安川變頻器在石油工業(yè)的應(yīng)用

2010年11月12日 10:48:23人氣：2341來(lái)源：上海智忱科技發(fā)展有限公司

安川變頻器在石油工業(yè)的應(yīng)用

1 引言

多年來(lái)，安川公司在石油行業(yè)積累了非常豐富的經(jīng)驗(yàn)，如G7/P7/F7/G5/P5/G5HHP/VS等不同系列的變頻器都已經(jīng)在OEM商中獲得了廣泛的應(yīng)用，目前主要領(lǐng)域有離心分離機(jī)、泵、風(fēng)機(jī)、運(yùn)送設(shè)備、計(jì)量設(shè)備、壓縮機(jī)等。
在石油化工行業(yè)應(yīng)用的安川變頻器具有下面幾個(gè)特點(diǎn):
（1）其NEMA 3R的封裝形式能夠經(jīng)受住油田常見(jiàn)的惡劣環(huán)境;
（2）其的用戶化驅(qū)動(dòng)軟件CASE能非常有效地工作于諸如磕頭機(jī)的往復(fù)負(fù)載，從而無(wú)須采用耗能厲害的動(dòng)態(tài)制動(dòng)電阻;
（3）其的硬件設(shè)計(jì)和PC板噴涂工藝使得變頻器在油田等惡劣環(huán)境和振動(dòng)率高的場(chǎng)合下正常工作。
本文主要介紹了安川在石油行業(yè)的幾個(gè)典型案例。

2 實(shí)現(xiàn)臥螺離心機(jī)的節(jié)能降耗

在石油行業(yè)中，經(jīng)常要用到臥螺離心機(jī)來(lái)處理原油脫水和污泥分離等工序，安川變頻器已經(jīng)成功地應(yīng)用于DERRIC公司的DE-1000系列臥螺離心機(jī)，并取得了節(jié)能降耗的效果。
臥螺離心機(jī)的原理如圖1所示，物料從進(jìn)料口進(jìn)入到離心機(jī)，筒體與螺旋同向低差速高速旋轉(zhuǎn)、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(jī)拖動(dòng)的負(fù)載為筒體，副電機(jī)拖動(dòng)的負(fù)載為螺旋，由于在正常作業(yè)中，主電機(jī)的速度始終高于副電機(jī)，致使副電機(jī)長(zhǎng)期工作在發(fā)電狀態(tài)，傳統(tǒng)的方法是采用能耗嚴(yán)重的渦流制動(dòng)，其相當(dāng)于剎車系統(tǒng)調(diào)速差。顯然，將這部分能量充分利用起來(lái)是非?？捎^的。
安川的方案是基于變頻器母線共聯(lián)，將副電機(jī)的電能通過(guò)兩臺(tái)變頻器之間的母線消耗到主電機(jī)的電動(dòng)狀態(tài)中去，使能量通過(guò)母線在變頻器間共享，從而大大提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠程度，同時(shí)又能降低能耗，比傳統(tǒng)的渦流制動(dòng)能耗節(jié)省20％～40％。安川的GPD 515/G5采用的是矢量工作方式，通過(guò)安裝編碼器，可以地實(shí)現(xiàn)差轉(zhuǎn)速控制，同時(shí)在料堵塞時(shí)也能提供足夠的轉(zhuǎn)矩。
采用安川變頻控制的臥螺離心機(jī)控制系統(tǒng)主要有以下特點(diǎn):
（1）人機(jī)界面HMI（一般采用PC-BASED系統(tǒng)）作為主機(jī)來(lái)進(jìn)行控制，包括變頻器間DeviveNet通訊、母線電壓監(jiān)測(cè)、各變頻器參數(shù)讀取和寫(xiě)入、進(jìn)料各點(diǎn)控制等;
（2）主電機(jī)采用GPD 515G5變頻器來(lái)控制筒體的運(yùn)轉(zhuǎn)，由于工作在矢量控制方式下，因此它能提供足夠大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，克服筒體的慣量平滑啟動(dòng);
（3）副電機(jī)也采用GPD 515G5來(lái)控制螺旋以低于主電機(jī)的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，其螺旋與轉(zhuǎn)鼓之間的速差可以根據(jù)進(jìn)料的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)，在堵塞情況下，螺旋能提供足夠的轉(zhuǎn)矩將料推出、清空并再次運(yùn)行;
（4）通過(guò)共母線方式來(lái)再生能量處理，其再生能量的大小取決于筒體的轉(zhuǎn)速和筒體與螺旋的轉(zhuǎn)速差;
（5）變頻器線路板的涂層設(shè)計(jì)配合防爆電機(jī)能使該系統(tǒng)穩(wěn)定工作在油田惡劣的環(huán)境，如水汽、腐蝕氣體、意外振動(dòng)等。
通過(guò)*范圍內(nèi)多個(gè)油田的應(yīng)用，配備安川GPD系列變頻器的臥螺離心機(jī)都取得了明顯的效果。油田原油脫水的產(chǎn)量成十倍地提高，由于該型離心機(jī)能長(zhǎng)時(shí)間*地運(yùn)行，對(duì)于物料的變化，變頻器都能輕松克服并可以被自由調(diào)整輸出; 由于變頻調(diào)速節(jié)能環(huán)保和調(diào)速方便，能解決渦流制動(dòng)的耗能發(fā)熱問(wèn)題和液壓驅(qū)動(dòng)的漏液?jiǎn)栴}，傳動(dòng)的部件都能以標(biāo)準(zhǔn)件替代，因此臥螺離心機(jī)都能做到免維護(hù)運(yùn)行;現(xiàn)場(chǎng)總線DeviceNet的應(yīng)用將變頻器的設(shè)置和監(jiān)視變得非常簡(jiǎn)單，用戶只需在HMI上就可以得到一切傳動(dòng)運(yùn)行數(shù)據(jù)和設(shè)定相應(yīng)的工藝數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)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(guò)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(dòng)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(duì)“含蠟高、凝點(diǎn)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(diǎn)以上或更高的溫度以使原油順利流動(dòng)。實(shí)現(xiàn)原油的長(zhǎng)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(jī)組、加熱設(shè)備、計(jì)量化驗(yàn)、通訊設(shè)備、儲(chǔ)油罐等。
在這里有一個(gè)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(yīng)用情況。該泵站的主泵是功率為110kW的往復(fù)泵，將附近各采油點(diǎn)的原油經(jīng)加壓后送到數(shù)公里外的煉油廠。

在原先的控制方案中，該加壓泵站是通過(guò)可編程控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的壓力控制，即到達(dá)壓力低*開(kāi)泵、到達(dá)壓力高*關(guān)泵。頻繁的開(kāi)停動(dòng)作對(duì)于大負(fù)載電機(jī)而言，將會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成強(qiáng)大的沖擊，同時(shí)也對(duì)原油管路有一定的損害作用。由于采用簡(jiǎn)單的on/off控制，導(dǎo)致輸送石油的壓力不穩(wěn)，壓力波動(dòng)大，對(duì)于原油的集輸系統(tǒng)的過(guò)程控制造成一定的困難; 同時(shí)，頻繁性開(kāi)關(guān)對(duì)于閥門(mén)部件、管路等造成的維修量與日俱增，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)發(fā)生大罐抽空、管線堵塞和原油冒罐事故，對(duì)生產(chǎn)帶來(lái)大量的浪費(fèi)。為了解決這些矛盾，在現(xiàn)有的原油集輸網(wǎng)絡(luò)中引進(jìn)變頻調(diào)速技術(shù)，自動(dòng)跟蹤調(diào)節(jié)運(yùn)行狀態(tài)，已經(jīng)收到了良好的效果。
在該加壓泵站中，原來(lái)的主泵采用安川變頻器拖動(dòng)后，可以方便地利用變頻器內(nèi)部集成的PID功能進(jìn)行壓力閉環(huán)控制。如圖2所示，用戶管路端安裝的壓力傳感器信號(hào)直接進(jìn)入變頻器的FV或FI端，變頻器就會(huì)自動(dòng)計(jì)算出與設(shè)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(jī)械損耗和維護(hù)量，同時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊已經(jīng)大為減少，從原先直接啟動(dòng)時(shí)電機(jī)額定電流的600％～800％降低到150％左右，功率因數(shù)也上升至98％左右。由于采用PID控制，電機(jī)的運(yùn)行速度不再是再滿速空轉(zhuǎn)中，而是降低了轉(zhuǎn)速，平均運(yùn)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?jiǎn)栴}，用戶不得不裝設(shè)高于10倍常規(guī)壓力標(biāo)準(zhǔn)的壓力傳感器,因此實(shí)際采樣的電壓數(shù)值有效區(qū)域很窄，只有選擇高精度的壓力傳感器才能正常進(jìn)行PID控制。同時(shí)，變頻器對(duì)拖動(dòng)的負(fù)載必須進(jìn)行有效地調(diào)諧以進(jìn)行參數(shù)整定，使電機(jī)和水泵工作在*狀態(tài)。為了避免管線共振效應(yīng)，設(shè)置機(jī)械共振點(diǎn)也是必需的。

3 實(shí)現(xiàn)注水站離心泵的流量壓力控制

在石油工業(yè)中經(jīng)常會(huì)進(jìn)行注水處理，其主要是利用注水井把水注入油層，以補(bǔ)充和保持油層壓力的措施稱為注水。油田投入開(kāi)發(fā)后，隨著開(kāi)采時(shí)間的增長(zhǎng)，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(chǎn)量大大減少，甚至?xí)娡．a(chǎn)，造成地下殘留大量死油采不出來(lái)。因此，為了彌補(bǔ)原油采出后所造成的地下虧空，保持或提高油層壓力，實(shí)現(xiàn)油田高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，并獲得較高的采收率，必須對(duì)油田進(jìn)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?jiǎn)?dòng)，且大多采用離心泵，通過(guò)節(jié)流閥來(lái)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(jié)能潛力，因此在泵設(shè)計(jì)余量充足的情況下，采取變頻調(diào)速不啻是個(gè)*的辦法。使用安川F7，就能輕松實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行和抑制高次諧波。在F7的節(jié)能控制運(yùn)行范圍里，它根據(jù)zui大效率控制，對(duì)離心泵更能發(fā)揮超群的節(jié)能效果。
對(duì)于離心水泵的變頻調(diào)速改造有巨大的節(jié)能潛力，我們通過(guò)將F7變頻器應(yīng)用到注水站水泵，實(shí)踐證明其節(jié)能效果在30～50％，有時(shí)高達(dá)70％。為什么離心泵設(shè)備通過(guò)變頻調(diào)速調(diào)節(jié)流量有如此驚人的節(jié)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(zhuǎn)速成正比（公式１），壓力與轉(zhuǎn)速平方成正比（公式２），功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比（公式３）。因此在調(diào)節(jié)流量時(shí)如降低20％的流量，功耗則會(huì)下降50％。但是必須注意，轉(zhuǎn)速與壓力是平方關(guān)系，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降20％壓力則會(huì)下降到64％，因此必須要注意工藝要求。
通常離心泵類設(shè)備傳統(tǒng)的風(fēng)量、流量風(fēng)門(mén)控制的，大量的能源耗在風(fēng)門(mén)或截流閥的阻力上，風(fēng)門(mén)或截流閥控制流量的功耗與流量關(guān)系見(jiàn)（公式４）。比較截流閥控制與變頻調(diào)速調(diào)節(jié)，可以看到在流量變化范圍，采用變頻調(diào)速的方法具有很大的節(jié)能潛力，因此在油田其他供水泵上進(jìn)行變頻改造同樣會(huì)取得很大的節(jié)能效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文重點(diǎn)介紹了安川變頻器在石油工業(yè)中的幾個(gè)典型應(yīng)用，它能方便地調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，并在一定程度上節(jié)約能耗，非常適合油田和化工環(huán)境惡劣的場(chǎng)合使用。

關(guān)鍵詞：安川變頻器變頻器制動(dòng)電阻編碼器控制系統(tǒng)

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