變頻調速技術在石油化工行業中的應用

變頻調速技術自二十世紀八十年代后，已廣泛地應用于我國國民經濟的各行各業。石油化工行業也不例外，不管是原油、天然氣的開采，還是煉油、化工裝置，直至下游最終化纖、塑料、化肥等都大量工藝應用了變頻調速技術（特別是合成纖維工業，變頻幾乎是唯一方案）。石油化工行業應用變頻調速技術的理由有兩個：

第一，生產工藝的要求調速運行，提高產量和質量；

第二，節能減排、環境保護的需要。因為石油化工行業有眾多的離心式風機、泵類和氣體壓縮機，調速方式改變流量可以節省可觀的電能。節電的同時就是減排有害氣體，實現環保。

2 變頻調速在石油鉆機中應用（變頻石油鉆機）

地質勘探到石油或天然氣礦源，需要鉆井地下數千米，開采到原油或天然氣。因此，鉆一個發現井（評價井），幾個試驗井以及大量的生產井。這樣方才形成一定規模的油田井坊。

石油鉆機是石油開采的重要設備。鉆機過去有柴油發電機組，交流電網供電及直流驅動鉆機，目前交流變頻鉆機已成為新型電驅鉆機，它具有諸多直流鉆機無法比較的優越性，是石油鉆機今后發展的趨勢。

2.1 石油鉆機采用變頻調速技術的理由

（1）不同的斷層地質，應有不同的鉆機速度。調節轉盤轉速和鉆進壓力，從而改變鉆機的鉆進速度。

（2）變頻調速可以實現軟起動，減小電流沖擊，避免巨大的電磁應力和機械應力，延長鉆機的使用壽命。

（3）鑒于鉆機工況的特殊性，當鉆機遇到巖石等硬質層時，會發生卡機情況，電流會急劇上升。由于變頻器采取了靈敏電流傳感器取樣及功率模塊igbt管結壓降保護措施，變頻器會在10ms極短時間內封鎖輸出，保護了鉆機設備。

2.2石油鉆機變頻調速應用實例

應用實例1：大慶市石油管理局井下鉆井公司3000米深度的鉆機。采用山東新風光電子公司風光牌jd-bp32-500z專用鉆機變頻器，3φ，380v，500kw、940a。

應用實例2：中原油田50103隊應用在2900米和4500米井上。采用abb公司acs600系列變頻器七臺，800kw.600v等級。山東永濟電機廠提供七臺800kw變頻電動機，上海三高石油設備公司制造5000米交流變頻鉆機，50dbs全變頻電控系統。

3 采油用抽油泵和潛油泵的變頻調速系統

采油工作任務就是最大限度地將原油從油層中采到地面上來，油井是連結油層和地面的通道。

采油方法是指流到井底的原油采到地面上所用的方法。

一般有二種：

1）自噴采油（利用油田內的本身能量）；

2）人工舉升采油（利用外界能量）或稱機械采油。

鑒于我國多數油田的天然能量不足，自噴采油方法很少見。所以采用兩種抽油機，有桿泵往復式抽油機（又稱磕頭式抽油機）及地下潛油離心式電動泵抽油機。

圖1 抽油機結構圖
1—電動機；2—剎車；3—減速箱；4—曲柄；5—平衡重；6—連桿；
7—橫梁；8—平衡塊；9—游梁支座；10—游梁；11—驢頭；
12—懸繩器；13—支架；14—底座

3.1 游梁式抽油機（又稱磕頭式抽油機）變頻調速

3.1.1 游梁式抽油機的結構

抽油機是抽油井地面機械傳動裝置，它和抽油桿、抽油泵配合使用，能將井下原油抽到地面。按照抽油機的結構和工作原理不同可分為游梁式抽油機和無游梁式抽油機。目前油田主要是游梁式抽油機。

3.1.2 抽油機的工作原理

由電機供給動力，經減速裝置將馬達的高速旋轉變為抽油機的低速運動，并由曲柄——連桿——游梁機構將旋轉運動變為抽油機的往復運動，帶動深井泵工作。

3.1.3 抽油機調節抽油量的方法

抽油機井下深井泵（有管式泵和桿式泵兩種）其結構如圖1所示。

深井泵的工作原理：當活塞上行時，吸液體入泵，排液體出井；活塞下行時，泵筒內液體轉移入油管內，不排液體出井。從油井采出的水是由無到有，由低到高；而采出的原油則由高到低逐步下降。因此，抽油機應根據井下含水的上升，不斷地加大抽液量，見圖2。

圖2 泵的工作原理圖
a —上沖程； b —下沖程
1—排出閥；2—活塞；
3—襯套；4—吸入閥

既往電動機恒速，調節流量方法：

（粗調）1/ 調節深井泵的沖次（次/分）（調傳動比）

（細調）2/ 調節深井泵的沖程（max 1800mm）（調插銷空位置）

圖3 游梁式抽油裝置示意圖
1—吸入閥；2—泵筒；3—活塞；4—排出閥；
5—抽油桿；6—油管；7—套管；8—三通；
9—盤根盒；10—驢頭；11—游梁；12—連桿；
13—曲柄；14—減速箱；15—電動機

圖3為磕頭式抽油裝置示意圖:

●　地石階 旋轉運動變為往復運動;

●　抽油桿 （約8米長）連接驢頭和深井泵；

●　活塞式 （容積式）深井泵。

變頻調速游梁式抽油機，驅動電動機由變頻器供電，不需要機械變速擋和調節過程。若采用變頻調速的游梁式抽油機，無極平滑調節電機轉速，即可調節深井泵的抽液量。不需要停機更換皮帶盤，也無需改變深井泵活塞的沖程，還可以實現電動機軟起動。

由于采用變頻調速系統，使抽油機動態適應油井負荷變化，也可方便地進行參數調節可實現最經濟的控制。同時其軟起動性能好，可延長抽油機壽命，減少維修費用。

應用實例1：某油田抽油機采用變頻調速。采用倫茨變頻器，380v.55kw，一次改造128眼油井，收到了良好的節電，節電率在20%以上，增產效果亦較理想。

應用實例2：臨盤采油廠游梁式抽油機應用中壓三電平變頻器，1140v/75kw電動機。在該廠34—4站，l45—15#上試驗，節電效果良好。

3.2 潛油電動離心泵抽油機的變頻調速

由于有桿深井泵采油不適用于：

●　油層厚度大；

●　出油能力強；

●　產液量高的油井。

而潛油離心電泵，具有排量大，揚程高的特點，適應大液量開采的油田。

圖4 電泵裝置示意圖
1—變壓器；2—控制屏；3—接線盒；
4—井口；5—動力電纜；6—測壓閥；
7—單流閥；8—小扁電纜；9—多級離心泵；
10—油氣分離器；11—保護器；12—電機；13—測試裝置

圖4為潛油電泵裝置示意圖。

變頻器及電氣控制設備在地面上，電動機和多級離心泵在幾千米的井下。

3.2.1潛油離心泵采用變頻調速的理由

1）頻率變化范圍（30～90hz）進行系統試井，使電泵機組與油井產能以最佳匹配；

2）調整電泵排量，使之適應油井供液情況，減少“起下泵”的次數；

3） 可實現低速軟起動，逐步加速，延長潛油泵機組的壽命。

3.2.2 潛油電泵專用變頻器特殊要求

因為油井深數千米，變頻器與電動機之間距離也是數千米，因此要求變頻器輸出波形為正弦波，諧波愈小愈好。否則線路壓降很大，電機無輸出力矩，拖不動負荷。一般宜采用功率單元串聯的多電平完美無諧波變頻器（robicon電路）。

應用實例：渤海石油公司，中海油集團（中國海上石油、天然氣集團公司）海上采油平臺，潛油電泵變頻調速。利德華福公司變頻器15臺，輸出1100v電壓，90a 運行正常。電動機15臺，輸入970v電壓，44a（電纜壓降≈230v）

4 油田注水泵站中的變頻調速

4.1為什么要注水？

我國多數油田的天然能量不足，所以都采用注水采油方法。分層注水向油層補充能量（以水驅油）保持油層壓力，是當前提高采油速度和油田采收率一項應用最廣的措施。特別是陸相沉積的油田，油層多，巖性變化大，分層注水是改善油田開采狀況，提高采收率的重要措施。

4.2 注水泵站設備

注水站的作用和主要設備如圖5所示。

圖5 注水站流程示意圖

1—水源調來合格水；2—儲水罐；3—高壓泵；4—分水器；5—配水間；6—流量計

把來自水源并經過處理合格的水，經高壓注水泵升壓，以滿足注水井所需的注入壓力。然后通過輸出水管網，注入到油層中去。

4.3 油田工況需調流量

由于各個油田含油面積的大小，油層滲透率的高低和連通情況各不相同，因此要根據油田各自的特點選擇適宜的注水方式。及時掌握和調整泵壓輸水管線壓力。

4.4 變頻調速注水泵

油田注水泵站若采用變頻調速系統，可以平滑無極地調節注水泵的出口壓力和流量。控制系統能做到“恒壓力”供水或“恒流量”供水。省去既往采用的調節閥門方式，可以節能。

由于注水泵一般為6kv高壓，大容量800～2000kw，可以節能，效益好。

我國的大慶油田，早在60年代開發初期就進行人工注水，及時補充油層能量，使油田產量和氣油比保持穩定。

5 油田中油氣集輸站變頻調速技術應用

油田各井坊采來的原油或天然氣，匯送至油田集輸站處理。收集各油井產出的原油（或天然氣）及其伴生物，經分離、計量后匯集輸送至處理站。將油氣水分離和凈化，加藥，脫水，排污以及鍋爐蒸汽加熱，生活熱水等流程，達到規定質量標準的原油和天然氣再集中外運。

在油田集輸站內變頻調速應用場合舉例：

（1）油水分離裝置

恒定油水分界線高度控制的變頻調速系統

（2）加藥泵裝置

恒定ph值控制的變頻調速系統

（3）集輸站內：原油泵變頻調速輸送系統；

天然氣變頻調速輸送系統；

液態烴變頻調速輸送系統。

（4）集輸站外:供蒸汽（熱水）鍋爐

鍋爐風機變頻調速；

鍋爐給水泵變頻調速。

6 長距離輸油管道外運——變頻輸油泵

原油的外運可以通過火車（列車）油罐車、汽車油槽車、大型油輪或長距離管道輸油泵。輸送的終點是煉油廠的原油庫或其他轉運樞紐。

天然氣的向外輸送目前主要有兩種方法：

●　管路加壓輸送（可采用氣體壓縮機變頻調速）；

●　將天然氣液化成天然液化氣（lng），用專用油輪運輸。

6.1 長距離輸油泵調速的理由

（1）不同品種的原油，不同的介質需要不同的流速。

（2）工況不同，需要改變流量。

由于管道里輸送原油的流量和粘度的變化會引起管道阻力變化，因此應對流量進行調節。對于離心式輸油泵，因為流量與轉速成正比（q∝n），所以離心式輸油泵調節流量就可從調速方便實現。

表1 石油行業主要耗能設備節能潛力

7 中國石油天然氣行業變頻調速應用前景分析

中國石油行業中的注水泵、潛油泵、抽油機、輸氣泵等都是高耗電設備，占行業用電量的80%以上，而耗電費用在中國石油的成本中占了相當大的份額，某種意義上講節電就是直接降低石油成本。因此，石油行業應是推廣電機節能的重點行業。全國石油行業的各種泵及其他生產工藝上應用的變頻器裝置超過120mw，年節電2億kwh，變頻裝置中90%以上部分1997年使用低壓變頻器，主要用在油田集輸和供水等系統。

據專家估計，石油行業如果全面推廣電機調速系統節能技術，總節電潛力約為35億kwh。主要用電設備的節能潛力見表1。油田大功率的注水泵、長輸管道輸油泵變頻調速技術應用還相對較少，進一步開發的潛力很大。

8 交流電動機變頻調速在煉油、化工裝置中的應用

8.1石化、化工行業變頻應用潛力分析

石化及化工行業安裝有大量的泵、風機和壓縮機等通用機械，它們大部分靠電機拖動，消耗大量電能和其他能源，這些產品使用變頻調速裝置并通過plc來控制，不但可以提高控制精度，使系統更加可靠，而且控制程序可隨工藝流程改變，便于與計算機接口實現分散網絡監控，大大提高過程自動化水平，而且節能潛力很大。

石化行業中煉油生產用風機、泵、壓縮機用電占其總用電量的90%，其中2/3是在變負載工況下運行，采用變頻調速的平均節電率為52%。據調查，煉油廠風機、泵的電費已占煉油成本的10%。另外，全國石化行業用于高壓聚乙烯、各種氣體和液體的物流運輸等高電壓大功率風機、泵、壓縮機保有量在10000臺以上，電壓多為6kv，單機容量在200～5900kw。常壓電機采用變頻調速的節能回收期平均為1.8～2.2年，把高壓電機根據其容量適當轉成不同電壓的低壓電機、中壓電機，就便于推廣變頻節電技術，節能潛力大約為30億kwh。

化工行業的化肥和基本化工業的耗電為437.5億kwh和408.9kwh，節電潛力為185億kwh，而且化工過程連續性很強，負荷經常波動，有調速需求；橡膠工業對固體加工時負荷變化幅度大，必須調速。經有關實驗，在大型化肥廠高壓甲銨泵上使用變頻器與使用液力變矩器進行能耗比較，變頻器的節電率高出28.7%左右。

石油化工的生產過程是一個比較典型的工藝過程。其有明顯的連續性，其生產介質大都是以流體（氣體和液體）為主，這些生產流體介質從一個設備到另一個設備，從一套裝置到另一套裝置，還需升壓、降壓、升溫、冷卻進行化學反應，進行傳熱傳質等過程，這些大量的流體輸送及其過程，就構成了工藝過程的各基本單元操作。承擔流體輸送任務的就是按工藝需要所配置的風機水泵和壓縮機。所以風機、水泵在化學工業企業中，屬量大面廣設備。

8.2煉油、化工裝置采用變頻調速的理由

原因：（1）原設計的機泵選型都留有10%以上的余量；

（2）隨著生產加工量物料品種等工況的變化。實際需求功率也變化，電機的恒速運行和機泵恒壓恒流的設計則導致電能浪費，存在“大馬拉小車”現象；

（3）原先調節流量大多采用節流方式，造成大量的能量損失。機泵是煉化裝置的心臟。電動機是應用最廣，數量最多的電氣設備，其大部分負載為機泵。據分析過去定速泵的消耗功率，其中30～40%被工藝物流吸收（作有用功），還有60%～70%的電能消耗于調節閥的節流壓降和出口閥門的壓降。因此，機泵節能的根本途徑在于如何使電氣傳動控制方式與實際負荷相匹配，提高傳動系統效率，降低節流損失，這就為變頻調速技術推廣應用提供了廣闊空間。

9 結語

根據2007年中國油氣論壇——油氣勘探新領域新技術研討會，認為我國可能找到的石油資源為650多億噸，目前探明率僅為39%，可探明的天然氣資源為25萬億立方米，目前探明率僅為24.6%。這些數據說明中石油和中海油兩大集團公司尚有發展很大空間，中石化集團在煉油和石油化工行業上更需大力發展。

以上三大集團國有企業是石化行業變頻器用戶的主體。目前，需求產品大量的是低壓變頻器（380v和690v）約占60～70%高壓變頻器（國外稱中壓變頻器，3.3kv 6.6kv,10kv）約占30%左右。從未來發展的趨勢及產品供貨情況的改善,高壓變頻器在石化行業的應用會大大增加，變頻調速因其節能、安全、易控制等優勢，必將成為石油化工行業電力拖動的主流方式。尤其針對石油化工行業中高能耗,低產出的設備較多的情況，推廣應用變頻調速技術，也是石油化工行業可持續發展的需要。

參考文獻（略）

作者簡介

劉亮喜（1936-） 男 曾任中國紡織大學研究生導師 曾任上海石化公司設備動力部高級電氣工程師。曾合編“變頻調速”、“風機水泵調速節能手冊”等書五本，公開發表論文20余篇。