yè)技術(shù)改造、節(jié)能降耗的理想設(shè)備。毫無疑問,這種調(diào)速方式將成為石化企業(yè)中驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的中樞。
　　 3.1 在泵類負(fù)載中的應(yīng)用
　　 變頻調(diào)速技術(shù)通過改變電動(dòng)機(jī)定子電源頻率來改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,相應(yīng)地改變機(jī)泵的轉(zhuǎn)速和工況,使其流量與揚(yáng)程適應(yīng)管網(wǎng)介質(zhì)流量的變化。
　　 如圖1所示,ｎ為泵特性曲線,A為管路特性曲線,H0為管網(wǎng)未端的服務(wù)壓力,H為泵出口壓力。當(dāng)用水量達(dá)到最大（Qmax）時(shí),水泵全速運(yùn)轉(zhuǎn),出口閥門全開,達(dá)到了滿負(fù)荷運(yùn)行,泵的特性曲線n0和管網(wǎng)特性曲線A0匯交于ｂ點(diǎn),則其工況點(diǎn)為ｂ,此時(shí),泵的出口壓力為H,未端服務(wù)壓力剛好為H0。當(dāng)流量從Qmax減少到Q1的過程中,泵全速運(yùn)轉(zhuǎn),靠泵出口閥門關(guān)小控制:此時(shí),管網(wǎng)阻力特性曲線變陡（A2）,泵的工況點(diǎn)由ｂ上滑到ｃ點(diǎn),而管網(wǎng)所需的揚(yáng)程將由ｂ點(diǎn)下滑到ｄ點(diǎn),這樣,ｃ點(diǎn)和ｄ點(diǎn)揚(yáng)程的差值即為全速泵的能量浪費(fèi)。泵變速運(yùn)轉(zhuǎn),靠管網(wǎng)取不利點(diǎn)壓力恒定來控制:此時(shí),當(dāng)流量為Qmax下降到Q1時(shí), 泵降低轉(zhuǎn)數(shù),泵特性曲線變?yōu)閚1,其工況點(diǎn)為ｄ,正好落在管路特性曲線A0上,這樣可使泵工作點(diǎn)始終沿A0滑動(dòng)。管網(wǎng)的服務(wù)壓力H0恒定不變,其揚(yáng)程與系統(tǒng)阻力相適應(yīng),沒有能量的浪費(fèi),從而達(dá)到了調(diào)速節(jié)能的目的。
　　 大慶石化總廠已對裝置內(nèi)負(fù)載波動(dòng)大,調(diào)節(jié)閥節(jié)流嚴(yán)重的機(jī)泵安裝了65臺(tái)變頻器,總?cè)萘繛?600kw,其中大部分是閉環(huán)控制系統(tǒng),即現(xiàn)場一次表經(jīng)變送器將信號(hào)通過屏蔽電纜送到PID調(diào)節(jié)器,調(diào)節(jié)后通地屏蔽電纜將4-20ｍA直流信號(hào)送到變頻器的設(shè)定口,控制變頻器的輸出;余下部分是開環(huán)控制系統(tǒng),即根據(jù)控制目標(biāo)通過電位器給定來控制變頻器輸出,以使電動(dòng)機(jī)工作在符合工藝要求的轉(zhuǎn)速上,完全靠變頻器輸出控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來控制流量,使機(jī)泵的出口閥達(dá)到全開狀態(tài),揚(yáng)程與管網(wǎng)阻力特性曲線相吻合,泵出口揚(yáng)程大幅度下降,電動(dòng)機(jī)輸出有功功率也明顯降低,獲得最佳的節(jié)能效果。變頻器的使用,使節(jié)電率達(dá)到 50～70%,年節(jié)電810萬kwh;另外,變頻器的使用,不但實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程自動(dòng)化,而且延長了設(shè)備了使用壽命,保證了裝置安穩(wěn)長滿優(yōu)運(yùn)行,取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
　　 3.2 在石油氣壓縮機(jī)上的應(yīng)用
　　 某煉油企業(yè)有2臺(tái)石油氣壓縮機(jī),單機(jī)額定功率75kW，一開一備運(yùn)行方式，而在實(shí)際生產(chǎn)中，只需大約45kW的輸出功率。壓縮機(jī)在低于額定工況下運(yùn)轉(zhuǎn)，負(fù)載率較低，而且其風(fēng)壓與流量大小要靠手動(dòng)閥來調(diào)節(jié)，操作困難，也浪費(fèi)大量電能。為此，采用變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行改造，用PLC實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)和各種控制功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
　　 設(shè)定壓縮機(jī)管網(wǎng)正常出口壓力為P1,而現(xiàn)場實(shí)際測定壓力為P2,根據(jù)ΔP（=P2-P1）值的大小,由PLC內(nèi)的PID功能模塊進(jìn)行PID運(yùn)算,控制變頻器來改變電機(jī)轉(zhuǎn)速,達(dá)到所要求的壓力。當(dāng)ΔP>0時(shí),即現(xiàn)場壓力偏高,則提高變頻器的輸出頻率,使電機(jī)轉(zhuǎn)速加快,提高實(shí)際風(fēng)壓;當(dāng) ΔP<0時(shí),即現(xiàn)場壓力偏低,則使轉(zhuǎn)速降低,ΔP減小。這樣不斷調(diào)整,使ΔP趨于0,現(xiàn)場實(shí)際壓力在設(shè)定的壓力附近波動(dòng),保證壓力穩(wěn)定。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
　　運(yùn)行實(shí)踐證明,該方案穩(wěn)定可靠,經(jīng)濟(jì)效果明顯。
　　 3.3 變頻器在石化企業(yè)中的應(yīng)用效果
　　 長嶺煉油廠催化劑廠微球裝置高壓泵使用變頻器后，輸出功率由18.6kw降至7.2kw，節(jié)電61.3％，更為主要的是減少了因經(jīng)常換電刷而帶來的維修上和停產(chǎn);九江煉油廠生活水泵供水系統(tǒng)中，水泵電機(jī)110kw，不同時(shí)間負(fù)載變化較大，在負(fù)載較低時(shí)管網(wǎng)壓差較大，選用變頻器組成恒壓供水系統(tǒng)，平均節(jié)電36％;茂名煉油廠將變頻器大量的應(yīng)用到生產(chǎn)過程中，減少因開啟閥門而帶來的麻煩，流量準(zhǔn)確，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約了大量電能。如糖醛生產(chǎn)線原有12臺(tái)泵，每天耗電8000kwh,把其中9臺(tái)采用變頻調(diào)速后，耗電只有4000kwh。
　　 3.4 煉油裝置應(yīng)用變頻裝置應(yīng)該注意的問題
　　 變頻技術(shù)在煉油裝置中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。目前,全國各煉油廠或多或少都在應(yīng)用,并取得了良好的節(jié)能效果及經(jīng)濟(jì)效益。但是,因原設(shè)計(jì)的煉油裝置在設(shè)計(jì)上未考慮過變頻器的使用。因此,并非所有部位都適合使用變頻器。首先要考慮的是經(jīng)濟(jì)效益。因此,對應(yīng)用變頻技術(shù)的部位,各工藝條件的改變經(jīng)充分論證是可行的,即變頻后各工藝參數(shù)能滿足工藝需要，尤其要重視經(jīng)濟(jì)分析。
　　 就一般而言，原裝置設(shè)計(jì)的機(jī)泵選型都留有較大的裕量,一般都大于10%,電機(jī)功率選用過于保守。此外,實(shí)際生產(chǎn)中隨著加工量、物料性質(zhì)的變化,也存在實(shí)際功率的變化,造成電機(jī)能量白白浪費(fèi);管路閥門及控制閥組調(diào)節(jié)閥的節(jié)流、冷卻器的冷后溫度過低等都會(huì)浪費(fèi)能量。經(jīng)可行性分析,若條件成熟都可考慮應(yīng)用變頻技術(shù)。
　　 但是,目前國內(nèi)的變頻器技術(shù)相對而言還不很成熟,而國外的變頻器價(jià)格較高,并且隨著功率增大價(jià)格也越高。幾個(gè)較好的品牌有:富士、東芝、三墾、西門子等。此外,加上相應(yīng)的配套工程費(fèi)用,并非在所有部位采用變頻器技術(shù)都能取得好的效益。如果在短期內(nèi)不能回收投資,那么應(yīng)用變頻器技術(shù)就不合算。煉油廠是以三年回收期來確定是否應(yīng)用,已經(jīng)應(yīng)用的回收期基本在1～2年。正因?yàn)槿绱?選用大功率機(jī)泵、過剩功率大的機(jī)泵,回收期就短,而小功率機(jī)泵、過剩功率小的機(jī)泵就沒有意義，對具體情況要具體分析。
　　 變頻器的功率選擇問題，變頻器的價(jià)格隨著功率增大而增高,價(jià)差較大,并且變頻器的功率分規(guī)格檔次。為了節(jié)約資金,應(yīng)考慮按估算的功率進(jìn)行選擇變頻器,這就要求估算與實(shí)際使用變頻器要非常吻合,也就是對變頻后各工藝參數(shù)的估計(jì)要準(zhǔn)確。
　　 4 結(jié)束語
　　 變頻調(diào)速這一技術(shù)正越來越廣泛的深入到各行各業(yè)中。它的節(jié)能、省力、易于構(gòu)成自控系統(tǒng)的顯著優(yōu)勢，必將成為電力拖動(dòng)的中樞設(shè)備。應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)也是企業(yè)改造挖潛、增加企業(yè)效益的一條有效途徑。尤其是在石油及化工行業(yè)中高能耗、低產(chǎn)出的設(shè)備較多，采用變頻調(diào)速裝置將使企業(yè)獲得巨大的經(jīng)濟(jì)利益，同時(shí)這也是國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的需要。