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    1 引言

    石油化工行業是國民經濟發展的基礎行業，同時也是耗能大戶，其主要生產工藝都是通過各種泵、空氣壓縮機來完成。目前，這些油泵、水泵和空氣壓縮機大都處于電動機驅動恒速運轉狀態，如將占絕對多數的非調速型電機改成調速運行,使其耗電量實現隨負荷大小而變化,則可節約大量能源，將產生顯著的節能效果。現代電力電子技術、交流調速技術的發展使得交流電動機變頻調速在頻率范圍、動態響應、精度要求和使用效果等方面發生了巨大的飛躍。據不完全統計,各大中型石化企業中,鼠籠式異步電動機占整個電動機總容量的80％，因此,它為交流調速技術在石化行業中的應用提供了廣闊的發展空間。

    2 變頻器在石油行業中的應用

    2.1 在游梁式抽油機上的應用

    游梁式抽油機使用方便、可靠、經濟,是目前采油生產中的主要設備。為了減小抽油機上下沖程負荷的波動,一般都配有平衡塊。抽油機電機的負荷是一周期性脈動負荷,并迭加有瞬間的沖擊。抽油機電機的負荷曲線上有兩個峰值,分別為抽油機上下沖程的“死點”。抽油機自由停車后再啟動時，總是從死點處啟動,因此抽油機電機要求啟動轉矩大。為了保證足夠大的啟動轉矩,抽油機電機正常運行時負荷率很低,一般在20%左右,負荷率高的也不過30%。低負荷率運行造成功率因數低,效率低,電能浪費大。

    因此，在設計選配抽油機電機時，普遍的做法是令其抽取量大于實際負荷。它所帶來的新問題是當抽油機排量過剩時，抽油機的運行會出現無功抽取，出現空抽或泵空狀態，伴隨泵空還會產生井噴、氣鎖等事故，而井噴、氣鎖又是導致鉆具組、泵裝置甚至地面設備損壞的主要原因。另外，由于過度的不間斷運行，機械設備的損耗也相應上升，造成傳統抽油機成本高，噪音大，運行可靠性低。有效控制泵空是亟待研究的課題。抽油機是油田耗能大戶，用電量約占油田總用電量的40％，其總體效率很低，據調查一般在30％左右，過剩的抽油能力令抽油機的無功抽取時間增加，造成油井開采的電費成本居高不下，能源浪費十分嚴重。因此，抽油機的節能潛力非常可觀。

    近年來，市場上直接針對抽油機的節電技術主要有兩大類:一是開發不同類型的抽油機節能電機，如超高轉差率電動機、三相永磁同步電機、高啟動轉矩雙定子結構電機和電磁調速電機等。但由于資金投入太大，在許多油田用節能電機取代普通異步電機尚無法全面推廣。二是使用節能配電箱，其中包括定子繞組Y-Δ轉換調壓和電容器動態無功補償及靜態無功補償等。采用改變定子繞組的接法可以改變電機電壓，但電機只能得到固定電壓，節電效果并不理想。雖然有些裝置采用雙向晶閘管實現定子電壓隨負載變化連續調節，節電效果較好，但是電源電流波形發生畸變，電網諧波污染嚴重，不宜大面積長期使用。而采用變頻調速控制，則可以改變抽油機長期處于低效做功的狀態，使其工作方式與油井實際負荷相匹配，保證每次都抽油，減少低效甚至無效抽取，從而降低電費開支，減少維護成本，提高運行效率。

    勝利油田孤東采油廠采用了抽油機變頻調速技術對稠油井實施改造，油井泵效顯著提高，日均增油2.1t，節電率達30%以上，且上、下沖程速度可任意調整，減輕了工人的勞動強度。其經濟效益通過對15口井的跟蹤，用加權平均法計算出單井年效益如下:

    (1) 增產及減少電耗費用　增產,50.4萬元，節電0.61萬元，合計,51.01萬元。

　　(2) 投資　設備及土建安裝費等共計9.43萬元。

　　(3) 設備維護及折舊費1.36萬元/年。

　　(4) 稅金8.56萬元/年。

　　(5) 利潤41.08萬元/年。

　　(6) 投資回收時間＝投資/(利潤+稅金)＝70天

　　 2.2 在潛油電泵上的應用

　　 潛油電泵采油作為一種大排量、高效率、管理方便的機械采油方式,在油田得到了廣泛的應用。然而,對于復雜斷塊油田來說,油水井的對應連通性差,部分潛油電泵井出現供液不足,影響到潛油電泵的正常生產及井下機組運轉壽命。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常出現欠載停機現象,由于供液不足造成的躺井占總躺井數的45%,平均檢泵周期只有66d,平均單井年維護費用增加了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,引進了潛油電泵變頻控制技術,通過改變供電電源的頻率,控制潛油電機的轉速,對泵的排量進行調節,使潛油泵的工作特性和油井的產能相匹配、電泵機組在最佳工作區內工作,達到減少機械及電氣故障、延長電泵井壽命、增產及節能的效果。

　　 在推廣應用潛油電泵變頻器以后,使用效果十分顯著，具體如下:

　　(1) 現場投產一次成功率為100%,措施有效率為100%,

　　(2) 電泵井平均功率因數由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235t,電泵井平均生產時率由67.8%提高到98.1%,共減少作業躺井42井次,減少作業占產336t,

    (5) 投入產出比達1:4.38

    2.3 在石油鉆機上的應用

    鉆井過程分為起落井架,鉆進,泥漿循環,鉆具更換,下套管,測井等幾大工序。主要分為絞車,轉盤和泥漿泵等。絞車由滾筒、齒輪箱、離合器、制動器、電機和控制設備組成,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。由于每鉆進約9m就要提升下放鉆桿1次,因此絞車作業時間也隨著井深的增加而占整個作業時間的比例越來越大。為降低成本,希望在野外或海上的作業時間越短越好,這不僅要求絞車能高速運行,平穩起停,以保證不損壞鉆井設備并提高井的質量,還要求驅動設備具有良好的動態特性。如果在內線井區作業,電源可與井區電網相連,下放鉆桿時電機工作在發電狀態,能量可回饋電網,節能效果顯著。

    新疆石油管理局鉆井公司為可打3200m深度的一套鉆井設備配置了變頻器，所用產品為Siemens　SIMOVERT　MASTER-DRIVES　6SE71電壓源型變頻器柜，并且取得了較好的效益。在鉆機技術更新、改造過程中,采用先進的變頻器應是優先考慮,頗具推廣價值的方案，它將大大推動我國石油機械的技術進步。

    另外，在油氣集輸、油氣加工、含油污水處理、供水、排水、油田注水等系統中變頻器也有廣泛的應用，限于篇幅在此不一一舉例。

    3 變頻器在煉油行業中的應用

    機泵是煉油廠的心臟，在煉油過程中機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近億噸，所以耗電量之大是可想而知的。在煉油裝置中,電動機是應用面最廣、數量最多的電氣設備之一,其大部分負載為機泵,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%的電能消耗于調節閥節流控制壓降和因為處理量、收率變化及設計裕量大所造成的“大馬拉小車”而導致的泵出口閥壓降上。機泵節能的根本問題在于如何使控制方案與實際負荷相匹配,使之在控制過程中降低阻力,提高系統效率。這就為變頻調速技術提供了廣闊的應用空間。實踐證明,變頻調速裝置是企業技術改造、節能降耗的理想設備。毫無疑問,這種調速方式將成為石化企業中驅動系統的中樞。

    3.1 在泵類負載中的應用

    變頻調速技術通過改變電動機定子電源頻率來改變電動機轉速,相應地改變機泵的轉速和工況,使其流量與揚程適應管網介質流量的變化。

    如圖1所示,ｎ為泵特性曲線,A為管路特性曲線,H0為管網未端的服務壓力,H為泵出口壓力。當用水量達到最大(Qmax)時,水泵全速運轉,出口閥門全開,達到了滿負荷運行,泵的特性曲線n0和管網特性曲線A0匯交于ｂ點,則其工況點為ｂ,此時,泵的出口壓力為H,未端服務壓力剛好為H0。當流量從Qmax減少到Q1的過程中,泵全速運轉,靠泵出口閥門關小控制:此時,管網阻力特性曲線變陡(A2),泵的工況點由ｂ上滑到ｃ點,而管網所需的揚程將由ｂ點下滑到ｄ點,這樣,ｃ點和ｄ點揚程的差值即為全速泵的能量浪費。泵變速運轉,靠管網取不利點壓力恒定來控制:此時,當流量為Qmax下降到Q1時,泵降低轉數,泵特性曲線變為n1,其工況點為ｄ,正好落在管路特性曲線A0上,這樣可使泵工作點始終沿A0滑動。管網的服務壓力H0恒定不變,其揚程與系統阻力相適應,沒有能量的浪費,從而達到了調速節能的目的。

    大慶石化總廠已對裝置內負載波動大,調節閥節流嚴重的機泵安裝了65臺變頻器,總容量為3600kw,其中大部分是閉環控制系統,即現場一次表經變送器將信號通過屏蔽電纜送到PID調節器,調節后通地屏蔽電纜將4-20ｍA直流信號送到變頻器的設定口,控制變頻器的輸出;余下部分是開環控制系統,即根據控制目標通過電位器給定來控制變頻器輸出,以使電動機工作在符合工藝要求的轉速上,完全靠變頻器輸出控制電動機轉速來控制流量,使機泵的出口閥達到全開狀態,揚程與管網阻力特性曲線相吻合,泵出口揚程大幅度下降,電動機輸出有功功率也明顯降低,獲得最佳的節能效果。變頻器的使用,使節電率達到50～70%,年節電810萬kwh;另外,變頻器的使用,不但實現了生產過程自動化,而且延長了設備了使用壽命,保證了裝置安穩長滿優運行,取得了較好的經濟效益和社會效益。

    3.2 在石油氣壓縮機上的應用

    某煉油企業有2臺石油氣壓縮機,單機額定功率75kW，一開一備運行方式，而在實際生產中，只需大約45kW的輸出功率。壓縮機在低于額定工況下運轉，負載率較低，而且其風壓與流量大小要靠手動閥來調節，操作困難，也浪費大量電能。為此，采用變頻調速技術進行改造，用PLC實現自動調節和各種控制功能。系統結構圖如圖2所示。

    設定壓縮機管網正常出口壓力為P1,而現場實際測定壓力為P2,根據ΔP(=P2-P1)值的大小,由PLC內的PID功能模塊進行PID運算,控制變頻器來改變電機轉速,達到所要求的壓力。當ΔP>0時,即現場壓力偏高,則提高變頻器的輸出頻率,使電機轉速加快,提高實際風壓;當ΔP<0時,即現場壓力偏低,則使轉速降低,ΔP減小。這樣不斷調整,使ΔP趨于0,現場實際壓力在設定的壓力附近波動,保證壓力穩定。系統結構如圖2所示。

    運行實踐證明,該方案穩定可靠,經濟效果明顯。

    3.3 變頻器在石化企業中的應用效果

    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，節電61.3％，更為主要的是減少了因經常換電刷而帶來的維修上和停產;九江煉油廠生活水泵供水系統中，水泵電機110kw，不同時間負載變化較大，在負載較低時管網壓差較大，選用變頻器組成恒壓供水系統，平均節電36％;茂名煉油廠將變頻器大量的應用到生產過程中，減少因開啟閥門而帶來的麻煩，流量準確，減輕了工人的勞動強度，節約了大量電能。如糖醛生產線原有12臺泵，每天耗電8000kwh,把其中9臺采用變頻調速后，耗電只有4000kwh。

    3.4 煉油裝置應用變頻裝置應該注意的問題

    變頻技術在煉油裝置中得到了越來越廣泛的應用。目前,全國各煉油廠或多或少都在應用,并取得了良好的節能效果及經濟效益。但是,因原設計的煉油裝置在設計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。首先要考慮的是經濟效益。因此,對應用變頻技術的部位,各工藝條件的改變經充分論證是可行的,即變頻后各工藝參數能滿足工藝需要，尤其要重視經濟分析。

    就一般而言，原裝置設計的機泵選型都留有較大的裕量,一般都大于10%,電機功率選用過于保守。此外,實際生產中隨著加工量、物料性質的變化,也存在實際功率的變化,造成電機能量白白浪費;管路閥門及控制閥組調節閥的節流、冷卻器的冷后溫度過低等都會浪費能量。經可行性分析,若條件成熟都可考慮應用變頻技術。

    但是,目前國內的變頻器技術相對而言還不很成熟,而國外的變頻器價格較高,并且隨著功率增大價格也越高。幾個較好的品牌有:富士、東芝、三墾、西門子等。此外,加上相應的配套工程費用,并非在所有部位采用變頻器技術都能取得好的效益。如果在短期內不能回收投資,那么應用變頻器技術就不合算。煉油廠是以三年回收期來確定是否應用,已經應用的回收期基本在1～2年。正因為如此,選用大功率機泵、過剩功率大的機泵,回收期就短,而小功率機泵、過剩功率小的機泵就沒有意義，對具體情況要具體分析。

    變頻器的功率選擇問題，變頻器的價格隨著功率增大而增高,價差較大,并且變頻器的功率分規格檔次。為了節約資金,應考慮按估算的功率進行選擇變頻器,這就要求估算與實際使用變頻器要非常吻合,也就是對變頻后各工藝參數的估計要準確。

    4 結束語

    變頻調速這一技術正越來越廣泛的深入到各行各業中。它的節能、省力、易于構成自控系統的顯著優勢，必將成為電力拖動的中樞設備。應用變頻調速技術也是企業改造挖潛、增加企業效益的一條有效途徑。尤其是在石油及化工行業中高能耗、低產出的設備較多，采用變頻調速裝置將使企業獲得巨大的經濟利益，同時這也是國民經濟可持續發展的需要。