安川變頻器在石油工業的應用

1 引言

　　多年來，安川公司在石油行業積累了非常豐富的經驗，如G7/P7/F7/G5/P5/G5HHP/VS等不同系列的變頻器都已經在OEM商中獲得了廣泛的應用，目前主要領域有離心分離機、泵、風機、運送設備、計量設備、壓縮機等。

　　在石油化工行業應用的安川變頻器具有下面幾個特點:

　　(1) 其NEMA 3R的封裝形式能夠經受住油田常見的惡劣環境;

　　(2) 其專用的用戶化驅動軟件CASE能非常有效地工作于諸如磕頭機的往復負載，從而無須采用耗能厲害的動態制動電阻;

　　(3) 其優秀的硬件設計和PC板噴涂工藝使得變頻器在油田等惡劣環境和振動率高的場合下正常工作。

　　本文主要介紹了安川在石油行業的幾個典型案例。

　　2 實現臥螺離心機的節能降耗

　　在石油行業中，經常要用到臥螺離心機來處理原油脫水和污泥分離等工序，安川變頻器已經成功地應用于DERRIC公司的DE-1000系列臥螺離心機，并取得了節能降耗的效果。

　　臥螺離心機的原理如圖1所示，物料從進料口進入到離心機，筒體與螺旋同向低差速高速旋轉、使物料的固相、液相分離，較重顆粒的固相被離心甩到筒壁并由螺旋推出筒體外，較輕顆粒的固相或液相則從另一端管道排出。

　　圖1左圖中，主電機拖動的負載為筒體，副電機拖動的負載為螺旋，由于在正常作業中，主電機的速度始終高于副電機，致使副電機長期工作在發電狀態，傳統的方法是采用能耗嚴重的渦流制動，其相當于剎車系統調速差。顯然，將這部分能量充分利用起來是非?？捎^的。

　　安川的方案是基于變頻器母線共聯，將副電機的電能通過兩臺變頻器之間的母線消耗到主電機的電動狀態中去，使能量通過母線在變頻器間共享，從而大大提升了系統的穩定性和可靠程度，同時又能降低能耗，比傳統的渦流制動能耗節省20%——40%。安川的GPD 515/G5采用的是矢量工作方式，通過安裝編碼器，可以精確地實現差轉速控制，同時在料堵塞時也能提供足夠的轉矩。

　　采用安川變頻控制的臥螺離心機控制系統主要有以下特點:

　　(1) 人機界面HMI(一般采用PC-BASED系統)作為主機來進行控制，包括變頻器間DeviveNet通訊、母線電壓監測、各變頻器參數讀取和寫入、進料各點控制等;

　　(2) 主電機采用GPD 515G5變頻器來控制筒體的運轉，由于工作在矢量控制方式下，因此它能提供足夠大的啟動轉矩，克服筒體的慣量平滑啟動;

　　(3) 副電機也采用GPD 515G5來控制螺旋以低于主電機的速度運轉，其螺旋與轉鼓之間的速差可以根據進料的變化自動調節，在堵塞情況下，螺旋能提供足夠的轉矩將料推出、清空并再次運行;

　　(4) 通過共母線方式來再生能量處理，其再生能量的大小取決于筒體的轉速和筒體與螺旋的轉速差;

　　(5) 變頻器線路板的涂層設計配合防爆電機能使該系統穩定工作在油田惡劣的環境，如水汽、腐蝕氣體、意外振動等。

　　通過全世界范圍內多個油田的應用，配備安川GPD系列變頻器的臥螺離心機都取得了明顯的效果。油田原油脫水的產量成十倍地提高，由于該型離心機能長時間無故障地運行，對于物料的變化，變頻器都能輕松克服并可以被自由調整輸出; 由于變頻調速節能環保和調速方便，能解決渦流制動的耗能發熱問題和液壓驅動的漏液問題，傳動的部件都能以標準件替代，因此臥螺離心機都能做到免維護運行;現場總線DeviceNet的應用將變頻器的設置和監視變得非常簡單，用戶只需在HMI上就可以得到一切傳動運行數據和設定相應的工藝數據。實現輸油泵站的壓力PID控制管道輸油是將原油(或油品)加壓、加熱通過輸油管道由某地(一般是油田)輸送至另一地(一般是煉廠、碼頭等)。加壓的目的是為原油提供動能，以克服沿線地理位差及管道沿線的壓力損失; 加熱是針對“含蠟高、凝點高、粘度大”的“三高”原油而采取的措施，目的是使管道中原油的溫度始終保持在凝點以上或更高的溫度以使原油順利流動。實現原油的長距離輸送必須有輸油站及線路兩大部分。輸油站中包括輸油泵機組、加熱設備、計量化驗、通訊設備、儲油罐等。

　　在這里有一個例子介紹了安川變頻器VS616P5在俄克拉荷馬州塔爾薩輸油泵站(如圖2)中的應用情況。該泵站的主泵是功率為110kW的往復泵，將附近各采油點的原油經加壓后送到數公里外的煉油廠。

　　在原先的控制方案中，該加壓泵站是通過可編程控制器來實現簡單的壓力控制，即到達壓力低限時開泵、到達壓力高限時關泵。頻繁的開停動作對于大負載電機而言，將會對電網造成強大的沖擊，同時也對原油管路有一定的損害作用。由于采用簡單的on/off控制，導致輸送石油的壓力不穩，壓力波動大，對于原油的集輸系統的過程控制造成一定的困難; 同時，頻繁性開關對于閥門部件、管路等造成的維修量與日俱增，嚴重時還會發生大罐抽空、管線堵塞和原油冒罐事故，對生產帶來大量的浪費。為了解決這些矛盾，在現有的原油集輸網絡中引進變頻調速技術，自動跟蹤調節運行狀態，已經收到了良好的效果。

　　在該加壓泵站中，原來的主泵采用安川變頻器拖動后，可以方便地利用變頻器內部集成的PID功能進行壓力閉環控制。如圖2所示，用戶管路端安裝的壓力傳感器信號直接進入變頻器的FV或FI端，變頻器就會自動計算出與設定值之間的差值，然后再控制變頻器的輸出。

　　使用變頻器后，該泵站不僅明顯降低了機械損耗和維護量，同時對電網的沖擊已經大為減少，從原先直接啟動時電機額定電流的600%——800%降低到150%左右，功率因數也上升至98%左右。由于采用PID控制，電機的運行速度不再是再滿速空轉中，而是降低了轉速，平均運行電流從大于160A降低到116A左右(大約降低了30%)。

　　由于石油輸送管路潛在的高壓問題，用戶不得不裝設高于10倍常規壓力標準的壓力傳感器,因此實際采樣的電壓數值有效區域很窄，只有選擇高精度的壓力傳感器才能正常進行PID控制。同時，變頻器對拖動的負載必須進行有效地調諧以進行參數整定，使電機和水泵工作在最佳狀態。為了避免管線共振效應，設置機械共振點也是必需的。

　　3 實現注水站離心泵的流量壓力控制

　　在石油工業中經常會進行注水處理，其主要是利用注水井把水注入油層，以補充和保持油層壓力的措施稱為注水。油田投入開發后，隨著開采時間的增長，油層本身能量將不斷地被消耗，致使油層壓力不斷地下降，地下原油大量脫氣，粘度增加，油井產量大大減少，甚至會停噴停產，造成地下殘留大量死油采不出來。因此，為了彌補原油采出后所造成的地下虧空，保持或提高油層壓力，實現油田高產穩產，并獲得較高的采收率，必須對油田進行注水。

　　在很多油田注水站的泵配置中，功率都非常大，通常采用工頻降壓啟動，且大多采用離心泵，通過節流閥來控制流量。我們知道，變頻器使用在離心泵上具有非常大的節能潛力，因此在泵設計余量充足的情況下，采取變頻調速不啻是個最優的辦法。使用安川F7，就能輕松實現節能運行和抑制高次諧波。在F7的節能控制運行范圍里，它根據最大效率控制，對離心泵更能發揮超群的節能效果。

　　對于離心水泵的變頻調速改造有巨大的節能潛力，我們通過將F7變頻器應用到注水站水泵，實踐證明其節能效果在30——50%，有時高達70%。為什么離心泵設備通過變頻調速調節流量有如此驚人的節能呢?在此將其原理加以闡明。如附表所示，離心泵的流量與轉速成正比(公式1)，壓力與轉速平方成正比(公式2)，功率與轉速的立方成正比(公式3)。因此在調節流量時如降低20%的流量，功耗則會下降50%。但是必須注意，轉速與壓力是平方關系，當轉速下降20%壓力則會下降到64%，因此必須要注意工藝要求。

　　通常離心泵類設備傳統的風量、流量風門控制的，大量的能源耗在風門或截流閥的阻力上，風門或截流閥控制流量的功耗與流量關系見(公式4)。比較截流閥控制與變頻調速調節，可以看到在流量變化范圍，采用變頻調速的方法具有很大的節能潛力，因此在油田其他供水泵上進行變頻改造同樣會取得很大的節能效果。

　　4 結束語

　　本文重點介紹了安川變頻器在石油工業中的幾個典型應用，它能方便地調節電機轉速，并在一定程度上節約能耗，非常適合油田和化工環境惡劣的場合使用。